安徽工業大學建筑工程學院    黃志甲   郝紅婷  程 建

       【摘  要】以我國徽州傳統民居為研究對象，建立能反應其夏季室內熱環境狀況的圍護結構內壁面溫度數學模型，得到和內壁面溫度有關的圍護結構熱工參數，同時利用Energyplus進行熱環境模擬，針對圍護結構熱工參數對徽州傳統民居夏季室內熱環境靜態和動態影響進行研究，并利用PMV對徽州傳統民居室內熱環境的舒適性進行分析。研究結果表明：影響徽州傳統民居夏季室內熱環境的圍護結構熱工參數為傳熱系數和太陽輻射反射系數；夏季圍護結構內壁面溫度低于30.6℃時，其室內熱環境處于舒適狀態；靜態影響中，在達到相同室內舒適性條件下，徽州傳統民居屋頂對熱工參數的要求高于外墻；動態影響中，圍護結構熱工參數對夏季室內熱環境的影響白天大于夜間，且傳熱系數的影響大于太陽輻射反射系數；降低傳徽州統民居圍護結構傳熱系數和太陽輻射反射系數能增加室內舒適時間，同時削弱內壁面溫度峰值。

       【關鍵詞】徽州傳統民居；圍護結構；熱工參數；夏季室內熱環境；舒適性

       【基金項目】國家自然科學基金資助項目(編號：51478001)

       【中圖分類號】TO172

       傳統民居是中華民族豐富的建筑文化遺產，既體現了中國建筑與自然和諧的思想，更凝聚著歷朝歷代國人的智慧和能工巧匠們的才華^[1]。發掘傳統民居中優秀的被動式設計技術并以傳統民居被動式設計機理為傳承路徑，更適宜于我國氣候特征和指導現代建筑的建造^[2-4]，因而得到眾多學者的關注。

       楊柳等^[5-8]研究了西北窯居建筑冬暖夏涼的熱環境特性，在系統研究、綜合測試的基礎上，從熱物理環境的角度，提出了新型窯居建筑物理環境設計的基本原則。金玲^[9-10]等研究了極具地域性特色的華南地區傳統民居，通過實測發現，組織好自然通風是濕熱地區提高室內熱環境質量的關鍵。宋冰等^[11-12]利用實測數據分析了徽州傳統民居室內熱環境狀況，結合軟件模擬得到徽州傳統民居圍護結構隔熱性能較好，采用自然通風技術后可延長年舒適時間。上述針對傳統民居的研究集中在對其室內熱環境狀況的分析，或提出改進的新型設計理念，而利用理論的分析方法，針對圍護結構熱工參數對傳統民居夏季室內熱環境的動態和靜態影響的研究極少。

       本文通過建立能反應徽州傳統民居夏季室內熱環境狀況的內壁面溫度數學模型，得到影響徽州傳統民居內壁面溫度的圍護結構熱工參數，同時利用CV(RMSE)評價Energyplus模型可靠性，并針對圍護結構熱工參數對徽州傳統民居夏季室內熱環境的靜態影響和動態影響進行研究，引入PMV對徽州傳統民居室內熱環境的舒適性進行分析。

1  建立模型

       1.1 數學模型

       為了得到徽州傳統民居圍護結構內壁面溫度的表達式，引入圍護結構外壁面熱平衡方程進行分析，即圍護結構外壁面吸收的熱量等于長波輻射換熱熱量、外壁面對流換熱熱量以及外壁面向室內傳遞的熱量之和，如式(1)所示。

       式中，ε為長波發射率，ρ為圍護結構外壁面太陽輻射反射系數，I為太陽輻射強度(W/m²)，T_w,out為圍護結構外壁面溫度(℃)，T_sky為天空輻射溫度(℃)，h_c為圍護結構外壁面對流換熱系數(W/(m²·K))，T_a為室外空氣溫度(℃)，K_w-a為圍護結構外壁面至室內空氣的傳熱系數(W/(m²·K))，T_n為室內空氣溫度(℃)。

       由于長波輻射換熱熱量占整個熱平衡的比例相對較小^[13]，可忽略長波輻射的作用。簡化后可以得到圍護結構外壁面溫度T_w,out，即

       根據陳啟高對建筑物圍護結構外壁面對流換熱的研究，圍護結構外壁面對流換熱系數h_c和外壁面空氣流速v有一定的關系^[14]，即

       圍護結構外壁面至室內空氣的傳熱系數K_w-a與圍護結構傳熱系數K_w和內壁面對流換熱系數hl有關，即

       在熱量從圍護結構外壁面傳入室內的過程中，熱流量保持不變，外壁面溫度T_w,out與內壁面溫度T_w,in存在以下的關系：

       根據式(2)-(5)可以得到徽州傳統民居圍護結構內壁面溫度，即

       其中：

       從上面的公式可以看出，圍護結構內壁面溫度和下面的量有關：

       其中和建筑圍護結構相關的參數包括圍護結構外壁面太陽輻射反射系數和圍護結構傳熱系數K_w；和環境有關的參數包括圍護結構外壁面空氣流速v、太陽輻射強度I、室外空氣溫度T_a。因此本研究針對圍護結構外壁面太陽輻射反射系數和圍護結構傳熱系數K_w對徽州傳統民居室內熱環境的影響進行分析，環境參數均為實測值。

       1.2 物理模型及驗證

       本研究以徽州地區具有典型特征的傳統民居為研究對象，如圖1所示，該模型忽略了鄰房和院落的影響，徽州傳統民居圍護結構內壁面溫度利用EnergyPlus軟件模擬得到。

       為了提高模擬的準確度，本研究將徽州傳統民居模擬和實測的廳堂溫度進行對比驗證，對比的時間是7月23日-7月27日。采用統計學上的標準差均方根誤差CV(RMSE)來評價模擬結果和實測結果之間的一致性^[15]，傳統民居模擬和測試的室內空氣溫度如圖2所示，從圖中可以看出，模擬結果和測試結果比較接近，通過計算得到CV(RMSE)=3.96%，能夠滿足ASHRAE標準中對模擬精度要滿足低于25%的要求，所以，可以認為該模型是準確可用的。

2  徽州傳統民居夏季室內熱環境

       本文為研究圍護結構熱工參數對徽州傳統民居夏季室內熱環境的影響，分別研究了在平均太陽輻射強度作用下，圍護結構熱工參數變化內壁面溫度變化情況，以及典型日圍護結構熱工參數變化內壁面溫度逐時變化情況，即靜態影響和動態影響。同時，利用PMV評價徽州傳統民居夏季室內舒適性。

       由于徽州傳統民居屋頂和外墻傳熱過程相似，分析方法相同，而民居中西廂的外墻在白天容易受到西曬，相對其他廂房而言其室內熱環境更加惡劣，因此本文主要考慮改變西外墻的參數對徽州傳統民居室內熱環境的動態影響。

       2.1 熱舒適溫度

       在徽州地區進行調研分析發現，人體新陳代謝率為58W/m²，衣服熱阻為0.08(m²·K)/W，空氣相對濕度50%，空氣流速為1.5m/s。在此情況下，通過Fanger公式計算滿足舒適度要求，即-1<PMV<1的條件下的平均輻射溫度，將其作為滿足人們舒適要求的平均輻射溫度，如圖3所示。

       從圖3可以看出，在相同的PMV條件下，平均輻射溫度隨著空氣溫度的降低而增加。假設室內保持在26℃的條件下，當平均輻射溫度低于30.6℃時，能夠滿足室內人員處于舒適的范圍。由于平均輻射溫度和墻體內壁面溫度有直接的關系，且和內壁面溫度接近，所以使用內壁面溫度代替平均輻射溫度評價室內熱舒適性。

       2.2 傳熱系數對室內熱環境的影響

       假設徽州傳統民居外壁面太陽輻射反射系數為0.5，外遮陽系數為1，室外空氣流速為1.5m/s，室內空氣溫度為26℃，圍護結構內壁面溫度隨傳熱系數的變化如圖4(a)所示。從圖4(a)可以看出，圍護結構內壁面溫度隨傳熱系數的增加而顯著上升，說明圍護結構傳熱系數的增加能有效促進外壁面吸收的太陽輻射熱量傳遞到內壁面。進一步分析圖4(a)可以看出，傳統民居圍護結構傳熱系數從0W/(m²·K)增加到10W/(m²·K)，南屋頂內壁面溫度從26℃上升至42.2℃，增加了38.4%，南外墻內壁面溫度從26℃上升至34.1℃，增加了23.8%，傳統民居屋頂內壁面的溫升大于外墻內壁面的溫升，這是因為傳統民居屋頂外壁面接受的太陽輻射要高于外墻外壁面。從圖4(a)還可以看出，在既定的建筑參數和室外條件下，傳統民居外墻的傳熱系數在小于2.5W/(m²·K)時就能夠獲得較好的內壁面溫度，而屋頂至少要小于1.3W/(m²·K)才能使屋頂內壁面溫度低于30.6℃，說明屋頂對傳熱系數的要求更高，因而徽州傳統民居內部多高深且存在閣樓，從而削弱屋頂傳入人體活動區域的熱量。

       通過以上分析，對徽州傳統民居西外墻傳熱系數分別取0.35W/(m²·K)、1.0W/(m²·K)、1.4W/(m²·K)和2.0W/(m²·K)，保持其他參數不變，對傳統民居夏季典型日外墻內壁面溫度進行動態模擬，模擬的結果如圖4(b)所示。分析圖4(b)可以看出，傳統民居在夜間外墻內壁面溫度波動范圍較小，在24~26℃之間，在白天外墻內壁面溫度波動范圍較大，在24~32.5℃之間，說明在白天太陽輻射的作用對外墻內壁面溫度影響較大。進一步分析圖4(b)可以看出，在夜間，不同外墻傳熱系數對應的內壁面溫度區別不大，而在白天，降低外墻傳熱系數能有效降低內壁面溫度，隨著外墻傳熱系數的降低，最高溫度從32.5℃降低到31℃，說明傳統民居外墻傳熱系數的變化在白天對室內熱環境產生較大影響。從圖4(b)還可以看出，傳統民居外墻內壁面溫度大部分處于舒適溫度范圍內，說明傳統民居夏季室內舒適時間較長，而隨著外墻傳熱系數的降低，室內不舒適時間減少2h左右，說明降低傳統民居圍護結構傳熱系數能有效增加室內舒適時間。

       2.3 太陽輻射反射系數對室內熱環境的影響

       假設外遮陽系數為1，室外空氣流速為1.5m/s，屋頂和墻體的傳熱系數為1.5W/(m²·K)，室內空氣溫度為26℃，圍護結構內壁面溫度隨外壁面太陽輻射反射系數的變化如圖5(a)所示，從5(a)可以看出，圍護結構內壁面溫度隨外壁面太陽輻射反射系數的增加而降低，說明太陽輻射反射系數的增加能減少圍護結構吸收太陽輻射的熱量。進一步分析圖4(a)可以看出，傳統民居圍護結構外壁面太陽輻射反射系數從0上升至1時，南屋頂內壁面溫度從36.8℃下降至26.8℃，降低了27.2%，南外墻內壁面溫度從31℃下降至26.8℃，降低了約13.5%。從圖5(a)還可以看出，在既定的建筑參數和室外條件下，傳統民居外墻的太陽輻射反射系數只要大于0.35就能夠獲得較好的內壁面溫度，而屋頂的太陽輻射反射系數至少要達到0.65才能使屋頂內壁面溫度低于30.6℃，同樣說明屋頂對太陽輻射反射系數的要求也更高。

       通過以上分析，對徽州傳統民居西外墻太陽輻射反射系數分別取0.2、0.5、0.8，保持其他參數不變，對傳統民居夏季典型日外墻內壁面溫度進行動態模擬，模擬的結果如圖5(b)所示。分析圖5(b)可以看出，傳統民居在不同外墻太陽輻射反射系數作用下，外墻內壁面溫度均與吸收的太陽輻射熱量有關。同時可以看出，在夜間，外墻太陽輻射反射系數對內壁面溫度幾乎沒有影響，這是因為夜間太陽輻射作用消失；在白天，降低外墻太陽輻射反射系數對內壁面溫度稍有影響，隨著外墻太陽輻射反射系數的上升，最高溫度從32.5℃降低到32℃，這是因為西外墻接收到的太陽輻射熱量較小，因此可考慮選擇增加徽州傳統民居屋頂太陽輻射反射系數來改善夏季室內熱環境。從圖5(b)還可以看出，隨著外墻太陽輻射反射系數的降低，室內不舒適時間減少，說明降低傳統民居圍護結構太陽輻射反射系數能增加室內舒適時間。

3  結論

       本文以徽州傳統民居為研究對象，建立能反應室內熱環境狀況的內壁面溫度數學模型，針對圍護結構熱工參數對徽州傳統民居室內熱環境的影響進行研究，并引入PMV對徽州傳統民居室內熱環境的舒適性進行分析。得到以下結論：

       (1)根據徽州傳統民居內壁面溫度數學模型，影響傳統民居防熱效果的圍護結構熱工參數為太陽輻射反射系數和傳熱系數。根據PMV舒適性評價指標，當傳統民居夏季內壁面溫度低于30.6℃時，室內熱環境處于舒適狀態。

       (2)在圍護結構熱工參數對徽州傳統民居夏季室內熱環境靜態影響中，達到相同室內舒適性條件下，徽州傳統民居屋頂對傳熱系數和太陽輻射反射系數的要求高于外墻，這也是徽州傳統民居內部空間高大且存在閣樓的主要原因。

       (3)在圍護結構熱工參數對徽州傳統民居夏季室內熱環境動態影響中，圍護結構熱工參數對夏季室內熱環境的影響白天大于夜間；降低傳統民居圍護結構傳熱系數和太陽輻射反射系數能增加室內舒適時間，同時削弱內壁面溫度峰值。

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。