拉薩地區民居墻體熱工性能需求分析

■ 趙 群 ZHAO Qun 謝一建 XIE Yijian 李崢嶸 LI Zhengrong

0 引言

1 現狀分析

墻體作為建筑圍護結構的主體，是室內環境與室外環境熱量交換的媒介，其熱工性能對室內熱環境的優劣產生關鍵性影響。為了營造舒適的室內熱環境，通常需要對墻體的熱工性能進行合理設計，以應對室外氣侯環境的變化。由于各地區的氣候條件不盡相同，對墻體熱工性能的要求也不同。現行標準中，主要是規定了以傳熱系數為主的墻體熱工參數的限值，達到保溫或隔熱的目的[1-4]。本文將以拉薩地區為例，分析當地民居的墻體熱工性能。

拉薩屬寒冷地區，當地冬季歷史最低氣溫-16.5℃，墻體熱工設計以滿足冬季保溫要求為主，盡可能減少室內熱量的散失，相關標準和規范均對當地圍護結構傳熱系數的最大值進行了限制。另外，拉薩地區晝夜溫差大，為了維持室內的熱穩定性，需要墻體具有良好的蓄熱性能，以抵御室外溫度的劇烈波動。基于拉薩地區的氣候條件，墻體保溫蓄熱性能的提升是改善當地室內熱環境的重要手段。然而，目前的研究成果主要是圍繞墻體保溫性能的提高，從建筑材料和保溫材料的選擇、墻體構造形式[5-8]及不同朝向保溫性能差異化設計[9-11]等方面提出優化建議，忽視了蓄熱性能方面的研究。隨著近年來國家易地扶貧搬遷工作的開展，當地出現了大量采用輕質混凝土等墻體材料砌筑而成的新型民居建筑，其墻體比傳統墻體輕薄。新式墻體雖然使用加氣混凝土或保溫復合墻體的形式提升了保溫性能，但蓄熱性能不升反降。究其原因，主要是這種增強保溫性能的做法在減小室內熱量散失的同時，也阻隔了外壁面接收的太陽輻射熱源向室內傳遞，特別是南向墻體受到的太陽輻射熱作用最強，增大南墻熱阻會使太陽輻射經南墻進入室內的熱量減少[9]。相關研究表明，無保溫和內保溫墻體的蓄熱量大，而內保溫墻體的蓄熱向室外流失大，不利于太陽能的有效利用[12]；而蓄熱性能的減小，也會使墻體蓄存太陽輻射熱的性能減弱。

因此，在拉薩地區民居墻體熱工設計的過程中，并不是保溫性能越優異，對室內熱環境的改善就越有利；我們在提升保溫性能的同時，也要重視對蓄熱性能的研究。

2 測試概況

2.1 建筑基本信息

選取拉薩近郊的傳統民居和新式民居各1 棟為測試對象（圖1～3）。其中，被測傳統民居位于山南市貢嘎縣森布日村，墻體采用花崗巖石墻；被測新式民居位于林周縣江熱夏鄉江夏新村，為民俗活動辦公室，夜間無人居住，其墻體采用加氣混凝土墻。各房間基本信息見表1，具體測試參數及儀器見表2。

圖1 傳統民居建筑實景圖

圖2 新式民居建筑實景圖

圖3 建筑模型圖

表1 各功能房間信息

表2 現場測試參數及儀器表

2.2 測點布置

按《居住建筑節能檢測標準》（JGJ/T 132——2009）要求布置測點（圖4），在每個房間中心距離地面1.1 m 處布置1 個溫度測點，壁面溫度測點則布置在墻體主體部位的內外兩側。室外參數由自動氣象站監測，氣象站安裝在傳統民居屋頂，要求周圍無遮擋，且距離屋面1.5 m 左右。數據記錄時間間隔均為10 min。

圖4 民居平面圖及測點布置

3 室內熱環境的晝夜分析

根據《西藏自治區民用建筑節能設計標準》（DBJ 540001——2016）規定，被動式建筑冬季室內平均溫度應大于12℃；而拉薩地區民居一般不使用機械設備來進行取暖或制冷，多以被動式調節為主，因此，本文以被動式建筑的室內溫度設計要求作為室內熱環境的改善目標，以12℃作為室內最低舒適溫度。

3.1 室內溫度

由于拉薩地區晝間太陽輻射強烈，夜間無太陽輻射，且云量少、輻射量較大，導致當地晝夜氣象條件存在較大差異，也使得室內熱環境在晝、夜時段可能存在較大差異，與最低舒適溫度的差距也有不同（圖5、6）。因此，測試過程中，根據有無太陽輻射，將全天劃分為晝（8:00——19:00）、夜（除去晝間的剩余時段）兩個時段，進行室內熱環境分析。室內溫度在晝間及夜間的平均值如圖7所示。

圖5 室外氣象參數變化（12 月29 日——12 月31 日）

圖6 各房間室內溫度變化（12 月29 日——12 月31 日）

圖7 各房間室內晝、夜溫度（12 月29 日——12 月31 日）

可以看出，有取暖措施的房間如傳統民居次客廳和新式民居房間B、C 等，其室內溫度較高。傳統民居中，次客廳因其厚重的墻體和較小的窗墻面積比，使得室內熱量散失較少，室內溫度無論是在晝間還是夜間，均明顯高于其他房間，且接近最低舒適溫度12℃；但其余房間室內溫度與最低舒適溫度仍有較大差距。新式民居中，由于房間C 東墻外側即為另一戶民居的室內環境，減小了室內熱量的散失，因而室內溫度高于房間B；房間D 雖然位于南向，但因處于頂樓，其外圍護結構與室外環境接觸面積較大，且窗戶面積比較大，室內失熱較多，故室內溫度較低；房間E 為北向房間，無太陽直射輻射，其室內溫度比房間D 低2℃～3℃。從各房間室內晝夜溫差來看，考慮無采暖措施的房間（傳統民居臥室2 和新式民居房間D、E），傳統民居室內晝夜溫差小于新式民居，這是由于傳統民居厚重墻體的蓄熱性能優于新式民居墻體。

總體來看，采用了現代建筑材料的新式民居室內溫度低于傳統民居，且晝夜溫差較大。對于無采暖措施的房間，無論晝間還是夜間，兩種民居的室內溫度均較低。

3.2 內壁面溫度與室內溫度

墻體對室內熱環境的影響通過內壁面來實現，內壁面溫度與室內溫度的相對大小能夠反映墻體和室內傳熱的情況。因此，可根據兩種民居內壁面溫度與室內溫度相對大小的判斷，分析各朝向墻體對室內熱環境的影響（圖8）。

圖8 墻體晝、夜內壁面溫度與室內溫度對比

3.2.1 南墻

對于臥室2 南墻，其晝、夜內壁面溫度都高于室內溫度，墻體向室內放熱，但二者差值較小。從晝間到夜間的變化來看，室內溫度及內壁面溫度均下降，雖變化較小，但表明其墻體靠近室內側部分的熱量散失到室外。從內壁面溫度水平來看，全天都處于較低水平。因此，若要改善室內熱環境，則需要提升內壁面溫度。

對于次客廳南墻，由于晝間火爐取暖時間較長，室內溫度較高，內壁面溫度低于室內溫度，表明室內空氣向內壁面傳熱；夜間火爐熄滅，室內溫度下降，墻體在晝間蓄存的熱量釋放，提高了內表面溫度，向室內放熱。從晝間到夜間的變化來看，室內溫度降低、內壁面溫度升高，說明室內溫度下降的原因不是由墻體的失熱作用而造成的。夜間內壁面溫度仍處于較高水平，雖然這種“較高水平”更多的是受室內熱擾的影響，但表明了厚重墻體良好的蓄熱性能對夜間室內熱環境具有明顯的改善作用。

對于房間C 南墻，晝間由于室內有取暖器，室內溫度明顯高于內壁面溫度；但其取暖器使用時間及人員活動時間比次客廳短且窗戶面積比較大，因而各項溫度均低于次客廳。夜間由于室內無人員活動，溫度下降幅度較大；而墻體因蓄熱作用，內壁面溫度在夜間升高，且高于室內溫度，說明室內溫度的下降不是因墻體的失熱作用而造成的。總體來看，房間C 南墻內壁面溫度和室內溫度仍然較低。

3.2.2 東、西墻

對于臥室2 東墻，其晝、夜內壁面溫度及室內溫度變化情況與其南墻基本相同。

對于房間D 東墻，其晝間室內溫度高于內壁面溫度，室內空氣向內壁面傳熱；夜間內壁面溫度稍高于室內溫度，墻體向室內傳熱。從晝間到夜間的變化來看，室內溫度及內壁面溫度均下降，且室內溫度下降幅度較大、內壁面溫度下降幅度較小，表明墻體靠近室內側部分的熱量散失到室外。總體來看，內壁面溫度水平全天都處于較低水平。

對于房間B 西墻，其晝、夜室內溫度均大于內壁面溫度，夜間內壁面溫度高于晝間內壁面溫度；二者差值晝間較大、夜間較小。從晝間到夜間的變化來看，室內溫度下降而內壁面溫度上升，這是由于房間B 晝間使用取暖器，墻體蓄存的晝間熱量在夜間釋放；但全天的內壁面溫度仍處于較低水平。

3.2.3 北墻

對于次客廳北墻，其晝、夜室內溫度均大于內壁面溫度，且二者差值較大。從晝間到夜間的變化來看，內壁面溫度有所上升，這也是墻體蓄熱作用的體現。從內壁面溫度水平來看，北墻內壁面溫度比南墻低3℃～4℃。

對于房間E 北墻，其晝、夜室內溫度均大于內壁面溫度，室內向內壁面傳熱。值得注意的是，從晝間到夜間的變化來看，室內溫度和內壁面溫度均有所上升，結合房間D 的溫度數據可知，這是由于房間D 與房間E 的內隔墻傳熱造成。總體而言，房間E北墻的內壁面溫度處于低水平。

3.2.4 綜合分析

臥室2 東墻和南墻的測試結果表明，厚重墻體能夠使內壁面溫度受室外影響較小，因而晝夜波動較小，但內壁面溫度也比較低。次客廳和房間B、C 的內壁面溫度測試結果表明，當室內有間歇取暖措施時，墻體的蓄熱作用能夠有效改善室內熱環境，而厚重墻體的改善作用更加明顯。次客廳南墻和北墻的測試結果表明，室外太陽輻射能夠有效提高內壁面溫度；而次客廳和房間E 的北墻測試結果表明，北向墻體在全天一般都為失熱過程，但也應盡力提高內壁面溫度，以減少室內熱量散失。

綜上所述，在實際條件下，拉薩地區民居的墻體內壁面溫度處于較低水平，若要從墻體角度考慮改善室內熱環境，則需要提升墻體內壁面溫度。對于室內有穩定熱源（如火爐取暖等其他取暖設備）的房間，可以從加強墻體蓄熱性能和保溫性能方面提升內壁面溫度；而對于室內無熱源的房間，可以考慮盡量利用拉薩地區室外有利的氣象條件來實現，此時，對墻體的保溫性能和蓄熱性能的要求可能與上述情形不同。

4 墻體熱工性能需求分析

4.1 墻體熱工性能理論

對于無取暖措施的房間，若想提升內壁面溫度，需要考慮通過控制與墻體外壁面的傳熱來實現。晝間外壁面溫度一般比內壁面溫度高，理想情況下，為了讓更多熱量進入墻體，則需要降低墻體的保溫性能；夜間外壁面溫度一般比內壁面溫度低，想要提升內壁面溫度，則不但需要在提高墻體的保溫性能，而且要提高其蓄熱性能，使晝間蓄存在墻體內的熱量能夠補充夜間墻體內散失的熱量。

在現有研究中，墻體的保溫性能一般用熱阻R（R=d/λ，式中，λ表示墻體材料導熱系數；d表示墻體厚度）來衡量；蓄熱性能則以蓄熱系數式中，ρ表示墻體密度；c表示墻體比熱容；T表示溫度變化的周期）或熱惰性指標D（D=RS）來衡量，兩種墻體的熱工性能參數見表3。

在蓄熱性能衡量指標中，蓄熱系數反映了材料在周期性溫度波條件下，通過材料熱流波的振幅大小，體現了材料對邊界條件變化的響應；而熱惰性指標反映的是墻體抵御室外氣象條件變化的一種能力。表3 中，新式民居墻體熱阻雖然大于傳統民居墻體，但蓄熱系數卻小于傳統民居。熱惰性指標由于考慮了熱阻的因素，不能單獨體現墻體的蓄熱性能；此外，在本研究中，注重墻體的蓄熱體作用。但這兩種指標無法直接體現墻體蓄存熱量能力的大小，因此，本文提出一種能夠衡量墻體蓄存熱量能力大小的指標，定義為蓄熱熱容C，其為墻體密度、比熱容和厚度三者的乘積，即：C=ρcd。以此表示厚度為d的墻體單位面積蓄存熱量的能力。

表3 兩種民居墻體材料熱工性能參數

本文將從墻體的保溫性能（熱阻R）和蓄熱性能（蓄熱熱容C）這兩個方面，對墻體的熱工性能需求進行分析。

4.2 拉薩地區民居墻體改善室內熱環境的潛力

拉薩地區具有豐富的太陽能資源。為了分析利用這一有利氣象條件來提升內壁面溫度的可能性，對各朝向墻體內壁面溫度和外壁面溫度的實測數據進行分析（圖9）。

圖9 墻體壁面溫度變化

（1）南向墻體外壁面溫度在1 d 之內波動較大，其外壁面溫度與內壁面溫度的相對大小在晝間及夜間也呈現較大的差異。其中，次客廳與房間C 的南墻晝間外壁面溫度比內壁面溫度高出15℃～20℃，夜間則內壁面溫度比外壁面溫度高出10℃～15℃；臥室2 南墻由于處在庭院東北角，且有屋檐遮擋，其外壁面溫度比次客廳與房間C 的南墻外壁面溫度低，與內壁面溫度的相對大小也小于這兩面墻。

（2）對于東、西墻，1 d 之內只有少數時間是外壁面溫度大于內壁面溫度，其溫差約為5℃～10℃；其余時間則是內壁面溫度稍高于外壁面溫度，溫差約為2℃～5℃。

（3）北墻基本上全天都是外壁面溫度小于內壁面溫度，二者的溫差取決于內壁面溫度的大小。對于有取暖措施的房間，內外表面溫差約為7℃～20℃；而對于無取暖措施的房間，內外壁面溫差約為1℃～5℃。

由此可見，南墻在晝間具有增加室內得熱量的潛力，但夜間存在較大散失熱量的風險；東、西墻在晝間增加室內得熱量的潛力較小，夜間也存在一定的失熱風險；北墻則全天都存在較大散失熱量的風險。

4.3 拉薩民居墻體熱工性能需求

若想要盡可能發揮墻體對室內熱環境的改善效果，就需要合理設計熱工性能來利用潛力和規避風險。墻體內外壁面的溫差是墻體傳熱的驅動力，是熱工性能影響傳熱和蓄熱的過程，因此，提升內壁面溫度需要視傳熱驅動力情況考慮墻體的熱工性能。表4 是根據各墻體外壁面與內壁面溫度相對大小交替變換的時間段，以及在連續72 h 內兩者溫差（外壁面溫度與內壁面溫度之差）在同為正號或同為負號時間段的累計值進行求和，進而得到凈溫差累計值。

4.3.1 南墻

次客廳南墻凈溫差累計值為正，表明外壁面仍具有向內壁面傳熱的能力；而臥室2 由于晝間外壁面溫度較低，導致溫差的正負數值相當。結合圖9，對于傳統民居南墻的熱工性能要求，應以提高全天內壁面溫度為目標。因此，在現有基礎上，需適當減小熱阻；同時，為了防止夜間失熱，要適當增加蓄熱熱容，使晝間墻體蓄存的熱量能夠提升夜間內壁面溫度。

房間C 南墻的凈溫差值為負，表明內壁面仍具有向外壁面傳熱的能力。由表4 可以看出，其晝間外壁面溫度遠高于內壁面溫度，夜間則內壁面溫度遠高于外壁面溫度。結合圖9，對于新式民居南墻的熱工性能要求，應以減小晝夜內壁面溫度差異為主；同時，盡可能提高全天內壁面溫度。因此，在現有基礎上，需增加蓄熱熱容，使晝間墻體蓄存的熱量能夠提升夜間內壁面溫度。

表4 墻體內外壁面溫差統計

4.3.2 東、西墻

無論是傳統民居臥室2 東墻，還是新式民居房間D 墻、房間B 西墻，其晝間外壁面溫度均稍高于內壁面溫度，因而通過外壁面溫度提升內壁面溫度的潛力不大；反而是夜間內壁面溫度高于外壁面溫度較多。為減小墻體失熱，宜增大熱阻；考慮到東西墻也能接收太陽直射輻射，因此，也需要考慮墻體的蓄熱熱容作用。

4.3.3 北墻

北墻的內壁面溫度幾乎全天均高于外壁面溫度，且差值較大，為減少室內熱量的散失，應增大墻體的熱阻。由于外壁面溫度較低，由室內傳向墻體并且蓄存其內的熱量散失到室外的可能性較大，但考慮到蓄存的熱量也可以傳入室內，應選擇合理的蓄熱熱容。

4.3.4 各朝向墻體的熱工性能需求總結

由于不同朝向的墻體受太陽輻射的影響不同，其外壁面溫度呈現不同的變化趨勢，對內壁面溫度提升作用的潛力也不同。為了改善晝、夜室內熱環境，需要將墻體外壁面接收的太陽輻射熱量盡可能多地引入墻體內，并將進入墻體的熱量合理地分配給室內，主要是提升晝、夜內壁面溫度。

在此條件下，各朝向墻體的熱工性能需求為：①南墻熱阻并不是越大越有利于室內熱環境的改善，需要兼顧增加室內晝間得熱和夜間失熱的目標，選擇合適的保溫性能；同時，為了讓晝間蓄存在墻體的熱量能夠有效提升夜間內壁面溫度，需要墻體具有高蓄熱性能。②東、西墻應以減少室內夜間熱量散失為主要目標，需要墻體具有高保溫性能；同時，應考慮晝間蓄存少量的太陽輻射熱量，因此，墻體需要有良好的蓄熱性能。③北墻應以減少室內全天的熱量損失為目標；且由于北墻內外壁面的溫差較大，室內熱量散失的風險較大，因而對保溫性能的要求最高，至于蓄熱性能，也需要合理選擇。

5 結語

綜上所述，本文結合實測數據，分析拉薩地區民居在墻體材料逐漸輕質化的過程中，室內熱環境存在的問題；并根據當地太陽能資源豐富的有利條件，從改善室內熱環境的角度，對墻體熱工性能的需求進行探討。總體而言，對于拉薩地區墻體的熱工設計，應考慮當地豐富的太陽能資源條件，特別是對于南墻的保溫性能，要兼顧考慮防止夜間失熱和提升太陽能利用，選擇合理的方案；同時，在注重保溫性能設計的基礎上，也要考慮蓄熱性能對室內熱環境的改善作用。