被动式太阳房的热作用优化

刘大龙，赵辉辉，桑国臣

（1.西安建筑科技大学建筑学院，陕西 西安 710055；

2.西安理工大学，陕西 西安 710048）

被动式太阳房的热作用优化

刘大龙1，赵辉辉1，桑国臣2

（1.西安建筑科技大学建筑学院，陕西 西安 710055；

2.西安理工大学，陕西 西安 710048）

为研究改善被动式太阳房热效应的措施，针对提高围护结构外表面辐射吸收系数和增设保温层2种常用措施，以非稳态导热原理计算被动式太阳房围护结构的传热量强度来对比2项措施热作用的优劣。以拉萨民居为例计算发现：提高辐射吸收系数的日间得热效果显著，而增设保温层可提高建筑整体热稳定性；2种措施的优化组成可有效提高被动太阳房整体热效应，在设置适当的保温层厚度的情况下尽可能提高墙体辐射吸收系数。

辐射吸收系数；保温；被动式太阳房；热效应

0 引言

被动式太阳房是建筑利用太阳能可再生资源，节约化石能源的有效措施[1-2]。如何提高太阳辐射的热效应是被动式太阳房研究的主要问题。优化围护结构表面辐射吸收率可以增强围护结构辐射吸收能力，使墙体蓄存更多热量；提高被动式太阳房围护结构保温性能可减少室内热量损失，延长辐射热作用时间[3]。当提高墙体保温性，特别是采用外保温构造后，由于常用轻质保温材料的蓄热性和热惰性差，必将影响太阳房主墙体材料对太阳辐射热的吸收与蓄存能力，应对这2项措施进行协调与平衡。值得关注的是，被动式太阳房是个复杂系统，围护结构是决定辐射热作用主要环节，但建筑朝向、空间尺度、材料以及换气次数等因素都会影响辐射热效应，后续研究会将多种因素综合考虑。

1 被动式太阳房围护结构传热理论

被动式太阳房的外围护结构既要起集热作用，又要起到保温、蓄热的作用，因此相对于其它建筑类型，其外围护结构热工要求更为复杂。通常，被动式太阳房以透明围护结构投射、吸收太阳辐射热；以非透明围护结构实现建筑的蓄热和保温功能。实际上，非透明围护结构也能起到太阳辐射的集热功能，即提高外围护结构表面的辐射吸收能力。但是要想通过非透明围护结构增强太阳房的集热能力将会与墙体的外保温层产生矛盾，因为保温材料的热阻大，墙体吸收的辐射热难以向室内传递。

针对上述问题，本文采用室外综合温度为计算条件，依据一维非稳态传热理论来对比辐射吸收率和围护结构保温在被动太阳房墙体传热性方面的差异，以此来研究墙体辐射特性与热工性能对被动式太阳房的不同热作用。

匀质非透明围护结构传热主要是热传导方式，墙体导热传热的傅立叶定理一维非稳态计算公式如式（1）所示[4]。

式中：x—围护结构厚度，m；

τ—时间，s；

a—围护结构材料的导温系数，m2/h。

对上述墙体传热微分方程，采用有限差分法进行求解，将其墙体看做均质材料层，按照等厚度划分，从外表面开始分层。使用第三边界条件，给出室内外空气温度。边界条件数学表述如式（2）所示，其差分表达如式（3）、式（4）所示。

αe、αr——分别为外表面、内表面换热系数，W/（m2·K）；

λ——材料的导热系数，W/（m·K）。

构建围护结构导热差分方程组，使用追赶法求解围护结构的外表面温度，再依据表面换热原理可计算通过围护结构外表面的热流。采用VC++6.0编制了求解围护结构导热差分方程组的程序。

2 辐射与保温性能对比分析

提高围护结构外表面辐射吸收系数，可吸收更多的辐射热，使传入室内热量增加；提高围护结构保温性能，可减少室内热损失。这2种措施都能减少采暖能耗，但是在考虑利用太阳能采暖时，这2种措施对辐射资源利用度哪种更高，节能效果哪种更为显著，它们共同作用时如何匹配。为解决上述问题，以拉萨民居为例，以外围护结构传热量的强弱来研究上述2种措施的热效应，即太阳辐射热利用效率高的方式将使得围护结构的热损失更小。

2.1 计算条件

以我国太阳辐射资源丰富的拉萨为例，来研究被动式太阳热利用问题。拉萨属于寒冷地区，冬季需采暖。以典型气象年参数为数据源，将采暖期内每日24 h逐时的平均值构成一个平均气象日作为室外计算气象参数，这样便于分析辐射的作用规律。使用采暖期的平均气象参数而不用采暖室外计算温度等参数，更能反映出建筑运行能耗的基本规律[5]。拉萨采暖期132 d[6]，研究对象南北朝向，外围护结构主体为300 mm砖墙。外墙太阳辐射吸收系数取0.50，拉萨采暖季平均室外气温和室外综合温度见图1，采用室外综合温度是因为考虑太阳辐射的热作用。采暖室内设计温度为18.0℃。

图1 拉萨室外气温与南向室外综合温度

2.2 计算结果分析

采用自编的求解软件计算，在计算中时间步长为1 h，厚度步长为0.03 m。在求解表面温度后计算外表面热流。分2种情况计算围护结构热流变化量。第1种情况：无保温，辐射吸收系数从0.5渐增到0.9，每次递增0.1；第2种情况：辐射吸收系数保持0.5，采用EPS做外保温，保温层厚度从10 mm渐增到50 mm，每次递增10 mm。针对上述2种情况，计算得到在日照时间内外墙传热量见图2，全天外墙传热量见图3。

图2 外墙日照时间内的平均传热量

图3 外墙全天平均传热量

综合分析图2、图3可以发现：在太阳辐射资源丰富的拉萨地区，提高外墙辐射吸收系数的外墙热流从热损失变为得热，特别是在昼间当吸收系数大于0.6时，其传热量随吸收系数成比例增加，外墙得热量较大，太阳能采暖热效应显著。而采用外保温外墙无论在白天还是全天都不会得热，但外保温使得墙体热损失强度降低且热流比较稳定，外保温在昼间的作用小于夜间。从全天来看，增加保温层的墙体热损失显然小于单纯提高外墙面辐射吸收系数。

因此，为了提高整体热效率，被动式太阳房围护结构需要保温，但同时也需要提高墙体表面的辐射吸收系数。当采用EPS做外保温时，保温层厚度大于30 mm后对阻碍墙体热损失的作用力减弱。综合上述分析，在设置适当保温层厚度的情况下尽可能提高墙体辐射吸收系数，这样可优化被动式太阳房整体热效率。

3 结论

提高围护结构外表面辐射吸收系数和增设保温层是改善被动式太阳房的2种常用措施。以拉萨民居为例，使用室外综合温度为室外计算条件，以非稳态导热原理计算辐射作用下墙体的传热量强度来对比2项措施的热作用。研究发现：提高辐射吸收系数的日间得热效果显著，而增设保温层可提高建筑整体热稳定性；2种措施共同作用可有效提高被动式太阳房整体热效应，在设置适当保温层厚度的情况下尽可能提高墙体辐射系数。

[1]Chandel S S，Aggarwal R K.Performance evaluation of a passive solar building in Western Himalayas[J].Renewable Energy，2008 33（10）：2166-2173.

[2]Sanja S.Optimization of passive solar design strategies：A review [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，25（9）177-196.

[3]刘加平.建筑物理[M].4版.北京：建筑工业出版社，2009.

[4]彦启森，赵庆珠.建筑热过程[M].北京：中国建筑工业出版社1986.

[5]刘大龙.区域气候预测与建筑能耗演化规律研究[D].西安：西安建筑科技大学，2010.

[6]GB 50376—2012，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

Optimization of thermal effects of passive solar house

LIU Dalong1，ZHAO Huihui1，SANG Guochen2
（1.Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China；
2.Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China）

In order to study the measures to improve the passive solar house thermal effects，the two common measures of radiation absorption coefficient of envelope outer-wall surface and insulation layer are discussed.The intensity of heat transfer to the walls was calculated to contrast thermal effects of the two measures with the principle of unsteady state heat transfer.Calculation taking Lhasa residents for example finds out that radiation absorption coefficient had a significant effect on daytime heat gain，while insulation layer can improve the heat stability of whole architecture.The optimum composition of two measures can improve the overall thermal effect of passive solar house，and the radiation absorption coefficient can be improved to the maximum extent when setting a suitable thickness of the insulation layer.

radiation absorption coefficient，insulation，passive solar house，thermal effects

TU832.1+7

A

1001-702X（2016）09-0095-03

国家自然科学基金项目（51578439）；中国博士后基金项目（2014M552419）

2016-04-12

刘大龙，男，1976年生，陕西富平人，博士，副教授。