川西藏区民居建筑集热墙式太阳能利用设计优化研究

赵诗婧，夏博，张建新，王雅欣

（长安大学 建筑学院，陕西 西安 710061）

0 引言

四川省自西向东海拔高低差异较大，整体走势西高东低，分为东部盆地山区及西部高山高原区。川西地区处于青藏高原东南部及四川省西北部，是青藏高原和四川盆地之间的过渡地区。根据DB 51/5027—2019《四川省居住建筑节能设计标准》，川西藏区按照建筑热工气候分区划分属于严寒气候C区及寒冷气候A 区，气候条件冬季寒冷干燥夏季寒凉湿润。西部高原地区太阳能资源丰富，位居全国之首，但矿物资源缺乏[1]，冬季依靠采暧设备或燃烧生物质能（薪柴和动物粪便）采暖，长期消耗不可再生能源加剧了环境的污染。

本文通过对川西高原一处川西藏式乡土民居进行冬季现场调研与热环境测试，进行被动式太阳能利用改造设计和优化，拟提出可利用当地可再生资源的方案，以优化建筑室内热环境。

1 川西藏区乡土民居建筑热环境测试概况

1.1 测试对象

根据气候特点、地理位置及建筑形式等多方面综合分析，选取了具有典型川西高原气候特征的甘孜县席绒村一处川西藏式乡土民居进行实地测试。该建筑朝向正南方向，层数共2层（见图1）。一层空间用作储物，二层空间用于居住。南墙、东墙为是木质井干式，西墙、北墙为夯实黏土墙。该建筑平面布局、平面功能、朝向、结构、材料等方面均具有川西藏区居住建筑的代表性特征。

1.2 测试方案

（1）测试时间：测试时间为2017 年1 月18 日16：00 至21 日16：00，测试时长72 h，测试过程中天气晴朗，为川西高原典型冬季气候。测试前1 周无雨雪，未出现川西非典型气候。数据分析拟选取2017 年1 月19 日16：00 至20 日16：00的24 h 测试数据。

（2）室内测点布置：室内测点分别位于厨房、经堂和起居室，测点布置如1（b）所示。仪器均设置在房间的平面对角线交点处，距离地面高度为1.5 m，四周无家具遮挡。厨房的围护结构为夯土墙，经堂和起居室的围护结构为夯土墙和井干式。经堂与起居室在东墙和南墙开窗较大，经堂东、西向墙面基本无遮挡。因此，以该2 个房间作为直接受益式进行实测和分析。

（3）室外对照组测点布置：布置在无阳光直射的背阴处，距离地面高度为1.5 m，测量室外温度，以作为室内温度的对照组。实测仪器为AZ-8828 衡欣温湿度记录仪，温度量程范围-40～85 ℃，准确度±0.6 ℃（-20～50 ℃）、±1.2 ℃（-40～-20 ℃，50～85 ℃），分辨率0.1 ℃。

1.3 测试结果及分析

测试房间室内外温度见图2 及表1。

表1 各房间的室内、外温度

由图2、表1 可知，南向经堂与东向客厅在东墙和南墙的开窗较大，白天室内接受的太阳辐射较多，室内最高温度和平均温度较高。相反，北向厨房开窗面积小，白天室内接受的太阳辐射较少，室内最高温度和平均温度较低。但井干式外墙的蓄热性能差，蓄热系数为6.93 W/（m2·K），室内温度易发生波动。例如东向客厅室内的白天温度可高达10.4 ℃，夜间则低至-1.5 ℃；相反，夯土墙蓄热性好，蓄热系数为12.95 W/（m2·k），夜间散热少，即便夜间室外温度低至-7.3 ℃，北向厨房最低温度在0 ℃以上。因南向经堂、东向客厅与北向厨房相比围护结构与窗墙比不同，蓄热及散热能力有差异，所以产生了温度峰值的滞后现象。室外最低温度出现在20 日早晨05：00，而东向客厅和南向经堂的最低温度出现在20 日08：00 时，滞后约3 h，北向厨房的最低温度出现在20 日上午10：00，滞后约5 h。

因此，可考虑采用被动式太阳能设计解决川西藏区民居冬季室内采暖的问题。通过控制合理的窗墙比，并将夯土结构作为蓄热体材料使用，从而保证在室内达到适宜温度的前提下，使室内具有良好的热稳定性。

1.4 川西民居建筑太阳能利用的可行性

川西高原地区海拔高、空气稀薄、大气清洁且透明度高、太阳辐射强，其所包括的甘孜州、阿坝州、凉山州是四川省乃至我国的太阳能主要分布区[2]。四川省年平均太阳总辐射见图3。

由图3 可见，川西藏区东部、中部、西北部年平均太阳辐射分别为4500～5400、5400～5800、5800～6500 MJ/m2。藏区太阳能资源极其丰富，日照时间长且日辐射量大，太阳能供暖潜力巨大[3]。通过利用当地丰富的太阳能资源，可以在不影响室内热舒适的条件下减少常规能源的消耗。

对于川西高原地区的被动式太阳能利用方面，采用集热墙与直接受益窗相结合的方式较为适合。直接受益窗具有良好的采光能力，但夜间会因失热过多造成室内昼夜温差过大；集热墙式保温蓄热性能好，但不能满足房间采光。所以，通过将采光得热性能良好的直接受益窗和保温蓄热性能好的集热墙相结合进行设计，即将直接受益窗之外的墙体设为集热墙，墙上设置通风口，使得房间在白天可通过直接受益窗和集热墙的通风口采光和得热，在夜晚通过利用集热墙的保温蓄热性能，使得室内昼夜温差减小，热环境提升。

2 典型建筑优化

虽然对于川西高原地区的被动式太阳能利用方面采用集热墙与直接受益窗相结合的方式是极为适合的，但是不同窗墙比对室内温度影响有差异，窗墙比的大小会直接影响到建筑受热与失热。应通过模拟得到最优窗墙比的集热墙形式。

本研究采用Energyplus 建筑能耗模拟软件进行太阳能集热墙优化设计模拟，对南向经堂进行太阳能集热墙优化设计，暂不考虑其围护结构的优化。

2.1 直接受益窗与集热墙结合式改造示意

对经堂南向外墙进行太阳能集热墙优化设计改造。经堂、厨房层高均为3 m，开间均为4.8 m，进深分别为7.5、5.0 m。图4、图5 分别为太阳能集热墙优化改造的平面及模拟示意。

2.2 围护结构热工参数

通过调研发现，该建筑主要围护结构为木质的井干式与夯实黏土，其东、南向墙体使用导热系数小的木质井干式结构，可以使房间在白天迅速得热。西、北向墙体使用密实的夯实黏土，利于阻挡冬季的西北风。透光材料目前使用较为普遍的为普通玻璃。建筑围护结构热工参数如表2 所示，建筑内分隔结构的热工参数如表3 所示，外窗3 mm 厚普通单层玻璃的传热系数为4.7 W/（m2·K）、透光率为80%。

表2 建筑外围护结构的热工参数

表3 建筑内分隔结构的热工参数

集热墙体材料选用当地易于获取且蓄热性强的夯实黏土，厚度设为300 mm，密度2000 kg/m3，导热系数0.2 W/（m·K），比热容1010 J/（kg·K）。墙体外表面为深色涂料。Energyplus 中吸热率设置为0.9[5]。墙体与外层玻璃中的空气间层厚度设为150 mm，设集热墙墙体通风换热为0.5 次/h[6]。直接受益窗部分玻璃材质不变，为3 mm 厚传热系数为4.7 W/（m2·K）的普通单层玻璃。

2.3 直接受益窗与集热墙结合式太阳能利用改造

建筑围护结构在节能方面起到至关重要的作用，尤其是外窗的能耗散失比例达20%～40%[7]。住宅外窗面积首先要满足采光要求，即客厅、卧室等主要用房窗地比不小于1/6[8]；并在满足南向窗墙比≤0.6 的范围内适度选择[9]。该建筑二层的层高为3 m，经堂、厨房的开间均4.8 m，进深分别为7.5、5.0 m。根据JGJ 26—2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》、GB 50033—2013《建筑采光设计标准》的要求可知，窗墙比取值范围应为0.4～0.6。故进行模拟时直接受益窗和集热墙的窗墙比取值范围设置应稍大一些，取值范围为0.3～0.7。

使用Energyplus 进行模拟，将直接受益窗与集热墙的窗墙比分别设置为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7，并进行24 h 模拟分析，模拟结果如图6、表4 所示。

表4 模拟房间的室内温度

由图6（a）和表4 可知，随窗墙比的增大，南向房间（经堂）的室内平均温度不断升高，且增幅稳定。室内最高温度出现于下午15：00，且随窗墙比的增大而不断升高；最低温度出现在凌晨05：00，且基本稳定在5 ℃以上。这是因为随着窗墙比的增大，南向直接受益窗的面积增加，使得白天室内吸收的热量增加，温度呈升高趋势；且夜间因集热墙墙体的材料特性，重质夯实黏土的蓄热性能较好，所以夜间失热较少，不会出现室内温度过低的现象。但结合平均温度来看，窗墙比的增大对室内热稳定性仍具有一定影响，虽然最低温度变化较小，但室内温度波幅会随着窗墙比的增大而不断增长。尤其体现在12：00～18：00 太阳辐射较为强烈的时间段，因该时间段建筑南面受太阳辐射较多，随着南向直接受益窗面积的增加，透过窗户照进室内的阳光也不断增加，导致室内升温幅度大。

由图6（b）、表4 可以看出，北向房间（厨房）平均温度变化规律与南向房间（经堂）内的变化规律相似，均随窗墙比的增大而不断升高；最高温度出现在下午16：00，与其相邻的南向房间相比，滞后约1 h。随着南向房间窗墙比的增大，北向房间的最高温度也在升高；最低温度出现在凌晨05：00。虽然北向房间室内在白天没有受到直接太阳辐射，但夜间最低温度与南向房间内最低温度相差不大。例如窗墙比为0.7 的北向房间与窗墙比为0.3 的南向房间的最低温度相同，最高温度的增幅稳定在0.2 ℃，最低温度和平均温度的增长幅度在0.1～0.2 ℃浮动，北向房间室内温度波动振幅比南向房间室内温度波动振幅小约1/2。

综上所述，川西高原乡土民居进行集热墙式的被动式太阳能利用，推荐选用窗墙比为0.7 的集热墙模式。因为，当窗墙比为0.7 时，南向房间内平均温度达到最高，且相对于窗墙比为0.3 时最高温度比高2.5 ℃，最低温度高0.4 ℃，全天温差为8.6 ℃，符合在无辅助热源的条件下室内温差不大于10 ℃的要求。该情况下，北向房间内平均温度也可达到最高，且相对于窗墙比为0.3 时最高温度升高0.8 ℃，最低温度升高0.6℃，全天温差为3.1 ℃，也符合在无辅助热源的条件下室内温差不大于10 ℃的要求。

根据DB 51/5027—2019 要求，当严寒地区建筑层数≤3层时，外墙传热系数值应≤0.35 W/（m2·K），楼板传热系数值应≤0.30 W/（m2·K）。在本次模拟分析中，当南向阳光间窗墙比为0.7 时，室内热环境最优，但室内平均温度只有9.1 ℃。依据祁清华[2]得出的川西高原地区室内舒适标准应为日平均温度不低于14 ℃的结论，该条件下，室内热环境仍未达到室内舒适标准，所以应在对集热墙优化的基础上，对川西地区居住建筑的外围护结构作出进一步优化。

2.4 外围护结构优化

围护结构热工设计是基于建筑热工学基本原理，以材料的物性参数、室外气候条件及室内设计基准为输入条件，对围护结构进行热工设计以使其热工性能可以符合相关规范要求的系列方法[8]。根据DB 51/5027—2019 四川省居住建筑节能65%的要求，对建筑二层外墙围护结构进行优化，优化后的热工参数如表5 所示。

表5 围护结构优化后的热工参数

经过优化，使得二层东向、西向与北向墙体和二层楼板的传热系数均符合DB 51/5027—2019 中的规定。

集热墙体依旧设置为300 mm 厚的夯实黏土，墙体与外层玻璃中的空气层设置为150 mm，集热墙墙体通风换热设置为0.5 次/h。优化后房间的室内温度如表6 所示。使用Energyplus 进行模拟，结果如图7 所示。

表6 优化后房间的室内温度

由表6、图7（a）可见，围护结构优化后，随着窗墙比的增大，南向房间（经堂）室内最高温度、最低温度和平均温度随之升高，但增长幅度呈逐渐减小的趋势。当窗墙比为0.7 时，全天平均温度可达到15.3 ℃。虽然温度波动幅度到达11.6 ℃，但结合最高、最低温度来看，白天最高温度可达到20 ℃，夜间最低温度也在10 ℃以上，其室内热环境较好。

由表6、图7（b）可见，围护结构优化过后，随着南向房间窗墙比越大，北向房间（厨房）室内最高温度、最低温度和平均温度升高，且增长幅度基本不变。当南向房间窗墙比为0.7时，其室内平均温度可达到11.0 ℃，白天最高温度达到13.5℃，夜间最低温度8.8 ℃，温度波动幅度为4.7 ℃。

3 结论

（1）川西甘孜州太阳能丰富，利用太阳能改善当地民居建筑室内热环境具有可行性。

（2）川西藏区当地建筑材料夯实黏土蓄热性能强，可以较好地补偿夜晚直接受益窗损失的热量。因此，直接受益窗与集热墙相结合的被动式太阳能利用模式，适合用于改善当地民居建筑室内热环境。该方式可以通过对围护结构合理的优化从而提高室内冬季温度，解决昼夜温差过大的问题。

（3）在直接受益窗与集热墙结合的太阳能利用形式中，当窗墙比为0.7 时，南北向房间平均温度、最高温度及北向房间最低温度达到最大值，其室内热舒适度最高。建议先前标准[8-9]中窗墙比取值范围可由0.4～0.6 扩大为0.4～0.7。

（4）选择现代的新型保温材料代替当地传统材料作为川西高原乡土民居的围护结构，可有效优化当地居民室内热环境，改善当地民居被动式太阳能利用效果。