直接受益式被動房在我國的適用性研究——基于冬季自然室溫的分析

秦以鵬，李牧杰，王炳垚，張偉捷

（河北工程大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，河北 邯鄲056038）

1 引言

近年來，德國“被動式”房屋在中國得到了長足發(fā)展。“被動房”作為建筑節(jié)能理念和各種技術(shù)產(chǎn)品的集大成者，通過充分利用太陽能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉矗揽拷ㄖ旧硖匦允共膳牡囊淮文茉床怀^15kW/m2的房屋。因其舒適、節(jié)能的特性受到了廣泛關(guān)注。目前我國常用的被動式太陽能采暖方式有6種：直接受益式、集熱蓄熱墻式、集熱墻式、附加陽光間式、屋頂集熱蓄熱式和組合式太陽房［1］，其中直接受益式被動太陽房與普通房屋的差別最小，也是當(dāng)前普通建筑形式最多的一種。故筆者選擇研究直接受益式被動太陽房作為研究對象，基于冬季自然室溫的分析對其在我國的適用性進行研究。

2 實驗因素和地區(qū)選擇

被動式建筑節(jié)能技術(shù)是依據(jù)建筑物理（建筑熱工）原理，應(yīng)用建筑隔熱計算原理，通過室內(nèi)高蓄熱墻體，將高保溫隔熱性能、高密閉性的建筑圍護結(jié)構(gòu)，與通風(fēng)設(shè)計、玻璃窗與遮陽、建筑朝向設(shè)計等節(jié)能技術(shù)有機地集合在一起的綜合建筑節(jié)能技術(shù)。其中圍護結(jié)構(gòu)密閉性與良好的通風(fēng)設(shè)計是建筑隔熱設(shè)計的最基本要求，更重要的是圍護結(jié)構(gòu)室內(nèi)表面墻體要采用高蓄熱重質(zhì)建筑材料［2］。故本文選取不同厚度的高蓄熱重質(zhì)材料（鋼筋混凝土外墻）和保溫層（聚苯乙烯泡沫塑料）作為參數(shù)。

此外，直接受益式是利用建筑南向透光窗進行直接采暖的方式，因此窗的建筑特性也是重要建筑參數(shù)之一。

根據(jù)其特點以及相關(guān)規(guī)范和規(guī)定選取參數(shù)如表1。

表1 各因素水平選取

建筑的熱工性能參數(shù)設(shè)計受室外環(huán)境氣候條件的影響，建筑本身對外界條件的反應(yīng)設(shè)計影響著建筑對室外環(huán)境氣候條件的利用，因此針對不同氣象地區(qū)選用最優(yōu)設(shè)計方案尤為重要。我國氣候條件復(fù)雜，本文根據(jù)建筑熱工分區(qū)和太陽能資源分區(qū)相結(jié)合，選定不同13個冬季供暖城市（表2）進行模擬分析。

表2 冬季供暖城市選擇

3 建立模型

本文討論了一個典型的辦公樓建筑模型，建筑總面積是475.2m2，樓層為3層，層高為4m，建筑體形系數(shù)為0.3。選取建筑中二層南向202房間作為研究對象，如圖1。

4 正交試驗方案選取和結(jié)果分析

筆者選用L16（45）型的正交表［3］，不考慮因素之間的交互作用，得到16個實驗方案，以北京地區(qū)為例，選擇評價指標為自然室溫。在模擬過程中，內(nèi)熱源按照標準選取，但無新風(fēng)，白天無遮陽，晚上窗簾保溫。模擬和分析結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗表及試驗結(jié)果分析

極差R的大小反映了相應(yīng)因素作用的大小，確定因素的主次順序。因研究內(nèi)容為冬季供暖，所以自然室溫越高越好。由正交試驗結(jié)果可以得出，在實驗4個因素中，因素主次順序為窗墻比（B）＞窗的傳熱系數(shù)（A）＞保溫層厚度（D）＞蓄熱體厚度（C），即對室內(nèi)溫度影響最大為窗墻比，其中通過計算得出最好的條件是B4A3C2D4。

表4、5是通過正交試驗表的因素方差分析得到。

由表4可以看出，在不同氣候條件下，對于建筑室內(nèi)自然室溫影響因素窗的傳熱系數(shù)和窗墻比最大（除成都、呼和浩特、烏魯木齊地區(qū)外）。

由表5可以得出，大部分地區(qū)窗的傳熱系數(shù)和窗墻比對于自然室內(nèi)溫度起決定性作用，保溫層起次要作用，蓄熱體作用最小。

表4 影響因素分析

表5 各因素顯著性分析

由圖2可以看出，窗的傳熱系數(shù)為3W/（m2·K）時最優(yōu)，窗墻比越大越好（成都除外），蓄熱體厚度150 mm最佳，保溫層厚度60mm即可。

5 地區(qū)適應(yīng)性

通過模擬試驗，選擇冬季室外溫度不利條件下各個地區(qū)16次試驗的平均自然室溫，如表6。

表6 在不同地區(qū)的自然室溫

根據(jù)相關(guān)文獻查證，被動式建筑冬季房間室溫為14℃。通過試驗結(jié)果可以得出，適宜直接受益式被動式建筑的地區(qū)有北京、成都、長沙、廣州、昆明、和田、拉薩、上海、西寧、鄭州，其中廣州、昆明可以通過自然通風(fēng)等被動技術(shù)進行降溫，僅哈爾濱、呼和浩特、烏魯木齊溫度過低，需要進行輔助供暖。

6 結(jié)論

（1）本文對影響室內(nèi)熱負荷的4個因素進行評價，通過改變各個因素的水平，得到了不同水平下的計算方案，由模擬軟件DeST模擬生成所選方案的冬季逐時自然室溫，利用正交實驗法分析了4個因素對室內(nèi)自然室溫影響的主次順序及其顯著性。由此推斷直接受益式被動太陽房在我國適應(yīng)地區(qū)廣泛，而且設(shè)計簡單，針對我國建筑節(jié)能規(guī)劃可有重大貢獻。

（2）由于實驗的限制性，選擇因素及其水平不夠全面，比如蓄熱體選取為常用建材，未考慮相變材料等會造成偏差，進一步研究正在進行。

［1］鄭瑞澄，路 賓，李 忠，等.太陽能供熱采暖工程應(yīng)用技術(shù)手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［2］被動式建筑的最核心技術(shù)是建筑隔熱設(shè)計.http：//www.jianshe99.com/lunwen/gongchengjishu/ma2014090109145248611463.shtml.

［3］莊楚強，吳亞森.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計基礎(chǔ)［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2002：249～250.

［4］上海現(xiàn)代建筑設(shè)計（集團）有限公司技術(shù)中心.被動式建筑設(shè)計技術(shù)與應(yīng)用［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2014.

［5］張偉捷，吳金順，魏一然，等.基于正交實驗法的建筑冷負荷影響因素分析［J］.暖通空調(diào)，2006，36（11）：77～80.