阳光间对住宅建筑热性能的影响

王登甲¹，刘艳峰¹，高珍¹，刘加平²

(1. 西安建筑科技大学 环境学院，陕西 西安，710055；

2. 西安建筑科技大学 建筑学院，陕西 西安，710055)

摘要：通过分析阳光间式建筑在冬季的动态传热过程，得到室内以及阳光间空气温度的数学计算模型；并通过现场测试的方法对拉萨地区阳光间式建筑室内热环境进行分析。研究结果表明：该地区冬季南向房间依靠被动技术基本可以解决室内采暖问题，且采用直接受益式被动技术的室内热环境要优于附加阳光间式；在太阳辐射较强，室外空气温度不是很低的情况下，直接受益式较为合理；而在太阳辐射较弱，室外空气温度比较低的情况下，应该优先选择附加阳光间式。

关键词：太阳辐射强度；阳光间；热环境；直接受益窗

中图分类号：TU111.4+             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)S1-0193-05

Influence of sunspace on thermal performance of residential buildings

WANG Deng-jia¹, LIU Yan-feng¹, GAO Zhen¹, LIU Jia-ping²

(1. School of Environment, Xi’an University of Architecture & Technology, Xi’an 710055, China;

2. School of Architecture, Xi’an University of Architecture & Technology, Xi’an 710055, China)

Abstract: The mathematical models of indoor air temperature and sunspace temperature were obtained by analyzing the dynamic heat transfer process of residential buildings with sunspace in winter. The indoor thermal environment was analyzed by means of site testing in Lhasa area. The results show that the south room can basically satisfy the comfortable only rely on the passive solar technology in winter, and the indoor thermal environment of building with benefit directly window is superior to that of building with an additional sunspace in Lhasa. The directly benefiting type is more rational under the conditions of stronger solar radiation intensity and not low outdoor temperature. In contrast, the additional sunspace is selected firstly.

Key words: solar radiation intensity; sunspace; thermal environment; benefit directly window

阳台作为建筑物室内的延伸，被人们当作呼吸新鲜空气、晾晒衣物和摆放盆栽的理想场所。早期的阳台多为不封闭式，此类阳台最大的缺点是灰尘大、环境与室外无明显区别。随着新型建筑设计理念的不断完善，并吸取阳台改造的经验，目前新型建筑多考虑设置封闭阳台；尤其在中国太阳能资源丰富地区，大量封闭阳台的使用已远远超出其初衷，封闭阳台作为室内与外界的缓冲区，不但减少了室内向室外的散热量，且在昼间充分吸收太阳辐射，提高空气温度，一定程度起到向室内供热的作用，因此，太阳能丰富地区的玻璃封闭阳台也被学者称为“阳光间”^[1-4]。

阳光间在作为缓冲区以及为室内提供干净卫生环境的同时，也存在主房间无法接受太阳光直射的问题，这便与直接受益式太阳能利用技术产生了矛盾。

本文作者首先对阳光间式建筑在冬季动态传热过程进行分析，得到室内以及阳光间空气温度的数学计算模型；而后通过对拉萨地区的热环境实测数据进行分析，以期得到有阳光间和无阳光间建筑的热环境对比结果。需要说明的是，拉萨地区无阳光间建筑的南向窗墙面积比一般都大于标准中的规定限制^[5]，已经形成了事实上的直接受益窗，因此以上建筑的热环境测试结果对比实质为阳光间与直接受益窗的对比，预期结果将对被动式太阳房建筑热工设计提供一定的 指导。

1  理论分析

通过稳态热过程模型可以求出阳光间及室内空气温度在室外扰量作用下的平均工况；而建筑动态热过程模型主要讨论阳光间和室内空气温度的瞬态反应。在此对其动态热工模型进行分析，并在后文对其进行实测分析。但是两种模型均可通过计算求解或者实测手段得到其反应规律^[6-8]。

1.1  昼间温升阶段

阳光间与室内之间的阳台门打开，两室连通，可得建筑热过程数学模型。

1.1.1  阳光间热过程数学模型

(1) 阳光间空气热平衡方程：

   (1)

式中：V_a为阳光间体积，m³；C为空气的比热容，J/(kg·℃)；ρ为密度，kg/m³；t_a(τ)为阳光间内空气温度，℃。

Q_c(τ)为阳光间空气温度与各壁面对流换热量，W；由下式求得：

        (2)

式中：α_ci为各壁面对流换热系数，W/(m²·℃)；n为内壁面个数；t_i(τ)为第i个内壁面温度，℃；t_a(τ)为阳光间内空气温度，℃；F_i为第i个内壁面面积，m²。

Q_N(τ)为室外空气渗透换热量，W；由下式求得：

        (3)

式中：N(τ)为空气渗透强度，m³/s；t_o(τ)为室外空气温度，℃。

Q_ab(τ)为阳光间与室内空气对流换热量，W；由下式求得：

        (4)

式中：G(τ)为温差热压作用下，阳光间与室内的对流换热量，m³/s；t_b(τ)为室内空气温度，℃。

Q_a(τ)为产热量，在此考虑到阳光间实际情况，此项可忽略不计。

(2) 阳光间各内壁面热平衡方程为：

 (i=1, 2, …, n) (5)

式中：Q_ci(τ)为阳光间内壁面与空气对流换热量。

Q_ri(τ)为第i个内壁面与其他壁面的辐射换热量，W；由下式求得：

    (6)

式中：ε_{i, j}为第i个与第j个表面之间的当量辐射黑度系数，对于建筑围护结构表面通常取，ε_{i, j}=ε_iε_j；σ为波尔兹曼常数；T_i(τ)和T_j(τ)分别为第i个和第j个内壁面绝对温度，K；ψ_{i, j}为第i个和第j个内壁面之间的辐射角系数。

Q_si(τ)为第i个内壁面所接受到的太阳辐射热量，W；由下式求得：

      (7)

式中：Q_sk(τ)为透过透明围护结构进入室内的太阳辐射热量，W，由下式表示；S(τ)为进入阳光间的太阳辐射在内壁的单位面积当量值，W/m²；

       (8)

式中：I_mk和I_dk分别为第k个透明围护结构外表面直射和散射太阳辐射强度，W/m²；τ_mk和τ_dk分别为第k个透明围护结构对直射和散射太阳辐射的透过率；S_k和F_k分别为第k个透明围护结构面积及有效面积利用系数。

Q_λi(τ)为第i个内壁面经围护结构与室外空气的换热量，W；对该值的求解方法很多^[9-14]，在此选用Stephenson等提出的反应系数法求解^[15-16]，其计算式为：

              (9)

式中：X_i(n)和Y_i(n)分别为第i个围护结构内表面吸热和传热反应系数，W/(m²·℃)；C_i为传热与吸热反应系数公比；t_o(τ-n)为前n时刻室外空气温度，℃；Q_λi(τ-1)为前一时刻第i个内壁面经围护结构与室外空气换热量，W。

1.1.2  室内热过程数学模型

室内空气热平衡方程与阳光间空气热平衡方程(1)的形式类似，差别之处在于：

(1) 如果室内除了阳光间以外无室外空气渗透进入室内，则Q_N(τ)项为零，否则与前述相同；

(2) 室内空气与阳光间对流换热量，应取-Q_ab(τ)；

(3) 室内产热量Q_b(τ)根据室内热源情况取恒   定值。

室内各内壁面热平衡方程同样具有阳光间内壁面平衡方程的形式，不同之处在于：

(1) 由于室内无法接受到太阳辐射，因此Q_si(τ)项应为零；

(2) Q_λi(τ)的计算式(9)中前n时刻室外空气温度t_o(τ-n)应改为前n时刻阳光间内空气温度t_a(τ-n)。

总之，根据阳光间内空气平衡方程以及各内壁面热平衡方程，再加之上述说明，即可建立室内空气平衡方程以及室内壁面平衡方程；联立以上各式建立热过程方程组，即可求得阳光间以及室内空气温度在白天温升阶段的逐时值。

1.2  夜间温降阶段

夜间将阳光间与室内之间的阳台门关闭，使两室分开，此时阳光间与室内之间无对流换热量，增加了阳台门的导热换热量。由于其隔门为薄壁围护结构，可采用稳态传热方法计算。

因此，建立阳光间和室内热平衡方程时，针对阳光间和室内空气应该分别去掉式中的两室空气对流换热量Q_ab(τ)和-Q_ab(τ)，而增加各自与阳台门之间的壁面对流换热量；建立阳光间和壁面热平衡方程时，应将隔门作为一围护结构内壁面进行相应处理。

同样，在夜间降温阶段，联立阳光间和室内空气平衡方程以及各内壁面热平衡方程，建立热过程方程组，即可求得阳光间以及室内空气温度在夜间降温阶段的逐时值。

2  实测分析

2.1  测试对象

测试地点选择在拉萨市某两户典型住宅建筑，其中A户位于拉萨市林廓北路17号拉萨市自治区建筑设计院的5层家属楼的3层302户，其建筑平面图和测点布置如图1所示；B户位于拉萨市拉鲁教育厅退休基地的2层独院式建筑，其平面图和测点布置图略。两户南向外窗均无遮挡，室内无明显的吹风感，因此测试基本不受风速和遮阳的影响，测试状况满足建筑物理对于热环境测试的基本要求，具有代表性。

图1  A户建筑平面及测点布置图

Fig.1  Plane and measurement points of building A

2.2  测试条件

对太阳辐射强度、室外空气温度、室内各测点温度进行逐时测试。使用国产TBD-1型辐射仪测试太阳辐射，并与QTS-4型全天候光辐数据自记仪配合使用，仪器灵敏度为8.789 W/m²，测点布置在被测建筑屋顶，四周无遮挡，每 10 min记录一次；利用TR-72U自记式温度计测量空气温度(温度探头为pt100，灵敏度为0.2 ℃)，每10 min记录一次，室内温度测点设在房间中部，距地面1.1 m；室外空气温度测量仪置于屋面背阴处，并以套筒遮蔽。测试期间，阳台门以及窗帘启闭时间基本相同，均为早晨08:00打开，晚上19:00关闭；测试时间为10月24至10月27日，天气晴朗，日照强烈，昼夜温差大。就拉萨地区而言，该时间段已基本属于典型的冬季气候。

2.3  测试结果及分析

太阳辐射强度以及室外空气温度如图2所示，A和B户各测试对象室内空气温度如图3和4所示。

由图2可以看出：测试期间拉萨地区每天日照持续时间可达10~11 h，太阳总辐射强度最大值出现在13点左右，为750 W/m²，日照时间内的平均值为450 W/m²，可见该地区太阳能资源相当丰富；测试期间室外空气温度最大值，最小值和平均值分别为16. 5，2.0和8.9 ℃，最大值和最小值分别约出现在17:00和08:00左右，可见该地区昼夜温差较大，根据平均温度可知，虽然该地区已经进入冬季，但是室外空气温度仍然不是很低，这为该地区利用被动太阳能技术改善室内热环境提供了有利的气候条件。

由图3可知：A户有阳光间卧室室温的最大值，最小值和平均值分别为19.3，17.8和18.4 ℃；无阳光间客厅室温最大值，最小值和平均值分别为22.1，16.8和19.3 ℃；北向卧室室温最大值，最小值和平均值分别为16.2，14.7和15.5 ℃；从以上数据可知：南向有阳光间卧室室温和无阳光间客厅温度平均值分别高于北向卧室平均温度2.9和3.8 ℃，且南向房间温度可以满足人体的舒适要求，因此该地区冬季南向房间依靠被动技术基本可以解决室内采暖问题。

图2  太阳总辐射及室外空气温度

Fig.2  Total solar radiation intensity and outdoor air temperature

图3  A户各测点温度

Fig.3  Temperature of indoor air temperature in building A

由图4可知：阳光间内日平均温度可达25.2 ℃，温度波动幅度为30.1 ℃左右，此阳光间起到很好的缓冲区的作用；而且无论南向是否有无阳光间，卧室平均温度均可达18 ℃左右，通过数据分析仍然可以得到上述结论。

图4  B户各测点温度

Fig.4  Temperature of indoor air temperature in building B

由表1可知：A户无阳光间客厅的昼间平均温度，夜间平均温度和日平均温度，均高于有阳光间卧室，B户有阳光间卧室和无阳光间卧室同样有此特征。如果利用平均温度来衡量室内热性能，且前述无阳光间南向外窗已经形成事实上的直接受益窗，那么在拉萨地区直接受益式被动技术比阳光间式的优，其原因可归结为：该地区太阳能资源丰富，而且室外空气温度不是很低，所以阳光间作为缓冲区减少的室内热损失和直接受益式室内所接受到的太阳辐射相比，后者稍大些，因此建议在该地区多采用直接受益窗。需说明的是，保温窗帘对该类直接受益窗夜间保温是相当重要的，需配备保温窗帘以减少夜间热损失。总之，在太阳辐射较强，室外空气温度不是很低的情况下，采用直接受益式被动技术较为合理；而太阳辐射强弱，而室外空气温度比较低的情况下，优选附加阳光间式。

表1  测试对象各阶段平均温度及室温波动特性

Table 1  Average temperature and temperature fluctuation characteristics at various test stages

3  结论

(1) 通过对阳光间式建筑室内热过程进行分析，给出阳光间以及室内热环境计算数学模型。

(2) 在拉萨地区采用直接受益式被动技术的室内热环境比附加阳光间式的优。

(3) 在太阳辐射较强，室外空气温度不是很低的情况下，直接受益式较为合理；而太阳辐射较弱，室外空气温度比较低的情况下，优先选择附加阳光间式。

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(编辑 方京华)

收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078302)

通信作者：王登甲(1984-)，男，陕西礼泉人，博士研究生，从事太阳能热利用及建筑节能研究；电话：029-82201514；E-mail: wangdengjia1020@163.com