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user: 4. 大型被动太阳房工程实践与效果分析 4.1. 工程概况 某学校综合楼地处甘孜州，海拔高度约3900米，建筑总高15.85 m，地上3层；建筑总面积6580 m 2 ，设有中庭，中庭面积约1550 m 2 ；建筑所在地的气候条件较为严峻，建筑室外气温在18℃以下的时长总数约占全年总时长的98.1%，其中，低于0.0℃的时长占比约为31.4%，0.0℃至18℃之间的时长占比约为66.7%，如图2所示。 为改善和解决该综合楼的采暖问题，在综合考虑建筑自身特点及经济性因素的基础上，采取在中庭顶部设置采光天窗的简易方案，巧妙地将该建筑的中庭设计为附加阳光间，起到利用太阳光热能采暖的作用：白天日照阶段，太阳光以短波辐射形式透过天窗照射在中庭四周墙体和地板等构件，构件吸收的太阳热能一部分通过导热传至周边房间，一部分以长波辐射形式加热中庭内空气，并通过空气对流将热量传送至周边房间，还有一部分被蓄积在墙(地)中，夜间室温降低时释放出来，从而使得整栋建筑成为一个附加阳光间式的被动式太阳房(PSH)，见图3 [ 5 ] 。 4.2. 分析模型的建立 为研究上述综合楼在设置附加阳光间后所获得的采暖增益和节能效果，根据该建筑的设计方案，采用DEST软件分别建立相应的热工分析模型，并对其热环境进行全年逐时的动态模拟，如图4和图5所示。分析模型包括太阳房模型和对比房模型两种，两者的区别在于前者的中庭顶部设置了玻璃采光天窗形成了附加阳光间，而后者则采用普通的保温屋面；建模时，主要围护结构的热工参数见表1。 图2. 全年室外分时温度变化曲线 图3. 中庭附加阳光间现场照片 图4. 热工分析模型示意图 图5. 基于DEST软件的全年日照模拟分析示意 Table 1 Thermal parameters of the main enclosure component 太阳房 对比房 外墙 加气混凝土砌块，平均传热系数1.05 W/(m2∙K) 外窗 普通中空玻璃(中空12 mm)，传热系数2.4 W/(m2∙K)，遮阳系数0.86，可见光透视率0.71 房间与外界换气次数 1次/h 房间互通风 1次/h 屋面 中庭顶部为6 mm单层玻璃，传热系数6.5 W/(m2∙K)，遮阳系数0.93，太阳能透过率70%；其余屋面为保温屋面，传热系数0.44 W/(m2∙K) 中庭顶部敞开，房间顶部为保温屋面，传热系数0.44 W/(m2∙K) 表1. 主要围护构件的热工参数 4.3. 自然室温计算 通过对上述建筑进行全年太阳辐射的模拟计算，得出建筑围护结构表面的年太阳辐射量，继而算出建筑各房间的自然室温，据此得出太阳房主要朝向房间全年的日均室温变化曲线，如图6所示；同时将太阳房和对比房的逐时自然室温进行对比，统计出全年太阳房的升温情况如表2。由图6和表2可知： 1) 由于位置和朝向不同造成房间日照量及散热情况的差异，太阳房中不同位置和朝向的房间的逐时室温亦有所不同。其中，北向房间由于接受的日照量少，室温普遍较低；南向房间接受日照量大，中部房间无外墙外窗散射，室温相对较高。 2) 利用中庭设置阳光间后，建筑内各房间的自然室温均有明显的升幅，其中，升温幅度最大的是南向房间，其次为中部房间，升温幅度最低的是北向房间；全年内，最低日平均升温为3.0℃，最高日平均升温为13.1℃。 4.4. 度小时数分析 采暖度小时数是当房间逐时温度低于供热基准温度(18℃)时，将其与基准温度的差值乘以时长，再将全年所有时段的乘积累加得出；制冷度小时数，是当房间逐时温度高于供冷基准温度(28℃)时，将其与基准温度的差值乘以时长，再将全年所有时段的乘积累加得出，见式(5)。通过对不同建筑或不同房间的采暖度小时数和制冷度小时数进行比较，即可明确其辅助供热量和辅助制冷量的高低及比例关系。 D h = ∑ n = 1 n = h | t i − t z | (5) 基于DEST软件对太阳房和对比房的度小时数进行统计和对比分析。太阳房中庭的度小时数统计结果见图7。由图7可知：中庭不同楼层的采暖度小时数有所区别，随着楼层的升高，采暖度小时数呈下降趋势，且降速逐步减缓：从一层到二层，采暖度小时数降低3%，从二层到三层，度小时数降低1.8%，这主要由于中庭三层靠近天窗，围护结构的散热损失大于其它两层；另外，由于夏季七、八月份的统计结果，太阳房中庭出现制冷度小时数，表明在此时段太阳房中庭会出现温度偏高的情况，需采取控温措施。 为明晰中庭附加阳光间对不同朝向、不同楼层房间的采暖效应，抽取具有代表性的部分房间的采暖及制冷度小时数计算结果列于表3。由表3可知： 1) 平面位置相同但楼层不同的房间，其采暖度小时数有所不同，而且随层高变化具有明显的规律性，但变化规律对于太阳房和对比房两种不同情况是完全不同的：对比房因屋顶散热的缘故，采暖度小时数随层高的升高逐层递增；太阳房因中庭阳光间产生的烟囱效应，采暖度小时数随着楼层增加逐层递减。 2) 利用建筑中庭作为阳光间形成太阳房的方案起到了良好的采暖增益效果。就北向房间而言，太阳房北向房间的采暖度小时数较对比房相应位置房间降低54%~59%；对于南向房间，太阳房南向房间的采暖度小时数较对比房降低52%~62%。 图6. 太阳房全年逐时室温变化曲线 图7. 中庭采暖及制冷度小时数 Table 2 Statistics of the natural room temperature value appreciation of solar hous 南向房间 中部房间 北向房间 西向房间 东向房间 最低日平均升温(℃) 3.0 3.0 3.3 4.9 5.6 最高日平均升温(℃) 13.1 8.2 8.0 10.6 11.6 1月平均每小时升温(℃) 7.3 6.5 5.0 5.3 6.0 2月平均每小时升温(℃) 8.4 6.2 4.9 5.5 6.1 3月平均每小时温升(℃) 5.9 5.6 4.8 5.8 6.6 4月平均每小时温升(℃) 6.7 5.4 5.0 6.3 7.1 5月平均每小时温升(℃) 6.8 4.9 4.8 6.4 7.2 6月平均每小时温升(℃) 7.1 4.7 4.8 6.5 7.3 7月平均每小时温升(℃) 8.8 5.1 4.9 6.2 6.8 8月平均每小时温升(℃) 9.8 5.2 5.1 6.3 6.7 9月平均每小时温升(℃) 7.5 4.6 4.7 6.0 6.7 10月平均每小时温升(℃) 6.1 4.4 4.5 5.8 6.7 11月平均每小时温升(℃) 5.6 5.1 4.7 5.6 6.5 12月平均每小时温升(℃) 5.3 5.5 4.6 5.3 6.1 全年平均每小时温升(℃) 7.1 5.3 4.8 5.9 6.7 表2. 太阳房自然室温温升统计 Table 3 Comparison on the heating and cooling degree hours between PSH and the comparative buildin 北向房间度小时数比较 南向房间度小时数比较 房间名称 De.H < 18℃ De.H > 28℃ 房间名称 De.H < 18℃ De.H > 28℃ 太阳房-一层科学教室2 37146.7 101.1 太阳房-一层教室3 35497.8 143.3 太阳房-二层美术教室 33197.8 480.2 太阳房-二层教室5 33764.5 539.2 太阳房-三层教师办公室 31220.6 2092.5 太阳房-三层教室3 30803.3 2482.6 对比房-一层科学教室2 80896.2 0.0 对比房-一层教室3 73869.8 0.0 对比房-二层美术教室 76210.1 0.0 对比房-二层教室5 77662.7 0.0 对比房-三层教师办公 78024.6 0.0 对比房-三层教室3 81415.0 0.0 表3. 太阳房与对比房的采暖度小时数及制冷度小时数比较 注：为减少干扰，抽取的同一朝向、不同楼层的样板房间，其水平位置一致。 4.5. 辅助供热量比较 以学年为单位，综合考虑建筑的使用情况确定辅助供热量计算的时段和时长。本案例为学校综合楼，每年1月初至2月下旬及7月中旬至8月下旬分别为寒、暑假期，在计算辅助供热量时，将以上期间扣除； 另外，在非寒、暑假期间，该楼每天的使用时段为早上7时至下午6时，因此，每天的逐时辅助供热量仅提取该时段进行计算。基于上述原则，该楼在一个学年内的辅助供热量统计时段总长为3576小时。 太阳房和对比房在一个学年内的辅助供热量对比见图8。由图8可知，设计的中庭阳光间式太阳房具有显著的节能效益：太阳房在一个学年内的辅助供热量仅为386.3 GJ，而对比房的辅助供热量高达1551.6 GJ，两者相比，太阳房每年可节约辅助供热量1165.4 KJ，节能率达75.1%；按电采暖辅助供热方式、电采暖热效率100%、每kWh电耗费0.4 kg标准煤计算，每年可减少使用129吨标准煤，减排CO 2 达323吨 [ 6 ] [ 7 ] 。 4.6. 夏季控温措施效果分析 针对前文分析结果所反映的太阳房在夏季部分时段中庭出现温度偏高的问题，采取在中庭顶部桁架设置活动式浅色窗帘的措施降低该时段的日照得热量以起到降温的作用；基于DEST软件对设置窗帘后太阳房的制冷度小时数进行分析，分析结果见图9。由图9可以看出，采取上述措施后，太阳房的制冷度小时数大幅降低，降幅达50%~62%，表明了上述措施的有效性和显著效果 [ 8 ] 。