我国高原地区气候条件恶劣, 常规能源匮乏, 但大气透明度好, 太阳辐照度大, 具备大规模开发利用太阳能资源的潜力^[1,2]。高效、高质地利用该类地区丰富的太阳能资源是改善当地居住环境的重要手段。

　　 被动式太阳能利用技术因其免维护、运行便捷、经济节能等特点, 被认为是高原建筑最适宜的太阳能利用方式^[3]。为了更多利用太阳能, 该类地区被动式太阳能建筑南向具有面积较大的外窗, 房间窗墙面积比通常达到0.4以上。白天, 被动式太阳能建筑希望有更多的太阳能进入房间储存起来, 要求外窗具有较大的太阳得热系数^[4];夜间, 被动式太阳能建筑希望把热量尽可能保存在室内, 要求南向外窗具有较大的综合换热热阻。传统被动式太阳能利用方式主要有直接受益式、集热蓄热墙式、附加阳光间式等^[5], 围护结构热工参数固定, 很难同时满足以上需求, 造成实际工程项目应用效果欠佳。本文提出的具有阶跃传热特性的被动式太阳能建筑透明围护结构及其控制策略可以较好地解决上述问题。

　　 图1显示了被动式太阳能建筑围护结构的阶跃设计基本构造, 图2显示了阶跃传热的基本原理。阶跃传热特性主要体现在两方面:一是白天内侧中空玻璃窗开启状态下, 直接受益窗的太阳得热系数SHGC阶跃升高, 使得太阳能容易通过透射进入室内 (虽然白天内侧窗打开会造成传热系数增大, 但白天外侧玻璃吸收太阳能会使其本身温度升高, 减少室内向室外传热) ;二是夜间内侧中空玻璃窗关闭状态下, 直接受益窗的综合换热热阻R阶跃上升, 热量不容易通过围护结构传递到室外。阶跃设计最终通过热工参数的阶跃变化大幅度提高太阳能利用率, 提高室内温度。

　　 为了验证阶跃传热围护结构的应用效果, 在四川阿坝某小学宿舍楼中采用了该技术, 并于2017年1月12—18日进行了测试。

　　 项目所在地若尔盖县, 平均海拔3 500 m, 年平均气温1.1 ℃, 气候分区属于严寒地区, 全年需供暖时间为227 d, 供暖期平均温度为-2.9 ℃, 供暖需求强烈。

　　 该建筑为砖混结构, 在南向采用阶跃式传热透明围护结构。测试房间尺寸为3.30 m×6.00 m×3.00 m (开间×进深×高度) , 非透明外墙采用夹心保温, 由内到外依次为240 mm厚页岩砖墙、80 mm厚聚氨酯保温层、120 mm厚页岩砖墙;南向透明围护结构具有阶跃传热特性, 由单层玻璃窗与双层中空窗组成。建筑围护结构相关参数见表1。

　　 测试时室内无主动供暖措施, 主要测试参数有室内空气温度、室外空气温度、太阳辐照度等, 主要测试仪器见表2。测试期间, 房间阶跃控制策略为内侧窗09:00开启, 18:00关闭。

　　 宿舍楼各房间布局相同, 测试点在房间中心距离地面1.5 m高处, 测试房间及房间构造见图3。

　　 图4显示了测试期间该建筑端头房间的室内外温度分布测试结果。由图4可以看出:测试期间, 室外最低温度达到了-12.5 ℃;各房间最低温度出现在阴天, 房间201室内最低温度为9.5 ℃, 房间101与301最低温度分别为6.1 ℃与8.4 ℃;各房间室内平均温度为13.0～14.0 ℃, 最高温度可达到24 ℃。可见, 在如此恶劣的气候条件下, 阶跃控制策略仍可使室内维持在一个较高的温度。房间201室内平均温度比其他2个房间高1 ℃左右, 主要是由于1层的地面散热与3层的顶板散热。

　　 图5显示了测试期间该建筑中间房间的室内外温度分布测试结果。由图5可以看出:中间房间减少了外墙散热, 平均温度比端头房间高1 ℃左右, 房间平均温度都在13.0 ℃以上。

　　 图6和表3显示了阶跃控制策略下房间104与非阶跃控制策略下房间106室内温度的对比。房间104 09:00开启房间内侧中空玻璃, 南向透明围护结构的太阳光总透射比为0.87左右, 传热系数为5.5 W/ (m²·K) , 18:00关闭内侧窗户, 传热系数<2.0 W/ (m²·K) ;房间106采用非阶跃策略, 全天关闭内侧中空玻璃, 南向透明围护结构的太阳光总透射比为0.44左右, 传热系数<2.0 W/ (m²·K) 。

　　 测试结果表明, 阶跃控制策略下的房间104室内温度明显高于房间106, 平均温度相差4.5 ℃, 晴天室内温度最高值相差10 ℃以上, 即使阴天最高温度也有6.5 ℃的区别。因此, 南向围护结构实现阶跃性变化后, 太阳能利用率大大提高, 能有效改善室内温度状况;同时在夜间关闭内侧窗后, 也满足了南向透明围护结构高保温性能的要求。该设计策略在高原寒冷地区具有较好的应用价值。

　　 图7显示了上述案例中南向透明围护结构综合换热热阻及太阳得热系数的阶跃变化特性。由图7可以看出:早上随着太阳辐射的增强, 内侧窗手动开启, 此时该部位围护结构太阳光透射比瞬间增大, 综合换热热阻瞬间变小, 太阳辐射相当于只经过了一层透明玻璃层, 太阳光透射比可达到0.82～0.87, 比采用中空Low-E玻璃 (总透射比0.28～0.47) 进入室内的太阳能增加了40%左右^[9]。18:00太阳辐射变得十分微弱, 此时手动关闭内侧窗, 太阳光透射比瞬间变小, 综合换热热阻瞬时增大;且内层中空玻璃与外层单层玻璃之间存在60 mm左右的空气间层, 进一步使得整个南向透明围护结构的保温性能优于由3层透明玻璃构成的外窗, 室内的热量不易传递到室外, 确保充分保存白天积蓄的热量, 使室内温度维持在一个可以接受的水平。

　　 设计阶段利用DesignBuilder软件对宿舍楼阶跃控制策略 (09:00—18:00内侧窗打开) 下的室内热环境进行了模拟计算, 计算时采用的全年逐时温度与逐时太阳辐射边界条件均为EnergyPlus官网提供的典型年气象数据。选取其中太阳辐照度和气温与测试日 (2017年1月15日) 接近的典型日进行分析。

　　 分项蓄放热分析和房间热平衡分析分别如图8, 9所示。房间失热主要源于南向外窗与室外的对流换热, 09:00室内外温差为26.6 ℃, 对流换热速率由0.28 kW阶跃至2.28 kW;18:00室内外温差为14.9 ℃, 对流换热速率由1.29 kW阶跃至0.14 kW;房间主要热源为太阳入射辐射, 全天太阳能总得热量为21.7 kW·h, 房间蓄热曲线滞后于室内温度变化曲线, 但变化趋势接近。

　　 整个房间墙体夜间处于放热状态, 放热速率在0.07～0.18 kW之间变化;白天处于得热状态, 得热速率在0.07～0.75 kW之间变化。可见, 传统设计中采用的墙体蓄放热速率较难满足被动式太阳能建筑的快速蓄放热要求, 这是造成被动式太阳能建筑蓄热能力不足的主要因素。

　　 将房间各项得热与失热曲线的投影面积相加, 得到房间104在计算日当天的得热量为2.59 kW·h。可见, 阶跃控制策略下, 房间可以实现更有效的得热, 使室内温度得到大幅度提高。若采用非阶跃控制, 太阳能得热减少, 将无法维持现在的室内温度。

　　 1) 被动式太阳能建筑设计中围护结构的阶跃特性主要表现为:白天实现了直接受益窗的太阳得热系数SHGC阶跃升高, 使得太阳能容易通过透射进入室内;夜间实现了直接受益窗的综合换热热阻R阶跃上升, 使得热量可以保存住。阶跃策略有效地解决了高寒地区建筑希望多得热与少散热的矛盾。

　　 2) 围护结构的阶跃控制, 不仅可利用更多的太阳能, 且其夜间保温性能优于由3层透明玻璃构成的外窗, 实测表明, 即使在室外最低温度达到-12.5 ℃的恶劣气候条件下, 宿舍楼室内温度也可维持在13～14 ℃。

　　 3) 阶跃控制状态下室内温度比非阶跃控制提高了4.5～10 ℃。南向围护结构实现阶跃性变化后, 太阳能利用率大大提高, 该设计策略在高原寒冷地区具有较好的应用价值。

　　 4) 热平衡分析表明, 墙体的放热速率在0.07～0.18 kW/h之间变化, 得热速率在0.07～0.75 kW/h之间变化, 较难满足被动式太阳能建筑的快速蓄放热要求, 这是造成被动式太阳能建筑蓄热能力不足的主要因素, 设计的关键要素是提高墙体蓄放热速率。