分时分区供暖需求下的被动太阳能建筑适宜性研究

李 涛，王志帆，毛前军，李冠男，王登甲，刘艳峰

(1. 武汉科技大学 城市建设学院，湖北 武汉 430065；2. 西安建筑科技大学 西部绿色建筑国家重点实验室，陕西 西安 710055)

0 引 言

西北大部分采暖区太阳能资源丰富，被动太阳能房是一种简便易行的冬季室内热环境改善技术，因此南向采光面大[1-2]的小学建筑具备利用被动式太阳能技术的条件。目前国内外对被动太阳房进行了大量的研究，编写了相关设计手册和图集[3-6]。文献[7-10]研究了太阳能建筑在西北农村中的应用，推动了太阳能建筑在我国西北地区的发展。

西北乡域小学建筑缺乏集中供暖措施，室内热环境差的现象普遍存在[11]。关于被动太阳房在西北乡域小学建筑的应用研究相对较少，陈景堃、王小凤等发现通过科学合理的集热方式和构造措施可提升集热效率，确定了被动太阳房在学校建筑中的应用可行性[12-13]。但同时对3种典型被动太阳房营造的室内热环境特性及其对比分析等研究较少。在小学建筑(教室、宿舍等)的使用功能上存在明显差异，对应的供暖需求也各不相同。

本文通过在最冷月(一月)对西北乡域同时包含3类被动太阳房的某小学建筑室内热环境进行测试分析，并基于小学各类型建筑分时分区的热需求，分析3种被动太阳房的适宜性，为西北乡域小学依据使用功能的差异性选择适宜的被动太阳房利用形式提供数据支撑和依据。

1 测试对象

试验示范测试建筑外景位于陕西省长武县，太阳能建筑外景如图1(a)所示。建筑南北朝向，同时采用附加阳光间式、集热蓄热墙式及直接受益窗式3种形式的被动太阳房，3种被动太阳房除南向集热蓄热构件存在差异外，其他各朝向围护结构均相同；同时在其设计时已在前期研究成果的基础上进行优化。由此可见，该测试对象具有一定的典型性，并具备较好的对比效果。此外，为了更好地反映3种被动太阳房室内热环境的营造效果，在测试太阳能建筑附近，选取教师公寓作为对比建筑，对比建筑外景如图1(b)所示。

(a)太阳能建筑

(b)对比建筑图 1 测试建筑外景Fig.1 Outdoor scene of test building

3种被动太阳房南向集热蓄热构件结构如图2所示。图2中，标注了构件结构的关键尺寸参数，其中直接受益窗式南立面为单层玻璃塑钢窗，传热系数4.7 W/(m2·K)；集热蓄热墙式南立面玻璃幕墙距离外墙厚0.08 m，2个上通风孔为0.36 m×0.3 m，东西方向对称，下通风孔为0.6 m×0.36 m，位于墙面中心处，窗户为双层玻璃塑钢窗，传热系数2.6 W/(m2·K)；附加阳光间式阳光间深度1.5 m，南立面为单层玻璃塑钢窗。其他外围护结构材料尺寸和物性参数见表1[14-15]。

(a)附加阳光间式 (b)集热蓄热墙式 (c)直接受益窗式图 2 3种被动太阳房南向构件结构(单位：mm)Fig.2 The structure of the southward component in three passive solar houses

表1 实验建筑围护结构热物性参数Tab.1 The thermal physical parameters of the test building envelope

2 室内热环境测试方案

2.1 测试仪器及测点布置

太阳辐射强度采用Vantage pro 2便携式自动气象站测量，与TBD-1型辐射仪及QTS-4型全天候光辐射数据自记仪配合使用，布置在建筑屋面。室内外空气温度利用TR-72U自记式温湿度计测量。室内温度测点设在房间中部，距地面1.5 m，3种被动式太阳房测试现场如图3所示。选取的测试房间均位于二楼，其左右邻室及下方房间均为同一类型被动太阳房。因此，测试房间和邻室空气温度变化趋势相似，邻室传热对测试房间室内空气温度的影响可忽略。

(a)附加阳光间式 (b)集热蓄热墙式 (c)直接受益窗式图 3 3种被动太阳房测试现场Fig.3 Three types of passive solar house

2.2 测试目的

为了掌握西北小学建筑中3种典型被动太阳房冬季室内热环境变化特征，基于各类型使用功能和建筑室内供暖需求获取被动太阳房在小学建筑中的适宜性，测试在最冷月期间(一月)被动太阳房的某小学建筑房间空气温度、对比房间(既有教师公寓)空气温度和室外气象参数。测试期间被动太阳房无内热源干扰，房门关闭。同时为了避免测试人员进出房间改变室内空气温度对测试结果的影响，未做出人员进入房间改变直接受益窗窗帘、集热蓄热墙通风孔和附加阳光间公用门所处状态的操作。测试期间始终维持直接受益窗帘、集热蓄热墙通风孔和附加阳光间公用门处于开启状态。3种被动太阳房夜间均处于未保温状态，均存在一定的失热量；而非仅将某个被动太阳房南向构件进行单独保温处理，造成结果出现显著差异性特点。同时处于未保温状态以及选择最冷月(一月)测试也使3种被动太阳房处于最不利工况，使测试结果具备说服力。整个测试每隔10 min自动记录数据，选取1月9日—1月13日的测试数据进行对比分析。

3 测试结果与分析

3.1 室外气象参数

室外气象参数如图4所示。从图4可以看出，测试期间室外空气温度最大值5 ℃，最小值-11.5 ℃，平均温度-3.2 ℃，低于当地采暖季室外空气平均温度0.9 ℃。因此可以认为测试期间气象条件典型，测试结果具有代表性。同时发现，最大太阳辐射强度699 W/m2，平均日照时数10 h，太阳能资源丰富。

(a)太阳辐射强度

(b)室外空气温度图 4 室外气象参数Fig.4 Outdoor climatic parameter

3.2 被动太阳房与对比房室内热环境对比

对比测试期间3种形式被动太阳房与对比房间温度的室内空气温度变化如图5所示。测试期间直接受益窗式、集热蓄热墙式和附加阳光间式房间空气温度均高于对比房间温度，其中平均温度分别高于对比房间4.0、6.5、4.5 ℃，被动太阳房对房间室内热环境有明显的改善作用。

图5 被动太阳房与对比房间室内空气温度对比Fig.5 The comparison of indoor air temperaturebetween passive solar house and control house

对比3种被动太阳房室内空气温度发现，由于南向大面积窗在昼间透过太阳辐射多，室内温度提升大，夜间通过窗失热量大，直接受益窗式太阳房室内温度日较差最大，达到9.7 ℃。附加阳光间式太阳房温度日较差最小，仅为3.5 ℃，但其房间温度全天均不超过12.0 ℃[16]，因为阳光间存在一定的温度衰减作用。集热蓄热墙式太阳房温度波动低于直接受益窗式太阳房，且集热蓄热墙式太阳房温度超过12.0 ℃的日平均小时数为8.0 h，高于直接受益窗式3.9 h。集热蓄热墙式被动太阳房全天供暖效果优于直接受益窗和附加阳光间式。

3.3 被动太阳房适宜性

由测试结果可知，3种被动太阳房呈现不同类型的室内热环境变化特征，尽管通过全天太阳房室内空气温度对比发现，集热蓄热墙式太阳房优于其他2种太阳房，但学校建筑在使用上存在明显的间歇性，且不同类型建筑存在不同的热需求特征，室内全天温度并不能反映建筑使用期间的室内热环境状况。

3.3.1 西北乡域小学建筑分时分区热需求 调查测试建筑当地的小学冬季作息模式为8∶00—12∶00(上午课程时间)，12∶00—13∶30(午餐时间)，13∶30—17∶00(下午课程时间)。依据作息时间表和小学建筑使用功能将西北乡域小学建筑划分为教室(昼间使用)、教师宿舍(全天使用)和食堂(午间使用)3种主要使用功能类型建筑。依据小学内人员室内活动状态，分为昼间学习状态、午间吃饭活动状态、夜间睡眠状态。

依据课题组前期研究小学生处于学习状态时需同时考虑学生学习效率以及热舒适性，冬季教室供暖温度取值为13～18 ℃[17]。学生午间吃饭和教师昼间宿舍活动状态下供暖温度取值为16～18 ℃，教师夜间睡眠状态下温度取值为11～13 ℃[18-20]。其中通过对当地的调查，22∶00—7∶00为教师睡眠时间段。综合上述分析，西北乡域小学建筑分时分区供暖需求见表2。

表2 西北乡域小学建筑分时分区供暖需求Tab.2 The heating demand in temporal and spatialdimensions of primary schools in northwesttownship domain

3.3.2 被动太阳房适宜性 ①教室等昼间使用类建筑。通过3种被动太阳房昼间室内空气温度与教室供暖需求温度区间对比结果如图6所示。

从图6可以看出，直接受益窗式及集热蓄热墙式太阳房房间空气温度均呈较好的温度优势，二者温度较接近。由于直接受益窗式南向集热构件简单，造价低于集热蓄热墙式；同时考虑到教室还需要一定的采光性，直接受益窗式能够较好的满足。综合考虑室内热环境、经济性和采光性，昼间使用教室类功能建筑适宜选择南向大面积窗的直接受益窗式太阳房。

图6 3种被动太阳房8∶00—17∶00时室内空气温度变化Fig.6 The indoor air temperature variationof three types of passive solar house during 8∶00 to 17∶00

②宿舍等全天使用类建筑。3种被动太阳房全天室内空气温度变化如图7所示。

图7 3种被动太阳房全天室内空气温度变化Fig.7 The indoor air temperature variation of three types of passive solar house

从图7可以看出，通过3种被动太阳房室温对比发现，集热蓄热墙式对于满足教师宿舍等全天使用类建筑昼夜2种不同的热需求特征具有显著优势。但集热蓄热墙式太阳房昼间和夜间的室温均低于宿舍类建筑昼夜2个时间段的热需求区间，难以完全满足其供暖需求。其中昼间室温低是由于该地区当前测试设计条件下其集热量不足。夜间室温低是由于在午后16∶00左右温度骤降，因为室外温度低，太阳辐射明显降低，通风孔仍处于开启状态，在空气夹层内出现较大的热压差，存在明显的热损失。可通过合理的运行管理，关闭通风口减少热损失，使其具有较好的供暖效果。因此还需对集热蓄热墙式太阳房进行优化设计，改变室温变化特征满足分时分区供暖需求。

③餐厅等午间的使用类建筑。本文仅考虑午间供暖需求时将阳光间内温度，整理12∶00—13∶30时间段内3种被动太阳房与附加阳光间内温度变化特征如图8所示。

图8 3种被动太阳房与阳光间内12∶00—13∶30空气温度对比Fig.8 The indoor air temperature variation between the three passive houses andthe sun room during 12∶00 to 13∶30

从图8可以看出，12∶00—13∶30时3种太阳房平均室温均低于16 ℃；阳光间内温度可较好地满足餐厅类建筑午间供暖需求。因此仅仅使用不足2 h的餐厅午间使用类建筑可考虑采用阳光间；此外，温度日较小稳定的阳光间房间可考虑作为厨房、值班室等使用。

综上所述，3种被动太阳房营造出不同的室内热环境变化特征，在一定程度上能够满足小学建筑分时分区供暖需求，因此西北村镇小学建筑应用被动太阳房技术具备可行性。但是由于受室外气象条件、设计运行等因素影响，可基于不同使用功能类型建筑室内分时分区供暖需求对被动太阳房设计运行等进行优化，进一步完善优化被动太阳房技术在西北乡域小学建筑中的应用。同时考虑到雨雪天气等因素，仅采用被动太阳房形式难以满足整个采暖季的供暖需求，还可以通过增加主动式设备对室内供暖以期满足小学建筑供暖需求。

4 结 论

1) 被动太阳房对房间室内热环境的改善作用显著，可提高室内空气平均温度4.0 ℃以上；集热蓄热墙式和附加阳光间式太阳房室温日较差小，其中集热蓄热墙式太阳房室温超过12.0 ℃的日平均小时数达8.0 h，供暖效果优于直接受益窗式和附加阳光间式。

2) 获得了3种被动太阳房温度变化特征与各功能建筑供暖需求间的匹配对应关系，集热蓄热墙式适宜于教师宿舍等全天使用的建筑类型；教室等昼间使用的建筑类型则仍宜采用大面开窗的直接受益窗式；餐厅等午间使用的建筑类型宜采用阳光间。

3) 在当前设计测试条件下，3种被动太阳房所营造室内热环境变化特征难以完全满足小学建筑各类功能房间分时分区的热需求，但典型气象条件下典型建筑在最不利工况测试所得室内温度的变化规律与分时分区热需求的匹配对应关系为小学建筑利用被动太阳房提供参考。