直接受益式被动房在我国的适用性研究——基于冬季自然室温的分析

秦以鹏，李牧杰，王炳垚，张伟捷

（河北工程大学 城市建设学院，河北 邯郸056038）

1 引言

近年来，德国“被动式”房屋在中国得到了长足发展。“被动房”作为建筑节能理念和各种技术产品的集大成者，通过充分利用太阳能、地热能等可再生能源，依靠建筑本身特性使采暖消耗的一次能源不超过15kW/m2的房屋。因其舒适、节能的特性受到了广泛关注。目前我国常用的被动式太阳能采暖方式有6种：直接受益式、集热蓄热墙式、集热墙式、附加阳光间式、屋顶集热蓄热式和组合式太阳房［1］，其中直接受益式被动太阳房与普通房屋的差别最小，也是当前普通建筑形式最多的一种。故笔者选择研究直接受益式被动太阳房作为研究对象，基于冬季自然室温的分析对其在我国的适用性进行研究。

2 实验因素和地区选择

被动式建筑节能技术是依据建筑物理（建筑热工）原理，应用建筑隔热计算原理，通过室内高蓄热墙体，将高保温隔热性能、高密闭性的建筑围护结构，与通风设计、玻璃窗与遮阳、建筑朝向设计等节能技术有机地集合在一起的综合建筑节能技术。其中围护结构密闭性与良好的通风设计是建筑隔热设计的最基本要求，更重要的是围护结构室内表面墙体要采用高蓄热重质建筑材料［2］。故本文选取不同厚度的高蓄热重质材料（钢筋混凝土外墙）和保温层（聚苯乙烯泡沫塑料）作为参数。

此外，直接受益式是利用建筑南向透光窗进行直接采暖的方式，因此窗的建筑特性也是重要建筑参数之一。

根据其特点以及相关规范和规定选取参数如表1。

表1 各因素水平选取

建筑的热工性能参数设计受室外环境气候条件的影响，建筑本身对外界条件的反应设计影响着建筑对室外环境气候条件的利用，因此针对不同气象地区选用最优设计方案尤为重要。我国气候条件复杂，本文根据建筑热工分区和太阳能资源分区相结合，选定不同13个冬季供暖城市（表2）进行模拟分析。

表2 冬季供暖城市选择

3 建立模型

本文讨论了一个典型的办公楼建筑模型，建筑总面积是475.2m2，楼层为3层，层高为4m，建筑体形系数为0.3。选取建筑中二层南向202房间作为研究对象，如图1。

4 正交试验方案选取和结果分析

笔者选用L16（45）型的正交表［3］，不考虑因素之间的交互作用，得到16个实验方案，以北京地区为例，选择评价指标为自然室温。在模拟过程中，内热源按照标准选取，但无新风，白天无遮阳，晚上窗帘保温。模拟和分析结果如表3所示。

表3 正交试验表及试验结果分析

极差R的大小反映了相应因素作用的大小，确定因素的主次顺序。因研究内容为冬季供暖，所以自然室温越高越好。由正交试验结果可以得出，在实验4个因素中，因素主次顺序为窗墙比（B）＞窗的传热系数（A）＞保温层厚度（D）＞蓄热体厚度（C），即对室内温度影响最大为窗墙比，其中通过计算得出最好的条件是B4A3C2D4。

表4、5是通过正交试验表的因素方差分析得到。

由表4可以看出，在不同气候条件下，对于建筑室内自然室温影响因素窗的传热系数和窗墙比最大（除成都、呼和浩特、乌鲁木齐地区外）。

由表5可以得出，大部分地区窗的传热系数和窗墙比对于自然室内温度起决定性作用，保温层起次要作用，蓄热体作用最小。

表4 影响因素分析

表5 各因素显著性分析

由图2可以看出，窗的传热系数为3W/（m2·K）时最优，窗墙比越大越好（成都除外），蓄热体厚度150 mm最佳，保温层厚度60mm即可。

5 地区适应性

通过模拟试验，选择冬季室外温度不利条件下各个地区16次试验的平均自然室温，如表6。

表6 在不同地区的自然室温

根据相关文献查证，被动式建筑冬季房间室温为14℃。通过试验结果可以得出，适宜直接受益式被动式建筑的地区有北京、成都、长沙、广州、昆明、和田、拉萨、上海、西宁、郑州，其中广州、昆明可以通过自然通风等被动技术进行降温，仅哈尔滨、呼和浩特、乌鲁木齐温度过低，需要进行辅助供暖。

6 结论

（1）本文对影响室内热负荷的4个因素进行评价，通过改变各个因素的水平，得到了不同水平下的计算方案，由模拟软件DeST模拟生成所选方案的冬季逐时自然室温，利用正交实验法分析了4个因素对室内自然室温影响的主次顺序及其显著性。由此推断直接受益式被动太阳房在我国适应地区广泛，而且设计简单，针对我国建筑节能规划可有重大贡献。

（2）由于实验的限制性，选择因素及其水平不够全面，比如蓄热体选取为常用建材，未考虑相变材料等会造成偏差，进一步研究正在进行。

［1］郑瑞澄，路 宾，李 忠，等.太阳能供热采暖工程应用技术手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［2］被动式建筑的最核心技术是建筑隔热设计.http：//www.jianshe99.com/lunwen/gongchengjishu/ma2014090109145248611463.shtml.

［3］庄楚强，吴亚森.应用数理统计基础［M］.广州：华南理工大学出版社，2002：249～250.

［4］上海现代建筑设计（集团）有限公司技术中心.被动式建筑设计技术与应用［M］.上海：上海科学技术出版社，2014.

［5］张伟捷，吴金顺，魏一然，等.基于正交实验法的建筑冷负荷影响因素分析［J］.暖通空调，2006，36（11）：77～80.