摘　要：以拉薩地區(qū)某多層辦公建筑為研究對象，對供暖期測試日(全天晴朗、晴轉(zhuǎn)陰)逐時太陽輻射強(qiáng)度模擬計算，對測試日室外溫度、風(fēng)速進(jìn)行實(shí)測。分析太陽輻射對測試房間(分別選取南向房間2間，北向房間2間，其中1間南向測試房間不供暖)室內(nèi)溫濕度的影響。結(jié)合實(shí)測結(jié)果，對拉薩地區(qū)供暖系統(tǒng)、建筑的優(yōu)化設(shè)計提出建議。

關(guān)鍵詞：高原寒冷地區(qū)；  太陽輻射；  室內(nèi)熱環(huán)境

Influence of Solar Radiation on Indoor Termal Environment in Cold Highland Area

Abstract：Taking a multi-storey office building in Lhasa area as the research object，hourly solar radialion intensity on the test day for the heating period(partly cloudy and all-day sunny day)is simulated and calculated，and the outdoor temperature and wind speed were measured．The effect of solar radiation on indoor temperature and humidity of the test room was analyzed．Two south-facing rooms and two north．Facing rooms were selected，and one of the south-facing rooms was not heated．Combined with the measured results，some proposals Oil the heating system and optimization design of the buildings in Lhasa area are offered．

Keywords：cold highland area：solar radiation：indoor thermal environment

1　概述

高原寒冷地區(qū)大部分位于中國西部高原，由于其獨(dú)特的地理位置，導(dǎo)致這些地區(qū)具有低氣壓、空氣稀薄、含氧量低、空氣溫度低、晝夜溫差大、冬季氣候干燥、太陽能資源豐富等獨(dú)有特征。拉薩地處西南部高原地區(qū)，大氣壓力僅為65kPa，冬季氣候寒冷干燥，年最低室外溫度為-16℃，供暖室外計算溫度為-6℃，全年低于5℃的時間為149d。一天內(nèi)相對濕度在4.0％～25.0％，白天午后相對濕度特別低，一般低于10.0％。晝夜溫差大，最高溫差可達(dá)20℃以上。

我國北方供暖地區(qū)主要采用城市熱力管網(wǎng)進(jìn)行集中供暖，自2012年，拉薩開始實(shí)施全面供暖建設(shè)，但拉薩市若照搬北方傳統(tǒng)的集中供暖模式則存在諸多問題：用熱密度低，不適合實(shí)施大型熱電聯(lián)供；一些保護(hù)區(qū)和已建成區(qū)域基本不具備大規(guī)模敷設(shè)供熱管道的條件；煤炭供應(yīng)不足等。應(yīng)充分考慮到拉薩的城市特點(diǎn)及能源特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，制定切實(shí)可行的供熱規(guī)劃。

高原地區(qū)太陽能資源豐富^[1]，白天太陽輻射強(qiáng)度高，室外溫度相應(yīng)較高；早晨及夜晚無太陽輻射，室外溫度較低。因此，高原寒冷地區(qū)的太陽輻射強(qiáng)度、建筑朝向、窗墻比等是供熱系統(tǒng)與建筑設(shè)計時必須考慮的因素。

本文以某辦公建筑(熱源采用太陽能熱水系統(tǒng)結(jié)合空氣源熱泵，室內(nèi)供暖裝置為風(fēng)機(jī)盤管)作為研究對象，選擇2012年供暖期的l2月25日、27日作為測試日，采用太陽輻射強(qiáng)度模型對測試日逐時太陽輻射強(qiáng)度進(jìn)行模擬，對測試日太陽輻射強(qiáng)度、室外溫度、風(fēng)速、室內(nèi)溫濕度進(jìn)行實(shí)測。探討太陽輻射對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，提出適合高原地區(qū)的供暖系統(tǒng)及建筑優(yōu)化設(shè)計策略。

2　研究對象

該建筑為拉薩市某多層辦公建筑，建筑共5層，總建筑面積為7500m²，辦公建筑典型層的平面布置見圖1。供暖方式采用以太陽能熱水系統(tǒng)為主、空氣源熱泵為輔的形式，室內(nèi)供暖裝置為風(fēng)機(jī)盤管。供暖室內(nèi)設(shè)計溫度為20℃，供、回水溫度為45、40℃。供熱系統(tǒng)流程見圖2。乙二醇水溶液經(jīng)過太陽能集熱器(平板形)加熱后進(jìn)入蓄熱水箱，蓄熱水箱出水經(jīng)板式換熱器與供暖回水換熱。若換熱后的水溫低于45℃，低溫型空氣源熱泵啟動，將水溫加熱至45℃后供給末端風(fēng)機(jī)盤管；若換熱后的水溫達(dá)到45℃，低溫型空氣源熱泵不啟動，熱水直接供給末端風(fēng)機(jī)盤管。

3　室外環(huán)境

①集熱器傾角

針對太陽能集熱器最佳傾角問題，GB 50495—2009《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》第3．4．2條第1款給出太陽能集熱器安裝傾角范圍為：(當(dāng)?shù)鼐暥?span lang="EN-US">-10°)～(當(dāng)?shù)鼐暥?span lang="EN-US">+20°)。圖集GJBT—965《太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計與安裝》第3．2．1條第2款建議：全年使用時，集熱器安裝傾角宜與當(dāng)?shù)鼐暥认嗟?；偏重于冬季使用時，傾角應(yīng)加大至約比當(dāng)?shù)鼐暥却?span lang="EN-US">10°；偏重于夏季使用時，宜比當(dāng)?shù)鼐暥刃?span lang="EN-US">10°。拉薩位于北緯29.67°，海拔3648m，大氣清潔，日照時間長，年總輻射量為6000～8000MJ／m²，直接輻射量占總輻射量的56％～78％。根據(jù)相關(guān)規(guī)定及建筑實(shí)際座落情況，集熱器傾角最終確定為45°。

②逐時太陽輻射強(qiáng)度

筆者采用江億提出的隨機(jī)氣象模型^[2]，模擬計算測試日逐時太陽輻射強(qiáng)度。模型考慮了天氣變化對太陽輻射強(qiáng)度的影響，通過判定得出逐時天氣狀況，針對不同天氣情況采用相應(yīng)的模型確定太陽輻射強(qiáng)度。l2月25日為全天晴朗的天氣，l2月27日為晴轉(zhuǎn)陰的天氣，兩日的逐時太陽輻射強(qiáng)度見圖3。由圖3可知，12月25日最大太陽輻射強(qiáng)度出現(xiàn)在14：59，為l238W／m²。12月27日最大輻射強(qiáng)度出現(xiàn)在13：33，為l238W／m²。兩日出現(xiàn)最大太陽輻射強(qiáng)度的區(qū)間在13：00—15：00。

③逐時室外溫度、風(fēng)速

12月25日、27日逐時室外溫度、風(fēng)速分別見圖4、5。由圖4、5可知，測試日室外溫度變化趨勢基本一致。最高室外溫度均出現(xiàn)在16：40左右，25日、27日最高室外溫度分別為5.9、6.6℃。日最低室外溫度基本出現(xiàn)在8：00前后，25日、27日最低室外溫度分別為-9.07、-8.03℃。25日14：O0之后開始起風(fēng)，風(fēng)速在16：00左右升至4.5m／s；27日全天風(fēng)速變化范圍0～4.5m／s。由實(shí)測結(jié)果可知，25日、27日室外空氣相對濕度變化范圍分別為6.04％～24.26％、5.52％～19.38％。

4　測試器室態(tài)溫度

選擇4個房間(位置見圖l)進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境監(jiān)測，被測房間分別為：南向202、507房間，建筑面積均為64m²；北向211、413房間，建筑面積分別為124、64m²。規(guī)定507房間不開啟風(fēng)機(jī)盤管，其他房間均可開啟風(fēng)機(jī)盤管供暖。

辦公樓工作時間為9：30—18：00，溫濕度自記儀分別記錄12月25日、27日的室內(nèi)溫度、相對濕度，室內(nèi)溫濕度隨時間的變化見圖6～9。

由圖6～9可知，室內(nèi)溫度由高到低的房間編號為413、202、507、211，相對濕度由高到低的房間編號為202、507、211、413。

①202房間

12月25日10：00室內(nèi)溫度為8.94℃，之后溫度一直處于上升趨勢，至13：05上升至24℃，之后基本維持在20℃左右，至18：00室內(nèi)溫度為16.19℃。相對濕度基本在20％左右。

12月27日10：O0室內(nèi)溫度為9.05℃，l3：O0左右溫度持續(xù)在20℃左右，l6：30以后室內(nèi)溫度逐漸下降，l8：00室內(nèi)溫度為18.31℃。相對濕度基本在25％以下。

根據(jù)房間內(nèi)辦公人員介紹，風(fēng)機(jī)盤管僅在上班初期開啟一段時間，其他時間不需要開啟，完全可以依靠太陽輻射滿足人員對熱舒適度的要求。

②507房間

12月25日10：00室內(nèi)溫度為10.19℃，之后室內(nèi)溫度一直處于上升趨勢，至16：15室內(nèi)溫度上升到21.94℃，開始波動下降，至l8：00室內(nèi)溫度為16.81℃。相對濕度基本在20％左右。

12月27日10：00室內(nèi)溫度為9.12℃，室內(nèi)溫度隨室外溫度開始波動上升，至ll：O0室內(nèi)溫度達(dá)17.59℃，基本滿足室內(nèi)辦公人員的需求。13：10室內(nèi)最高溫度為20.94℃，l5：30以后，天氣突然轉(zhuǎn)陰，太陽輻射強(qiáng)度突降，室內(nèi)溫度也隨之迅速下降。截至l8：00，室內(nèi)溫度下降到9.91℃。室內(nèi)相對濕度在天氣突變之前基本維持在20％左右，當(dāng)天氣轉(zhuǎn)陰后，室內(nèi)相對濕度有所上升，但基本不超過30％。

由此可見，在正常晴朗天氣下，ll：O0至l8：00，不啟動風(fēng)機(jī)盤管，僅依靠太陽能輻射取暖基本可滿足供暖需求。當(dāng)遇到陰雨天氣時，室內(nèi)溫度急劇下降，需開啟供暖設(shè)施。

③2ll房間

12月25日10：00室內(nèi)溫度為11.56℃，之后室內(nèi)溫度基本穩(wěn)定在14～16℃，至16：00以后，室內(nèi)溫度波動上升，最高溫度為l9.5℃，至18：00室內(nèi)溫度為16.19℃。相對濕度基本在15％～20％波動，偶爾超出20％疑似為人為碰觸監(jiān)測裝置所致，截至l8：00相對濕度為18％。

12月27日10：00室內(nèi)溫度為14.38℃，隨后室內(nèi)溫度逐漸上升，l3：30達(dá)到峰值(18.38℃)，之后下降至15℃，并處于平穩(wěn)狀態(tài)，至18：00室內(nèi)溫度為14.81℃。相對濕度偏低，l4：45以前低于l5％，之后呈波浪線起伏，部分時間略大于l5％。截至18：00，相對濕度為l6％。

由于房間空間較大，上班時間內(nèi)一直開啟風(fēng)機(jī)盤管，并采用電散熱器輔助供暖。

④413房間

12月25日室內(nèi)溫度從l0：00的15.69℃上升至15：45的28.06℃，之后開始下降。截至18：00，室內(nèi)溫度為16.81℃。房間相對濕度很低，約l0％左右，至l5：50開始相對濕度突然有所增加，并逐步上升到20％。

12月27日室內(nèi)溫度一直在25℃左右，并呈緩慢上升趨勢。房間相對濕度上午一直處于下降趨勢，從16％下降至l0％后，開始略微穩(wěn)定。根據(jù)室內(nèi)辦公人員介紹，北向房間全天都比較冷，需要開啟風(fēng)機(jī)盤管供暖。

5　實(shí)測結(jié)果分析

①室內(nèi)熱環(huán)境

南向房間主要利用太陽輻射即可滿足供暖需求，202房間僅在上班開始時段開啟風(fēng)機(jī)盤管，其他時間基本不開啟。507房間在始終不開啟風(fēng)機(jī)盤管的情況下，依然可以滿足人體熱舒適度要求。北向房間不能充分利用太陽輻射，需要開啟供暖設(shè)施。北向211房間與413房間溫濕度變化曲線有所不同，主要是由于室內(nèi)辦公人員對室內(nèi)溫度的要求不同引起的。

413房間為雙人辦公室，面積較小，開啟風(fēng)機(jī)盤管后室內(nèi)溫度較高；211房間為大辦公室，面積約為413房間的2倍，在開啟風(fēng)機(jī)盤管后依然感到比較冷，還需開啟電散熱器輔助供暖。

拉薩地區(qū)室外相對濕度很低，南向房間采用太陽輻射取暖時，室內(nèi)相對濕度比北向采用風(fēng)機(jī)盤管供暖的房間高。南向房間相對濕度在20％左右，北向房間相對濕度為l0％～l5％。特別是413房間，兩天的相對濕度都在10％左右。

②室外環(huán)境

13：00—15：00太陽輻射強(qiáng)度最大，而測試日室外溫度最高時段為l6：00—18：00，南向202房間在13：00左右有一個明顯的溫度上升過程，且一直持續(xù)到l6：00以后，與太陽輻射強(qiáng)度變化趨勢基本一致，說明南向房間在太陽輻射較強(qiáng)的時段完全可以依靠外窗透射太陽輻射進(jìn)行被動式采暖。南向507房間室內(nèi)溫度曲線位于202房間下方，除測試日202房間剛上班開啟風(fēng)機(jī)盤管外，其他時段兩房間均未開啟風(fēng)機(jī)盤管。雖然兩房間面積相同，但202房間朝南一側(cè)有大面積玻璃窗，而507房間開窗面積較小，太陽輻射透射量較少，室內(nèi)溫度也比202房間低。北向211房間與413房間室內(nèi)溫度急劇上升后，便處于相對平穩(wěn)且略有上升的狀態(tài)，由于全天開啟風(fēng)機(jī)盤管供暖，室內(nèi)溫度基本穩(wěn)定，當(dāng)室外溫度上升時房間熱負(fù)荷減少，使得室內(nèi)溫度略有升高。由圖6～9可知，南向202房間、507房間相對濕度較高，而北向211房間、413房間相對濕度較低。

6　建議

①拉薩地區(qū)供暖期大多數(shù)時間為晴好天氣，辦公建筑南向房間可充分利用太陽輻射供暖，在沒有任何供熱設(shè)施的情況下，白天大多數(shù)時間依然可以滿足人體舒適度要求。北向房間需配置供暖設(shè)施，采取主動式采暖。

②針對太陽輻射強(qiáng)度大的高原寒冷地區(qū)，根據(jù)建筑類型及建筑朝向選擇適合的窗墻比，南向房間盡量增加外窗面積以獲得較高的太陽輻射量，北向房間適當(dāng)減小外窗面積以降低熱損失。

參考文獻(xiàn)：

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[2]江億．空調(diào)負(fù)荷計算用隨機(jī)氣象模型[J]．制冷學(xué)報，1981(3)：45-56．

本文作者：趙娟  盧軍  廖興中  黃光勤  李欣林  郭欣娟

作者單位：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院

  重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗室