拉萨地区民居墙体热工性能需求分析

■ 赵 群 ZHAO Qun 谢一建 XIE Yijian 李峥嵘 LI Zhengrong

0 引言

1 现状分析

墙体作为建筑围护结构的主体，是室内环境与室外环境热量交换的媒介，其热工性能对室内热环境的优劣产生关键性影响。为了营造舒适的室内热环境，通常需要对墙体的热工性能进行合理设计，以应对室外气侯环境的变化。由于各地区的气候条件不尽相同，对墙体热工性能的要求也不同。现行标准中，主要是规定了以传热系数为主的墙体热工参数的限值，达到保温或隔热的目的[1-4]。本文将以拉萨地区为例，分析当地民居的墙体热工性能。

拉萨属寒冷地区，当地冬季历史最低气温-16.5℃，墙体热工设计以满足冬季保温要求为主，尽可能减少室内热量的散失，相关标准和规范均对当地围护结构传热系数的最大值进行了限制。另外，拉萨地区昼夜温差大，为了维持室内的热稳定性，需要墙体具有良好的蓄热性能，以抵御室外温度的剧烈波动。基于拉萨地区的气候条件，墙体保温蓄热性能的提升是改善当地室内热环境的重要手段。然而，目前的研究成果主要是围绕墙体保温性能的提高，从建筑材料和保温材料的选择、墙体构造形式[5-8]及不同朝向保温性能差异化设计[9-11]等方面提出优化建议，忽视了蓄热性能方面的研究。随着近年来国家易地扶贫搬迁工作的开展，当地出现了大量采用轻质混凝土等墙体材料砌筑而成的新型民居建筑，其墙体比传统墙体轻薄。新式墙体虽然使用加气混凝土或保温复合墙体的形式提升了保温性能，但蓄热性能不升反降。究其原因，主要是这种增强保温性能的做法在减小室内热量散失的同时，也阻隔了外壁面接收的太阳辐射热源向室内传递，特别是南向墙体受到的太阳辐射热作用最强，增大南墙热阻会使太阳辐射经南墙进入室内的热量减少[9]。相关研究表明，无保温和内保温墙体的蓄热量大，而内保温墙体的蓄热向室外流失大，不利于太阳能的有效利用[12]；而蓄热性能的减小，也会使墙体蓄存太阳辐射热的性能减弱。

因此，在拉萨地区民居墙体热工设计的过程中，并不是保温性能越优异，对室内热环境的改善就越有利；我们在提升保温性能的同时，也要重视对蓄热性能的研究。

2 测试概况

2.1 建筑基本信息

选取拉萨近郊的传统民居和新式民居各1 栋为测试对象（图1～3）。其中，被测传统民居位于山南市贡嘎县森布日村，墙体采用花岗岩石墙；被测新式民居位于林周县江热夏乡江夏新村，为民俗活动办公室，夜间无人居住，其墙体采用加气混凝土墙。各房间基本信息见表1，具体测试参数及仪器见表2。

图1 传统民居建筑实景图

图2 新式民居建筑实景图

图3 建筑模型图

表1 各功能房间信息

表2 现场测试参数及仪器表

2.2 测点布置

按《居住建筑节能检测标准》（JGJ/T 132——2009）要求布置测点（图4），在每个房间中心距离地面1.1 m 处布置1 个温度测点，壁面温度测点则布置在墙体主体部位的内外两侧。室外参数由自动气象站监测，气象站安装在传统民居屋顶，要求周围无遮挡，且距离屋面1.5 m 左右。数据记录时间间隔均为10 min。

图4 民居平面图及测点布置

3 室内热环境的昼夜分析

根据《西藏自治区民用建筑节能设计标准》（DBJ 540001——2016）规定，被动式建筑冬季室内平均温度应大于12℃；而拉萨地区民居一般不使用机械设备来进行取暖或制冷，多以被动式调节为主，因此，本文以被动式建筑的室内温度设计要求作为室内热环境的改善目标，以12℃作为室内最低舒适温度。

3.1 室内温度

由于拉萨地区昼间太阳辐射强烈，夜间无太阳辐射，且云量少、辐射量较大，导致当地昼夜气象条件存在较大差异，也使得室内热环境在昼、夜时段可能存在较大差异，与最低舒适温度的差距也有不同（图5、6）。因此，测试过程中，根据有无太阳辐射，将全天划分为昼（8:00——19:00）、夜（除去昼间的剩余时段）两个时段，进行室内热环境分析。室内温度在昼间及夜间的平均值如图7所示。

图5 室外气象参数变化（12 月29 日——12 月31 日）

图6 各房间室内温度变化（12 月29 日——12 月31 日）

图7 各房间室内昼、夜温度（12 月29 日——12 月31 日）

可以看出，有取暖措施的房间如传统民居次客厅和新式民居房间B、C 等，其室内温度较高。传统民居中，次客厅因其厚重的墙体和较小的窗墙面积比，使得室内热量散失较少，室内温度无论是在昼间还是夜间，均明显高于其他房间，且接近最低舒适温度12℃；但其余房间室内温度与最低舒适温度仍有较大差距。新式民居中，由于房间C 东墙外侧即为另一户民居的室内环境，减小了室内热量的散失，因而室内温度高于房间B；房间D 虽然位于南向，但因处于顶楼，其外围护结构与室外环境接触面积较大，且窗户面积比较大，室内失热较多，故室内温度较低；房间E 为北向房间，无太阳直射辐射，其室内温度比房间D 低2℃～3℃。从各房间室内昼夜温差来看，考虑无采暖措施的房间（传统民居卧室2 和新式民居房间D、E），传统民居室内昼夜温差小于新式民居，这是由于传统民居厚重墙体的蓄热性能优于新式民居墙体。

总体来看，采用了现代建筑材料的新式民居室内温度低于传统民居，且昼夜温差较大。对于无采暖措施的房间，无论昼间还是夜间，两种民居的室内温度均较低。

3.2 内壁面温度与室内温度

墙体对室内热环境的影响通过内壁面来实现，内壁面温度与室内温度的相对大小能够反映墙体和室内传热的情况。因此，可根据两种民居内壁面温度与室内温度相对大小的判断，分析各朝向墙体对室内热环境的影响（图8）。

图8 墙体昼、夜内壁面温度与室内温度对比

3.2.1 南墙

对于卧室2 南墙，其昼、夜内壁面温度都高于室内温度，墙体向室内放热，但二者差值较小。从昼间到夜间的变化来看，室内温度及内壁面温度均下降，虽变化较小，但表明其墙体靠近室内侧部分的热量散失到室外。从内壁面温度水平来看，全天都处于较低水平。因此，若要改善室内热环境，则需要提升内壁面温度。

对于次客厅南墙，由于昼间火炉取暖时间较长，室内温度较高，内壁面温度低于室内温度，表明室内空气向内壁面传热；夜间火炉熄灭，室内温度下降，墙体在昼间蓄存的热量释放，提高了内表面温度，向室内放热。从昼间到夜间的变化来看，室内温度降低、内壁面温度升高，说明室内温度下降的原因不是由墙体的失热作用而造成的。夜间内壁面温度仍处于较高水平，虽然这种“较高水平”更多的是受室内热扰的影响，但表明了厚重墙体良好的蓄热性能对夜间室内热环境具有明显的改善作用。

对于房间C 南墙，昼间由于室内有取暖器，室内温度明显高于内壁面温度；但其取暖器使用时间及人员活动时间比次客厅短且窗户面积比较大，因而各项温度均低于次客厅。夜间由于室内无人员活动，温度下降幅度较大；而墙体因蓄热作用，内壁面温度在夜间升高，且高于室内温度，说明室内温度的下降不是因墙体的失热作用而造成的。总体来看，房间C 南墙内壁面温度和室内温度仍然较低。

3.2.2 东、西墙

对于卧室2 东墙，其昼、夜内壁面温度及室内温度变化情况与其南墙基本相同。

对于房间D 东墙，其昼间室内温度高于内壁面温度，室内空气向内壁面传热；夜间内壁面温度稍高于室内温度，墙体向室内传热。从昼间到夜间的变化来看，室内温度及内壁面温度均下降，且室内温度下降幅度较大、内壁面温度下降幅度较小，表明墙体靠近室内侧部分的热量散失到室外。总体来看，内壁面温度水平全天都处于较低水平。

对于房间B 西墙，其昼、夜室内温度均大于内壁面温度，夜间内壁面温度高于昼间内壁面温度；二者差值昼间较大、夜间较小。从昼间到夜间的变化来看，室内温度下降而内壁面温度上升，这是由于房间B 昼间使用取暖器，墙体蓄存的昼间热量在夜间释放；但全天的内壁面温度仍处于较低水平。

3.2.3 北墙

对于次客厅北墙，其昼、夜室内温度均大于内壁面温度，且二者差值较大。从昼间到夜间的变化来看，内壁面温度有所上升，这也是墙体蓄热作用的体现。从内壁面温度水平来看，北墙内壁面温度比南墙低3℃～4℃。

对于房间E 北墙，其昼、夜室内温度均大于内壁面温度，室内向内壁面传热。值得注意的是，从昼间到夜间的变化来看，室内温度和内壁面温度均有所上升，结合房间D 的温度数据可知，这是由于房间D 与房间E 的内隔墙传热造成。总体而言，房间E北墙的内壁面温度处于低水平。

3.2.4 综合分析

卧室2 东墙和南墙的测试结果表明，厚重墙体能够使内壁面温度受室外影响较小，因而昼夜波动较小，但内壁面温度也比较低。次客厅和房间B、C 的内壁面温度测试结果表明，当室内有间歇取暖措施时，墙体的蓄热作用能够有效改善室内热环境，而厚重墙体的改善作用更加明显。次客厅南墙和北墙的测试结果表明，室外太阳辐射能够有效提高内壁面温度；而次客厅和房间E 的北墙测试结果表明，北向墙体在全天一般都为失热过程，但也应尽力提高内壁面温度，以减少室内热量散失。

综上所述，在实际条件下，拉萨地区民居的墙体内壁面温度处于较低水平，若要从墙体角度考虑改善室内热环境，则需要提升墙体内壁面温度。对于室内有稳定热源（如火炉取暖等其他取暖设备）的房间，可以从加强墙体蓄热性能和保温性能方面提升内壁面温度；而对于室内无热源的房间，可以考虑尽量利用拉萨地区室外有利的气象条件来实现，此时，对墙体的保温性能和蓄热性能的要求可能与上述情形不同。

4 墙体热工性能需求分析

4.1 墙体热工性能理论

对于无取暖措施的房间，若想提升内壁面温度，需要考虑通过控制与墙体外壁面的传热来实现。昼间外壁面温度一般比内壁面温度高，理想情况下，为了让更多热量进入墙体，则需要降低墙体的保温性能；夜间外壁面温度一般比内壁面温度低，想要提升内壁面温度，则不但需要在提高墙体的保温性能，而且要提高其蓄热性能，使昼间蓄存在墙体内的热量能够补充夜间墙体内散失的热量。

在现有研究中，墙体的保温性能一般用热阻R（R=d/λ，式中，λ表示墙体材料导热系数；d表示墙体厚度）来衡量；蓄热性能则以蓄热系数式中，ρ表示墙体密度；c表示墙体比热容；T表示温度变化的周期）或热惰性指标D（D=RS）来衡量，两种墙体的热工性能参数见表3。

在蓄热性能衡量指标中，蓄热系数反映了材料在周期性温度波条件下，通过材料热流波的振幅大小，体现了材料对边界条件变化的响应；而热惰性指标反映的是墙体抵御室外气象条件变化的一种能力。表3 中，新式民居墙体热阻虽然大于传统民居墙体，但蓄热系数却小于传统民居。热惰性指标由于考虑了热阻的因素，不能单独体现墙体的蓄热性能；此外，在本研究中，注重墙体的蓄热体作用。但这两种指标无法直接体现墙体蓄存热量能力的大小，因此，本文提出一种能够衡量墙体蓄存热量能力大小的指标，定义为蓄热热容C，其为墙体密度、比热容和厚度三者的乘积，即：C=ρcd。以此表示厚度为d的墙体单位面积蓄存热量的能力。

表3 两种民居墙体材料热工性能参数

本文将从墙体的保温性能（热阻R）和蓄热性能（蓄热热容C）这两个方面，对墙体的热工性能需求进行分析。

4.2 拉萨地区民居墙体改善室内热环境的潜力

拉萨地区具有丰富的太阳能资源。为了分析利用这一有利气象条件来提升内壁面温度的可能性，对各朝向墙体内壁面温度和外壁面温度的实测数据进行分析（图9）。

图9 墙体壁面温度变化

（1）南向墙体外壁面温度在1 d 之内波动较大，其外壁面温度与内壁面温度的相对大小在昼间及夜间也呈现较大的差异。其中，次客厅与房间C 的南墙昼间外壁面温度比内壁面温度高出15℃～20℃，夜间则内壁面温度比外壁面温度高出10℃～15℃；卧室2 南墙由于处在庭院东北角，且有屋檐遮挡，其外壁面温度比次客厅与房间C 的南墙外壁面温度低，与内壁面温度的相对大小也小于这两面墙。

（2）对于东、西墙，1 d 之内只有少数时间是外壁面温度大于内壁面温度，其温差约为5℃～10℃；其余时间则是内壁面温度稍高于外壁面温度，温差约为2℃～5℃。

（3）北墙基本上全天都是外壁面温度小于内壁面温度，二者的温差取决于内壁面温度的大小。对于有取暖措施的房间，内外表面温差约为7℃～20℃；而对于无取暖措施的房间，内外壁面温差约为1℃～5℃。

由此可见，南墙在昼间具有增加室内得热量的潜力，但夜间存在较大散失热量的风险；东、西墙在昼间增加室内得热量的潜力较小，夜间也存在一定的失热风险；北墙则全天都存在较大散失热量的风险。

4.3 拉萨民居墙体热工性能需求

若想要尽可能发挥墙体对室内热环境的改善效果，就需要合理设计热工性能来利用潜力和规避风险。墙体内外壁面的温差是墙体传热的驱动力，是热工性能影响传热和蓄热的过程，因此，提升内壁面温度需要视传热驱动力情况考虑墙体的热工性能。表4 是根据各墙体外壁面与内壁面温度相对大小交替变换的时间段，以及在连续72 h 内两者温差（外壁面温度与内壁面温度之差）在同为正号或同为负号时间段的累计值进行求和，进而得到净温差累计值。

4.3.1 南墙

次客厅南墙净温差累计值为正，表明外壁面仍具有向内壁面传热的能力；而卧室2 由于昼间外壁面温度较低，导致温差的正负数值相当。结合图9，对于传统民居南墙的热工性能要求，应以提高全天内壁面温度为目标。因此，在现有基础上，需适当减小热阻；同时，为了防止夜间失热，要适当增加蓄热热容，使昼间墙体蓄存的热量能够提升夜间内壁面温度。

房间C 南墙的净温差值为负，表明内壁面仍具有向外壁面传热的能力。由表4 可以看出，其昼间外壁面温度远高于内壁面温度，夜间则内壁面温度远高于外壁面温度。结合图9，对于新式民居南墙的热工性能要求，应以减小昼夜内壁面温度差异为主；同时，尽可能提高全天内壁面温度。因此，在现有基础上，需增加蓄热热容，使昼间墙体蓄存的热量能够提升夜间内壁面温度。

表4 墙体内外壁面温差统计

4.3.2 东、西墙

无论是传统民居卧室2 东墙，还是新式民居房间D 墙、房间B 西墙，其昼间外壁面温度均稍高于内壁面温度，因而通过外壁面温度提升内壁面温度的潜力不大；反而是夜间内壁面温度高于外壁面温度较多。为减小墙体失热，宜增大热阻；考虑到东西墙也能接收太阳直射辐射，因此，也需要考虑墙体的蓄热热容作用。

4.3.3 北墙

北墙的内壁面温度几乎全天均高于外壁面温度，且差值较大，为减少室内热量的散失，应增大墙体的热阻。由于外壁面温度较低，由室内传向墙体并且蓄存其内的热量散失到室外的可能性较大，但考虑到蓄存的热量也可以传入室内，应选择合理的蓄热热容。

4.3.4 各朝向墙体的热工性能需求总结

由于不同朝向的墙体受太阳辐射的影响不同，其外壁面温度呈现不同的变化趋势，对内壁面温度提升作用的潜力也不同。为了改善昼、夜室内热环境，需要将墙体外壁面接收的太阳辐射热量尽可能多地引入墙体内，并将进入墙体的热量合理地分配给室内，主要是提升昼、夜内壁面温度。

在此条件下，各朝向墙体的热工性能需求为：①南墙热阻并不是越大越有利于室内热环境的改善，需要兼顾增加室内昼间得热和夜间失热的目标，选择合适的保温性能；同时，为了让昼间蓄存在墙体的热量能够有效提升夜间内壁面温度，需要墙体具有高蓄热性能。②东、西墙应以减少室内夜间热量散失为主要目标，需要墙体具有高保温性能；同时，应考虑昼间蓄存少量的太阳辐射热量，因此，墙体需要有良好的蓄热性能。③北墙应以减少室内全天的热量损失为目标；且由于北墙内外壁面的温差较大，室内热量散失的风险较大，因而对保温性能的要求最高，至于蓄热性能，也需要合理选择。

5 结语

综上所述，本文结合实测数据，分析拉萨地区民居在墙体材料逐渐轻质化的过程中，室内热环境存在的问题；并根据当地太阳能资源丰富的有利条件，从改善室内热环境的角度，对墙体热工性能的需求进行探讨。总体而言，对于拉萨地区墙体的热工设计，应考虑当地丰富的太阳能资源条件，特别是对于南墙的保温性能，要兼顾考虑防止夜间失热和提升太阳能利用，选择合理的方案；同时，在注重保温性能设计的基础上，也要考虑蓄热性能对室内热环境的改善作用。