安徽工业大学建筑工程学院    黄志甲   郝红婷  程 建

       【摘  要】以我国徽州传统民居为研究对象，建立能反应其夏季室内热环境状况的围护结构内壁面温度数学模型，得到和内壁面温度有关的围护结构热工参数，同时利用Energyplus进行热环境模拟，针对围护结构热工参数对徽州传统民居夏季室内热环境静态和动态影响进行研究，并利用PMV对徽州传统民居室内热环境的舒适性进行分析。研究结果表明：影响徽州传统民居夏季室内热环境的围护结构热工参数为传热系数和太阳辐射反射系数；夏季围护结构内壁面温度低于30.6℃时，其室内热环境处于舒适状态；静态影响中，在达到相同室内舒适性条件下，徽州传统民居屋顶对热工参数的要求高于外墙；动态影响中，围护结构热工参数对夏季室内热环境的影响白天大于夜间，且传热系数的影响大于太阳辐射反射系数；降低传徽州统民居围护结构传热系数和太阳辐射反射系数能增加室内舒适时间，同时削弱内壁面温度峰值。

       【关键词】徽州传统民居；围护结构；热工参数；夏季室内热环境；舒适性

       【基金项目】国家自然科学基金资助项目(编号：51478001)

       【中图分类号】TO172

       传统民居是中华民族丰富的建筑文化遗产，既体现了中国建筑与自然和谐的思想，更凝聚着历朝历代国人的智慧和能工巧匠们的才华^[1]。发掘传统民居中优秀的被动式设计技术并以传统民居被动式设计机理为传承路径，更适宜于我国气候特征和指导现代建筑的建造^[2-4]，因而得到众多学者的关注。

       杨柳等^[5-8]研究了西北窑居建筑冬暖夏凉的热环境特性，在系统研究、综合测试的基础上，从热物理环境的角度，提出了新型窑居建筑物理环境设计的基本原则。金玲^[9-10]等研究了极具地域性特色的华南地区传统民居，通过实测发现，组织好自然通风是湿热地区提高室内热环境质量的关键。宋冰等^[11-12]利用实测数据分析了徽州传统民居室内热环境状况，结合软件模拟得到徽州传统民居围护结构隔热性能较好，采用自然通风技术后可延长年舒适时间。上述针对传统民居的研究集中在对其室内热环境状况的分析，或提出改进的新型设计理念，而利用理论的分析方法，针对围护结构热工参数对传统民居夏季室内热环境的动态和静态影响的研究极少。

       本文通过建立能反应徽州传统民居夏季室内热环境状况的内壁面温度数学模型，得到影响徽州传统民居内壁面温度的围护结构热工参数，同时利用CV(RMSE)评价Energyplus模型可靠性，并针对围护结构热工参数对徽州传统民居夏季室内热环境的静态影响和动态影响进行研究，引入PMV对徽州传统民居室内热环境的舒适性进行分析。

1  建立模型

       1.1 数学模型

       为了得到徽州传统民居围护结构内壁面温度的表达式，引入围护结构外壁面热平衡方程进行分析，即围护结构外壁面吸收的热量等于长波辐射换热热量、外壁面对流换热热量以及外壁面向室内传递的热量之和，如式(1)所示。

       

       式中，ε为长波发射率，ρ为围护结构外壁面太阳辐射反射系数，I为太阳辐射强度(W/m²)，T_w,out为围护结构外壁面温度(℃)，T_sky为天空辐射温度(℃)，h_c为围护结构外壁面对流换热系数(W/(m²·K))，T_a为室外空气温度(℃)，K_w-a为围护结构外壁面至室内空气的传热系数(W/(m²·K))，T_n为室内空气温度(℃)。

       由于长波辐射换热热量占整个热平衡的比例相对较小^[13]，可忽略长波辐射的作用。简化后可以得到围护结构外壁面温度T_w,out，即

       

       根据陈启高对建筑物围护结构外壁面对流换热的研究，围护结构外壁面对流换热系数h_c和外壁面空气流速v有一定的关系^[14]，即

       

       围护结构外壁面至室内空气的传热系数K_w-a与围护结构传热系数K_w和内壁面对流换热系数hl有关，即

       

       在热量从围护结构外壁面传入室内的过程中，热流量保持不变，外壁面温度T_w,out与内壁面温度T_w,in存在以下的关系：

       

       根据式(2)-(5)可以得到徽州传统民居围护结构内壁面温度，即

       

       其中：

       

       从上面的公式可以看出，围护结构内壁面温度和下面的量有关：

       

       其中和建筑围护结构相关的参数包括围护结构外壁面太阳辐射反射系数和围护结构传热系数K_w；和环境有关的参数包括围护结构外壁面空气流速v、太阳辐射强度I、室外空气温度T_a。因此本研究针对围护结构外壁面太阳辐射反射系数和围护结构传热系数K_w对徽州传统民居室内热环境的影响进行分析，环境参数均为实测值。

       1.2 物理模型及验证

       本研究以徽州地区具有典型特征的传统民居为研究对象，如图1所示，该模型忽略了邻房和院落的影响，徽州传统民居围护结构内壁面温度利用EnergyPlus软件模拟得到。

       为了提高模拟的准确度，本研究将徽州传统民居模拟和实测的厅堂温度进行对比验证，对比的时间是7月23日-7月27日。采用统计学上的标准差均方根误差CV(RMSE)来评价模拟结果和实测结果之间的一致性^[15]，传统民居模拟和测试的室内空气温度如图2所示，从图中可以看出，模拟结果和测试结果比较接近，通过计算得到CV(RMSE)=3.96%，能够满足ASHRAE标准中对模拟精度要满足低于25%的要求，所以，可以认为该模型是准确可用的。

2  徽州传统民居夏季室内热环境

       本文为研究围护结构热工参数对徽州传统民居夏季室内热环境的影响，分别研究了在平均太阳辐射强度作用下，围护结构热工参数变化内壁面温度变化情况，以及典型日围护结构热工参数变化内壁面温度逐时变化情况，即静态影响和动态影响。同时，利用PMV评价徽州传统民居夏季室内舒适性。

       由于徽州传统民居屋顶和外墙传热过程相似，分析方法相同，而民居中西厢的外墙在白天容易受到西晒，相对其他厢房而言其室内热环境更加恶劣，因此本文主要考虑改变西外墙的参数对徽州传统民居室内热环境的动态影响。

       2.1 热舒适温度

       在徽州地区进行调研分析发现，人体新陈代谢率为58W/m²，衣服热阻为0.08(m²·K)/W，空气相对湿度50%，空气流速为1.5m/s。在此情况下，通过Fanger公式计算满足舒适度要求，即-1<PMV<1的条件下的平均辐射温度，将其作为满足人们舒适要求的平均辐射温度，如图3所示。

       从图3可以看出，在相同的PMV条件下，平均辐射温度随着空气温度的降低而增加。假设室内保持在26℃的条件下，当平均辐射温度低于30.6℃时，能够满足室内人员处于舒适的范围。由于平均辐射温度和墙体内壁面温度有直接的关系，且和内壁面温度接近，所以使用内壁面温度代替平均辐射温度评价室内热舒适性。

       2.2 传热系数对室内热环境的影响

       假设徽州传统民居外壁面太阳辐射反射系数为0.5，外遮阳系数为1，室外空气流速为1.5m/s，室内空气温度为26℃，围护结构内壁面温度随传热系数的变化如图4(a)所示。从图4(a)可以看出，围护结构内壁面温度随传热系数的增加而显著上升，说明围护结构传热系数的增加能有效促进外壁面吸收的太阳辐射热量传递到内壁面。进一步分析图4(a)可以看出，传统民居围护结构传热系数从0W/(m²·K)增加到10W/(m²·K)，南屋顶内壁面温度从26℃上升至42.2℃，增加了38.4%，南外墙内壁面温度从26℃上升至34.1℃，增加了23.8%，传统民居屋顶内壁面的温升大于外墙内壁面的温升，这是因为传统民居屋顶外壁面接受的太阳辐射要高于外墙外壁面。从图4(a)还可以看出，在既定的建筑参数和室外条件下，传统民居外墙的传热系数在小于2.5W/(m²·K)时就能够获得较好的内壁面温度，而屋顶至少要小于1.3W/(m²·K)才能使屋顶内壁面温度低于30.6℃，说明屋顶对传热系数的要求更高，因而徽州传统民居内部多高深且存在阁楼，从而削弱屋顶传入人体活动区域的热量。

       通过以上分析，对徽州传统民居西外墙传热系数分别取0.35W/(m²·K)、1.0W/(m²·K)、1.4W/(m²·K)和2.0W/(m²·K)，保持其他参数不变，对传统民居夏季典型日外墙内壁面温度进行动态模拟，模拟的结果如图4(b)所示。分析图4(b)可以看出，传统民居在夜间外墙内壁面温度波动范围较小，在24~26℃之间，在白天外墙内壁面温度波动范围较大，在24~32.5℃之间，说明在白天太阳辐射的作用对外墙内壁面温度影响较大。进一步分析图4(b)可以看出，在夜间，不同外墙传热系数对应的内壁面温度区别不大，而在白天，降低外墙传热系数能有效降低内壁面温度，随着外墙传热系数的降低，最高温度从32.5℃降低到31℃，说明传统民居外墙传热系数的变化在白天对室内热环境产生较大影响。从图4(b)还可以看出，传统民居外墙内壁面温度大部分处于舒适温度范围内，说明传统民居夏季室内舒适时间较长，而随着外墙传热系数的降低，室内不舒适时间减少2h左右，说明降低传统民居围护结构传热系数能有效增加室内舒适时间。

       2.3 太阳辐射反射系数对室内热环境的影响

       假设外遮阳系数为1，室外空气流速为1.5m/s，屋顶和墙体的传热系数为1.5W/(m²·K)，室内空气温度为26℃，围护结构内壁面温度随外壁面太阳辐射反射系数的变化如图5(a)所示，从5(a)可以看出，围护结构内壁面温度随外壁面太阳辐射反射系数的增加而降低，说明太阳辐射反射系数的增加能减少围护结构吸收太阳辐射的热量。进一步分析图4(a)可以看出，传统民居围护结构外壁面太阳辐射反射系数从0上升至1时，南屋顶内壁面温度从36.8℃下降至26.8℃，降低了27.2%，南外墙内壁面温度从31℃下降至26.8℃，降低了约13.5%。从图5(a)还可以看出，在既定的建筑参数和室外条件下，传统民居外墙的太阳辐射反射系数只要大于0.35就能够获得较好的内壁面温度，而屋顶的太阳辐射反射系数至少要达到0.65才能使屋顶内壁面温度低于30.6℃，同样说明屋顶对太阳辐射反射系数的要求也更高。

       通过以上分析，对徽州传统民居西外墙太阳辐射反射系数分别取0.2、0.5、0.8，保持其他参数不变，对传统民居夏季典型日外墙内壁面温度进行动态模拟，模拟的结果如图5(b)所示。分析图5(b)可以看出，传统民居在不同外墙太阳辐射反射系数作用下，外墙内壁面温度均与吸收的太阳辐射热量有关。同时可以看出，在夜间，外墙太阳辐射反射系数对内壁面温度几乎没有影响，这是因为夜间太阳辐射作用消失；在白天，降低外墙太阳辐射反射系数对内壁面温度稍有影响，随着外墙太阳辐射反射系数的上升，最高温度从32.5℃降低到32℃，这是因为西外墙接收到的太阳辐射热量较小，因此可考虑选择增加徽州传统民居屋顶太阳辐射反射系数来改善夏季室内热环境。从图5(b)还可以看出，随着外墙太阳辐射反射系数的降低，室内不舒适时间减少，说明降低传统民居围护结构太阳辐射反射系数能增加室内舒适时间。

3  结论

       本文以徽州传统民居为研究对象，建立能反应室内热环境状况的内壁面温度数学模型，针对围护结构热工参数对徽州传统民居室内热环境的影响进行研究，并引入PMV对徽州传统民居室内热环境的舒适性进行分析。得到以下结论：

       (1)根据徽州传统民居内壁面温度数学模型，影响传统民居防热效果的围护结构热工参数为太阳辐射反射系数和传热系数。根据PMV舒适性评价指标，当传统民居夏季内壁面温度低于30.6℃时，室内热环境处于舒适状态。

       (2)在围护结构热工参数对徽州传统民居夏季室内热环境静态影响中，达到相同室内舒适性条件下，徽州传统民居屋顶对传热系数和太阳辐射反射系数的要求高于外墙，这也是徽州传统民居内部空间高大且存在阁楼的主要原因。

       (3)在围护结构热工参数对徽州传统民居夏季室内热环境动态影响中，围护结构热工参数对夏季室内热环境的影响白天大于夜间；降低传统民居围护结构传热系数和太阳辐射反射系数能增加室内舒适时间，同时削弱内壁面温度峰值。

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       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。