夏熱冬暖地區(qū)運(yùn)用生態(tài)墻技術(shù)的隔熱性能研究

曹 燦 秦小迪

(1.廣州華商職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 511300； 2.汕頭大學(xué)工學(xué)院，廣東 汕頭 515063)

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夏熱冬暖地區(qū)運(yùn)用生態(tài)墻技術(shù)的隔熱性能研究

曹 燦1秦小迪2

(1.廣州華商職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 511300； 2.汕頭大學(xué)工學(xué)院，廣東 汕頭 515063)

以汕頭大學(xué)新行政樓為例，從墻體日照和墻面直接輻射量的角度，對(duì)比分析了生態(tài)墻和普通墻遮陽的隔熱性能，并探討了生態(tài)墻的最佳朝向，為了更好地提高墻體的隔熱效果，建議在新行政樓的西南向設(shè)置生態(tài)墻。

生態(tài)墻，隔熱性能，日照，室內(nèi)熱環(huán)境

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑能耗也增長迅速，目前，能源短缺已成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，而墻體能耗占建筑能耗比重為50%左右，這就意味著墻體對(duì)建筑節(jié)能至關(guān)重要。夏熱冬暖地區(qū)基本上不需要采暖，該地區(qū)的節(jié)能設(shè)計(jì)主要是考慮建筑的隔熱，可以適當(dāng)兼顧保溫。生態(tài)墻是實(shí)體墻節(jié)能技術(shù)的一次創(chuàng)新實(shí)踐,生態(tài)墻的隔熱性能對(duì)改善室內(nèi)熱環(huán)境有很大的影響。

1 生態(tài)墻技術(shù)在汕頭大學(xué)新行政樓的運(yùn)用

汕頭大學(xué)新行政樓占地面積5 545 m2，設(shè)計(jì)施工強(qiáng)調(diào)環(huán)保和節(jié)能。外墻采用藤蔓式綠化，通過鋼絲網(wǎng)對(duì)攀爬植物進(jìn)行生長方向的牽引和生長形態(tài)的控制，能有效避免綠化植物對(duì)窗戶或其他重要部位的覆蓋[1]。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在晝夜溫差較大的潮汕地區(qū)，支架式綠化比直接攀爬式綠化具有更好的節(jié)能效果。支架式綠化白天可以充分發(fā)揮墻體的隔熱作用，在夜晚又可以通過墻體與植物之間的距離來進(jìn)行通風(fēng)冷卻[2]。

2 生態(tài)墻和普通墻的隔熱性能對(duì)比分析

2.1 墻體日照情況分析

汕頭大學(xué)新行政樓位于東經(jīng)116.634°，北緯23.414°，其中進(jìn)行測試的西南墻與南墻呈45°角。太陽輻射量與太陽高度角和方位角有很大關(guān)聯(lián)，因此需要計(jì)算出同一天不同時(shí)刻的太陽高度角和方位角。

太陽高度角是指太陽光線的入射方向和地平面之間的夾角，太陽高度角的計(jì)算公式為:sinh=sinφsinδ+cosφcosδcost(δ為太陽赤緯；φ為觀測地地理緯度；t為地方時(shí)；h為太陽高度角)[3]。日出日落時(shí)的太陽高度角為0，正午時(shí)的太陽高度角最大。太陽方位角是指太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角。以正南方向?yàn)榱惴轿唤牵淙≈捣秶鸀?180°～180°。

本次測試時(shí)間為2015年5月12日～18日，本文選擇5月15日的太陽高度角和方位角進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如表1所示。從表1中可看出8:00～12:00太陽高度角逐漸增大，12:00～18:00太陽高度角逐漸減小。以正南方向?yàn)榱惴轿唤牵柗轿唤鞘侵饾u增大的。

2.2 墻面直接輻射量的計(jì)算

2.2.1 墻面太陽輻射的計(jì)算模型

表1 同一天不同時(shí)刻的太陽高度角和方位角 (°)

根據(jù)卡斯特羅夫方法，晴天太陽直接輻射通量密度的計(jì)算公式為[4]：

(1)

(2)

將C用f代替，可得到公式：

(3)

通過公式推導(dǎo)，式(3)可求出墻面的晴天太陽直接輻射通量密度， f值可取0.524[5]。

2.2.2 墻面直接輻射時(shí)量的計(jì)算

坡地太陽直接輻射通量理論計(jì)算公式[6]：

Sαβ=Sm(sinhcosα+coshsinαcos(A-β))

(4)

其中，Sαβ為坡地直接輻射通量；Sm為垂直太陽光線方向的直接輻射通量；α為坡度；β為坡向；h為太陽高度角；A為太陽方位角。

由于墻面是垂直于地面的，可令α=90°，得到垂直墻面的直接輻射通式：

S90，β=Smcoshcos(A-β)

(5)

β表示墻面朝向角，朝南墻面β=0°，有：

S90，0=SmcoshcosA

(6)

西南墻與南墻呈45°角，則西南墻β=45°，有：

S90,45=Smcoshcos(A-45°)

(7)

由式(1)，式(5)和S=Smsinh可得垂直太陽光線的墻面晴天輻射通量為：

(8)

將5月15日當(dāng)天的太陽高度角和方位角代入式(8)中，可算出當(dāng)天不同時(shí)刻南墻和西南墻的直接輻射時(shí)量，結(jié)果如表2所示。從表2中可得知，墻面的直接輻射時(shí)量是一個(gè)矢量，能表示大小和方向，墻面直接輻射時(shí)量出現(xiàn)負(fù)值，說明此時(shí)太陽光線照射不到墻體。8:00～12:00之間，南墻直接輻射時(shí)量逐漸增大，從12:00到18:00，南墻的直接輻射時(shí)量逐漸減小。8:00～15:00，西南墻的直接輻射時(shí)量逐漸增大，15:00～18:00，西南墻的直接輻射時(shí)量逐漸減小，且在13:00時(shí)超過南墻的直接輻射時(shí)量。

表2 同一天中墻面直接輻射時(shí)量 kW·h/m2

2.3 生態(tài)墻與普通墻的隔熱效果分析

到達(dá)墻面的太陽總輻射由直接輻射、散射輻射和反射輻射組成，而反射輻射量比較少，一般只考慮太陽直接輻射和散射輻射。應(yīng)用墻面晴天輻射模型，計(jì)算建筑在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下的墻面晴天輻射量，參考不同朝向墻體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下的晴天輻射量，可得知晴天正午前后2 h內(nèi)，南墻和西南墻以直接輻射為主，散射輻射和反射輻射占總輻射量的比重較小[4]。為了使南墻和西南墻的隔熱效果更加合理，選擇中午12點(diǎn)的直接輻射量進(jìn)行比較。對(duì)行政樓向陽面的西南墻和南墻的進(jìn)行溫度測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 西南墻與南墻的測試結(jié)果(12:00) ℃

從表2和表3中可看出，中午12點(diǎn)時(shí)，南墻的太陽直接輻射時(shí)量明顯大于西南墻的直接輻射時(shí)量，此時(shí)生態(tài)墻室內(nèi)的空氣溫度、墻體內(nèi)外壁面溫度均比有遮陽構(gòu)件的西南墻低。雖然上午南墻的直接輻射時(shí)量大于西南墻，但南墻的室內(nèi)溫度、墻體內(nèi)外壁面溫度比西南墻低。測試結(jié)果和日照分析結(jié)果均說明生態(tài)墻對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果比普通墻顯著。

3 基于隔熱效果設(shè)置生態(tài)墻的最佳朝向

相關(guān)研究表明，以廣州為典型代表城市的夏熱冬暖地區(qū)，南向太陽輻射量較小，東向太陽輻射量出現(xiàn)較大值的時(shí)間比較早，但這段時(shí)間的溫度相對(duì)來說比較低，而西向出現(xiàn)最大輻射量時(shí)，溫度也出現(xiàn)最大值[7]，所以建筑宜朝向南偏東，建筑的東、南、西面均可設(shè)置生態(tài)墻，但西向生態(tài)墻的隔熱效果是比較顯著的。根據(jù)行政樓墻體的日照情況和相對(duì)位置，可得知西南墻的日照時(shí)間要大于南墻的日照時(shí)間，西南墻的太陽輻射量要大于南墻的太陽輻射量，因此為了更好地提高墻體的隔熱效果，進(jìn)一步改善室內(nèi)熱環(huán)境，可在新行政樓的西南向設(shè)置生態(tài)墻。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)外墻材料的運(yùn)行模式是“資源—墻材—建筑—廢物”，這種竭澤而漁的模式，已使社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展面臨很大的困境。墻材作為資源型，高能耗產(chǎn)品，在改善和滿足居住條件的同時(shí)，對(duì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展負(fù)有不可推卸的責(zé)任，因此，實(shí)現(xiàn)生態(tài)墻改是21世紀(jì)必須研究和解決的重要課題[9]。我國的生態(tài)墻技術(shù)目前還處于不成熟階段，許多城市的生態(tài)墻建設(shè)也是在缺乏理論指導(dǎo)的情況下自發(fā)進(jìn)行的，應(yīng)根據(jù)各地的實(shí)際情況指導(dǎo)生態(tài)墻技術(shù)的實(shí)施。

[1] 張小康.建筑立面垂直綠化設(shè)計(jì)策略研究[D].重慶:重慶大學(xué)碩士論文,2011.

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On thermal insulation performance of ecological wall techniques in areas with hot summers and warm winters

Cao Can1Qin Xiaodi2

(1.GuangzhouHuashangVocationalCollege,Guangzhou511300,China; 2.EngineeringInstitute,ShantouUniversity,Shantou515063,China)

Taking the newly-built administrative building of Shantou University as the example, the paper compares and analyzes the thermal insulation performance of the ecological walls and common walls from the sunlight on walls and direct radiation volumes of the wall surface, and explores the optimal direction for the ecological walls, so as to improve the thermal insulation effect of walls and the allocation of the walls in the direction of the southwest for the building.

ecological wall, thermal insulation wall, sunlight, indoor thermal environment

1009-6825(2017)07-0205-03

2016-12-15

曹 燦(1991- )，女，碩士，助教

TU201.5

A