基于光热效应的建筑自然通风外窗保温性仿真

李维丽，祝秀琴

(华东交通大学理工学院，江西 南昌 330011)

1 引言

一般情况下，建筑物内热量是通过墙壁、屋顶、门窗等围护结构流失的，因此在传统的建筑保温性能研究中通常只计算这些围护结构的热量流失情况，其中大多数研究为利用相关热环境分析工具，在分析提升各典型围护结构性能对室内热环境影响的基础上，发现提升墙壁、屋顶和门窗的保温隔热性能对室内热环境改善效果显著，但是由于在计算时未考虑外窗紧闭与自然通风两种温度条件下的保温效果，得出的计算结果通常会与实际温度存在很大的误差。为解决这一问题本文基于光热效应的建筑自然通风外窗保温性仿真研究。所谓光热效应，就是太阳能通过特制的外窗转化为热能，向建筑内部输送热量[1]，将光热效应理念应用于保温性能分析，可以在一定程度上减少研究中的误差。

2 基于光热效应的建筑外窗保温性仿真研究

本次仿真研究使用DeST软件进行建筑分析。DeST软件是一个建筑分析平台，在本次仿真中，首先需要搭建建筑模型，计算外窗玻璃的光热效应系数，考虑外窗紧闭与自然通风条件下温度的影响，结合室外温度以及初始的能耗参数[2]。通过如下文所示的公式确定光热转换的能量指数，并将原始模型中的各项参数输入仿真软件进行测试。

2.1 计算光热效应系数

光热建筑外窗的保温性仿真的前提条件是计算光热效应系数。在寒冷地带的冬季，即使是保温性最好的建筑外窗也会随时向外界传输热量，整个传热过程包括外窗传热、内外空气对流传热和太阳光辐射传热三种形式。外窗传导的热量主要是由室内向室外蔓延的热空气以及室外透过阳光照射穿透进室内的太阳辐射能量。这两种传导方式都能传输热量，不过前者是由室内向室外传递热量，而后者是由室外向室内传递热量。由于本文设定的自然条件为外窗紧闭与自然通风，因此本文在光热效应下主要研究的是太阳照射产生的辐射能量，该能量通常将被分为三部分，其中一部分能量会被外窗玻璃反射，不会进入室内；另一部分则会穿透外窗玻璃进入建筑，使室内温度升高；除此以外，还会有一小部分能量会被外窗玻璃吸收，使外窗玻璃温度升高。而光热效应的主要原理是外窗上安装一种特殊材质的玻璃，该材质的玻璃将被反射到空气中的辐射能量尽可能地吸到外窗玻璃中，并将玻璃中的热量传递进室内，在不增加建筑能源供应量的前提下，升高室内温度[3]。因此可以断定，外窗的辐射吸收能力是影响建筑内部保温性的重要因素。建筑物中外窗的主要构造是窗框和玻璃，其中占据最大面积的是外窗玻璃，基于此通过改变外窗玻璃的光热效应参数提高外窗吸收太阳光辐射的能力，其中，光热效应参数的主要影响因素分别为外窗导热系数K，太阳光吸收系数SC和太阳辐射穿透系数VT。

其中，外窗导热系数主要是用于测量由于室内外温差引起的室内向室外传递的热量数值，这个数值通常是热能阻值的倒数[4]。建筑外窗的导热系数计算公式如式(1)所示

(1)

式中，Kt表示建筑外窗的导热系数，单位为W/(m2·K)；Ag表示建筑外窗窗玻璃的面积，单位为m2；Af表示建筑外窗窗框的面积，单位为m2；At表示建筑外窗的总面积，单位为m2；Kg表示建筑外窗窗玻璃的导热系数，单位为W/(m2·K)；Kf表示建筑外窗窗框的导热系数，单位为W/(m2·K)；lψ表示建筑外窗玻璃区域的边缘长度，单位为m；ψ表示建筑外窗窗框与窗玻璃之间的导热系数，单位为W/(m2·K)。

太阳辐射穿透系数VT表示太阳光在穿透外窗玻璃时能够传递的热量[5]。在这个过程中，太阳光会分成三部分，其中太阳光吸收系数的计算公式可以表示为

(2)

式中，SC表示太阳光吸收系数；gt表示太阳光穿透窗玻璃时的总透射比[5]。此时太阳光穿透窗玻璃时的总透射比可以表示为

(3)

式中，Ag表示建筑外窗窗玻璃的总面积，单位为m2；Af表示建筑外窗窗框的面积，单位为m2；gg表示建筑外窗玻璃区域的太阳光穿透系数；gf表示建筑外窗窗框部位的太阳光穿透系数；At表示建筑外窗的总面积，单位为m2。在对光热效应下的建筑外窗进行保温性的仿真研究时，将以上公式输入进计算机中。

2.2 自然通风条件下温度变化趋势分析

通过以上计算公式，可以得到描述建筑物内部温度变化趋势的采光和日照升温性能，本文的研究重点也是在光热效应的影响下，建筑物能否在不增加能源供应的情况下保证室内温度上升以及开窗通风后室内温度的变化是否能够符合基本条件。在冬季保持室内自然通风是十分有必要的，尤其是医院、学校等人流量密集且人员免疫力较低的公共场所，合理的自然通风是保证人们健康的一种方式。但是在寒冷地带，一旦开窗通风，寒风会直接导致室内温度降低，进而加大建筑供暖的能耗[6]。为了能够降低能耗，本文将光热效应的原理代入建筑设计工程中，通过光热效应将太阳光的光能转换为热能，在不需要额外能量的条件下给室内供暖，确保室内温度的稳定。

2.3 仿真建筑热能传递参数分析外窗保温性能

本文在仿真研究时，将某地区冬季一日内的温度变化、风力变化以及太阳辐射变化作为参考量。设定建筑物的导热性能如表1所示。

表1 建筑物围护结构导热性能

本次实验的主要研究目标为建筑外窗，因此建筑外窗的导热性能参数保持恒定值不变，且将其分为传统建筑与光热材料建筑两种。室内热源设定为3人，且上午8h至下午5h均不在室内[7-9]。在实际生活中，建筑物周边环境的植物种类和数量也会对温度产生影响[10]，因此在实验过程中需要设置建筑周边的绿化程度。假设该建筑位于城市中心，周边只有少量植被覆盖，其余皆是高楼平原阔路，且建筑物并不密集，不具备挡风效果。

选定建筑外窗经太阳光辐射过后的平均偏移误差与均方根误差，然后通过Matlab软件计算建筑外窗评估模型的变化系数，得到其导热性能的精确度，计算公式如式(1)～(3)所示。然后设定外窗本身通过玻璃传递热量的数值，在本文中可以通过对比的方式设定两种外窗玻璃，其中一种选择常见的铝合金窗框，另一种为基于光热效应原理制成的特质外窗玻璃。其参数性能如表2所示。

表2 外窗玻璃的性能参数

将以上数据全部输入计算机的仿真软件构建完整的数据模型，然后依次输入照明系统的热量、住户本身能量辐射等多种热能补充条件的参数，至此得到一个相对完整且真实可靠的住宅参数模型。

3 仿真研究

3.1 数据收集

为了验证本文基于光热效应的建筑保温性研究相较于传统的研究方法更具备科学性，进行仿真的对比研究，仿真软件中设置的建筑物模型如图1所示。

图1 建筑仿真模型

图1中的外窗玻璃面积较大，将传统外窗玻璃与光热外窗玻璃分为两种，分别如表2所示设置不同的导热参数。并且设定自然通风条件下与紧闭门窗条件下室内外温度以及供暖条件的参数，通过仿真分析得到结论，并对其变化进行分析。

3.2 外窗紧闭时建筑保温性仿真

首先分析保持光照强度恒定状态下建筑保温性研究方法的科学性。在仿真软件中设置一个初始的室内预设温度，参考表1与表2的数据作为传统的建筑保温性研究中围护结构的数据，计算该算法下室内温度。设置太阳光光照强度为200lx，然后根据式(1)～(3)计算光热效应影响下的室内温度。

如表3可知，初始预设室内温度在16℃到30℃之间缓步提升，与此同时，通过传统方法与光热效应方法计算得到的室内温度也在逐渐提升，但是因为计算公式的不同，在结果上存在一定的差异。在表3的数据中，传统方法的计算结果在最初的16℃时就比预设温度小2℃，在30℃时，与预设温度相差4℃，这种计算方法存在较大的误差。而光热效应下的计算方式虽然也有一定的误差，在某些情况下计算结果偏小，但也保证了70%的正确率，相较于传统的计算方式更具有科学性，这也正说明了光热效应的计算方式是正确的，在建筑保温性研究中确实需要引入太阳光的光照强度作为参考值。

表3 恒温条件下建筑保温性研究对比

在上述实验的基础上，设置不同光照强度下的建筑室内温度仿真。以光照强度为变量，通过不同时间下设置不同的光照强度。因此可以得到预设温度、光热效应下的室内温度以及传统计算方式下的室内温度如图2～图4所示。

图2 仿真预设温度

图3 光热效应下温度变化趋势

图4 传统研究方法下温度变化趋势

在图2中，假设室外温度恒定为0℃，且24h内不额外供能，此时无论使用什么类型的建筑外窗，室内温度会呈现一个“几”字型的变化趋势。夜晚温度最低时为4℃，中午阳光辐射较为充足，温度最高时为23℃。

由图2～图4可知，图2与图3最相像，但是还存在一定的误差。在正午阶段，两者温度较接近，但是在上午八点之前与下午四点以后，两者的温度存在2℃以上的差异，这主要是室内生物辐射的影响。将图2与图4相对比，夜晚的温度相差不大，但是在室外温度逐渐上升时，两幅图像的曲线存在较大的差异，除此以外，可以明显观察到图2预设温度的曲线是一个“几”字型，而图4的曲线则是一个拱形。通过图2～图4的温度变化曲线可以得知，太阳光照强度对计算建筑保温性有很大的影响，太阳光照强度越大，室内温度越高，而如果不计算光热效应，则会导致计算结果与实际结果存在较大误差。

3.3 通风条件下外窗保温性仿真

上文的实验中主要研究了光热效应对密闭建筑内温度变化的影响，并突出了计算建筑保温性时光热效应参数下本文的优势。接下来的实验是在自然通风条件下进行的仿真分析。设定外界温度恒为0℃，光照强度随时间变化而变化。在正午12时开窗自然通风半小时后关闭外窗，根据仿真预设温度、光热效应下的室内温度以及传统计算方式下的室内温度如图5～图7所示。

图5 自然通风条件下预设温度

图6 自然通风条件下光热效应温度变化趋势

图7 自然通风条件下传统方法温度变化趋势

如图5～图7所示，在寒冷地带的冬季开窗通风后，室内温度会骤然下降，但是在关闭外窗后，由于室内暖气的影响，温度还会继续回升。图6与图5相比，外窗关闭后的温度变化曲线十分相似，都是急速回升后再下降。本次实验的研究重点在外窗开启时的温度变化误差，12时30分也是三幅图像中温度最低的时刻。在这个时间点，图5的最低温度在4℃左右，这是初始的预设温度，图6的最低温度在5℃，与预设值相差1℃，这主要是由于计算光热效应参数可以降低误差，而在不考虑光热效应影响的传统计算方法中，最低温度只有1℃。因此可知本文研究的基于光热效应的建筑自然通风外窗保温性研究方法，较传统的研究方法更具备科学性。

4 结束语

使用光热材料设计建筑外窗是一种十分有效的保温手段，不仅能够保证寒冷地带冬季室内温度，还能够有效地节约能源，因此研究光热效应材料是十分必要的。

1)建筑保温性仿真中，设计方法得到的室内温度与预设值趋势一致，均为逐渐提升，虽然也有一定的误差，但也保证了70%的正确率；

2)不同光照强度下的建筑室内温度仿真中，在正午阶段，设计方法与预设值的温度较接近，但是在上午八点之前与下午四点以后，两者的温度存在2℃以上的差异，相比于传统方法误差较小；

3)通风条件下外窗保温性仿真中，设计方法，最低温度在5℃，与预设值相差1℃。

由于此次实验主要针对寒冷地带，且建筑周围绿化程度较小，下一步研究将扩大适用领域，进一步提升研究的科学性。