夏热冬暖地区运用生态墙技术的隔热性能研究

曹 灿 秦小迪

(1.广州华商职业学院，广东 广州 511300； 2.汕头大学工学院，广东 汕头 515063)



夏热冬暖地区运用生态墙技术的隔热性能研究

曹 灿1秦小迪2

(1.广州华商职业学院，广东 广州 511300； 2.汕头大学工学院，广东 汕头 515063)

以汕头大学新行政楼为例，从墙体日照和墙面直接辐射量的角度，对比分析了生态墙和普通墙遮阳的隔热性能，并探讨了生态墙的最佳朝向，为了更好地提高墙体的隔热效果，建议在新行政楼的西南向设置生态墙。

生态墙，隔热性能，日照，室内热环境

随着我国经济的快速发展，建筑能耗也增长迅速，目前，能源短缺已成为我国经济发展的瓶颈，而墙体能耗占建筑能耗比重为50%左右，这就意味着墙体对建筑节能至关重要。夏热冬暖地区基本上不需要采暖，该地区的节能设计主要是考虑建筑的隔热，可以适当兼顾保温。生态墙是实体墙节能技术的一次创新实践,生态墙的隔热性能对改善室内热环境有很大的影响。

1 生态墙技术在汕头大学新行政楼的运用

汕头大学新行政楼占地面积5 545 m2，设计施工强调环保和节能。外墙采用藤蔓式绿化，通过钢丝网对攀爬植物进行生长方向的牵引和生长形态的控制，能有效避免绿化植物对窗户或其他重要部位的覆盖[1]。经过研究发现，在昼夜温差较大的潮汕地区，支架式绿化比直接攀爬式绿化具有更好的节能效果。支架式绿化白天可以充分发挥墙体的隔热作用，在夜晚又可以通过墙体与植物之间的距离来进行通风冷却[2]。

2 生态墙和普通墙的隔热性能对比分析

2.1 墙体日照情况分析

汕头大学新行政楼位于东经116.634°，北纬23.414°，其中进行测试的西南墙与南墙呈45°角。太阳辐射量与太阳高度角和方位角有很大关联，因此需要计算出同一天不同时刻的太阳高度角和方位角。

太阳高度角是指太阳光线的入射方向和地平面之间的夹角，太阳高度角的计算公式为:sinh=sinφsinδ+cosφcosδcost(δ为太阳赤纬；φ为观测地地理纬度；t为地方时；h为太阳高度角)[3]。日出日落时的太阳高度角为0，正午时的太阳高度角最大。太阳方位角是指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角。以正南方向为零方位角，其取值范围为-180°～180°。

本次测试时间为2015年5月12日～18日，本文选择5月15日的太阳高度角和方位角进行计算，其结果如表1所示。从表1中可看出8:00～12:00太阳高度角逐渐增大，12:00～18:00太阳高度角逐渐减小。以正南方向为零方位角，太阳方位角是逐渐增大的。

2.2 墙面直接辐射量的计算

2.2.1 墙面太阳辐射的计算模型

表1 同一天不同时刻的太阳高度角和方位角 (°)

根据卡斯特罗夫方法，晴天太阳直接辐射通量密度的计算公式为[4]：

(1)

(2)

将C用f代替，可得到公式：

(3)

通过公式推导，式(3)可求出墙面的晴天太阳直接辐射通量密度， f值可取0.524[5]。

2.2.2 墙面直接辐射时量的计算

坡地太阳直接辐射通量理论计算公式[6]：

Sαβ=Sm(sinhcosα+coshsinαcos(A-β))

(4)

其中，Sαβ为坡地直接辐射通量；Sm为垂直太阳光线方向的直接辐射通量；α为坡度；β为坡向；h为太阳高度角；A为太阳方位角。

由于墙面是垂直于地面的，可令α=90°，得到垂直墙面的直接辐射通式：

S90，β=Smcoshcos(A-β)

(5)

β表示墙面朝向角，朝南墙面β=0°，有：

S90，0=SmcoshcosA

(6)

西南墙与南墙呈45°角，则西南墙β=45°，有：

S90,45=Smcoshcos(A-45°)

(7)

由式(1)，式(5)和S=Smsinh可得垂直太阳光线的墙面晴天辐射通量为：

(8)

将5月15日当天的太阳高度角和方位角代入式(8)中，可算出当天不同时刻南墙和西南墙的直接辐射时量，结果如表2所示。从表2中可得知，墙面的直接辐射时量是一个矢量，能表示大小和方向，墙面直接辐射时量出现负值，说明此时太阳光线照射不到墙体。8:00～12:00之间，南墙直接辐射时量逐渐增大，从12:00到18:00，南墙的直接辐射时量逐渐减小。8:00～15:00，西南墙的直接辐射时量逐渐增大，15:00～18:00，西南墙的直接辐射时量逐渐减小，且在13:00时超过南墙的直接辐射时量。

表2 同一天中墙面直接辐射时量 kW·h/m2

2.3 生态墙与普通墙的隔热效果分析

到达墙面的太阳总辐射由直接辐射、散射辐射和反射辐射组成，而反射辐射量比较少，一般只考虑太阳直接辐射和散射辐射。应用墙面晴天辐射模型，计算建筑在标准规范下的墙面晴天辐射量，参考不同朝向墙体标准规范下的晴天辐射量，可得知晴天正午前后2 h内，南墙和西南墙以直接辐射为主，散射辐射和反射辐射占总辐射量的比重较小[4]。为了使南墙和西南墙的隔热效果更加合理，选择中午12点的直接辐射量进行比较。对行政楼向阳面的西南墙和南墙的进行温度测试，测试结果如表3所示。

表3 西南墙与南墙的测试结果(12:00) ℃

从表2和表3中可看出，中午12点时，南墙的太阳直接辐射时量明显大于西南墙的直接辐射时量，此时生态墙室内的空气温度、墙体内外壁面温度均比有遮阳构件的西南墙低。虽然上午南墙的直接辐射时量大于西南墙，但南墙的室内温度、墙体内外壁面温度比西南墙低。测试结果和日照分析结果均说明生态墙对室内热环境的改善效果比普通墙显著。

3 基于隔热效果设置生态墙的最佳朝向

相关研究表明，以广州为典型代表城市的夏热冬暖地区，南向太阳辐射量较小，东向太阳辐射量出现较大值的时间比较早，但这段时间的温度相对来说比较低，而西向出现最大辐射量时，温度也出现最大值[7]，所以建筑宜朝向南偏东，建筑的东、南、西面均可设置生态墙，但西向生态墙的隔热效果是比较显著的。根据行政楼墙体的日照情况和相对位置，可得知西南墙的日照时间要大于南墙的日照时间，西南墙的太阳辐射量要大于南墙的太阳辐射量，因此为了更好地提高墙体的隔热效果，进一步改善室内热环境，可在新行政楼的西南向设置生态墙。

4 结语

传统外墙材料的运行模式是“资源—墙材—建筑—废物”，这种竭泽而渔的模式，已使社会的可持续发展面临很大的困境。墙材作为资源型，高能耗产品，在改善和满足居住条件的同时，对社会的可持续发展负有不可推卸的责任，因此，实现生态墙改是21世纪必须研究和解决的重要课题[9]。我国的生态墙技术目前还处于不成熟阶段，许多城市的生态墙建设也是在缺乏理论指导的情况下自发进行的，应根据各地的实际情况指导生态墙技术的实施。

[1] 张小康.建筑立面垂直绿化设计策略研究[D].重庆:重庆大学硕士论文,2011.

[2] 藤明邑,周 晋,张国强.建筑围护结构节能[J].大众用电，2007，10(3):37-39.

[3] 张鹤飞.与太阳辐射量有关角度的定义和计算公式[J].能源工程，1986，3(10):31-34.

[4] 成 驰.我国墙面晴天太阳辐射气候学研究[D].南京：南京信息工程大学硕士论文，2007.

[5] 翁笃鸣,高 歌.晴天太阳总辐射的一种参数化形式[J].南京气象学院学报，1995,18(3):317-323.

[6] 翁笃鸣,陈万隆,沈觉成.小气候和农田小气候[M].北京：农业出版社,1981.

[7] 赵玉芬.考虑太阳辐射影响的建筑设计策略研究[D].西安：西安建筑科技大学硕士论文，2013.

On thermal insulation performance of ecological wall techniques in areas with hot summers and warm winters

Cao Can1Qin Xiaodi2

(1.GuangzhouHuashangVocationalCollege,Guangzhou511300,China; 2.EngineeringInstitute,ShantouUniversity,Shantou515063,China)

Taking the newly-built administrative building of Shantou University as the example, the paper compares and analyzes the thermal insulation performance of the ecological walls and common walls from the sunlight on walls and direct radiation volumes of the wall surface, and explores the optimal direction for the ecological walls, so as to improve the thermal insulation effect of walls and the allocation of the walls in the direction of the southwest for the building.

ecological wall, thermal insulation wall, sunlight, indoor thermal environment

1009-6825(2017)07-0205-03

2016-12-15

曹 灿(1991- )，女，硕士，助教

TU201.5

A