北方村鎮被動式太陽房夏季降溫數值模擬及試驗*

王明康，李潔，陸紅梅，蔡永斌

1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003

2.石河子大學科研處，新疆 石河子 832003

被動式太陽房在冬季具有良好的采暖保溫效果，但在夏季 由于空氣間層以及集熱蓄熱墻外表面溫度過高，進而導致室內溫度過高（周鑫等，2011），難以滿足人們對熱舒適性的要求，這一問題能否有效解決，對被動式太陽房推廣具有重大影響。針對該問題，國內外學者提出大量的降溫措施。Vettorazzi et al.（2021）通過分析發現在巴西南部生物氣候區在夜間打開窗戶進行冷卻通風是值得推薦的，且通過自然通風增加通風量有助于滿足被動式建筑標準的要求。董浩等（2017）建立適用于西安地區的熱舒適性評價模型，依據西安近30 年的氣象數據對室內通風模擬分析，結果表明自然通風可減少西安市居住建筑約40%的夏季空調開啟時間。孫鵬（2006 ）采用試驗與數值模擬的研究方法，研究被動式太陽房在不同氣候條件下的室內熱濕環境的動態變化規律，結果發現白天通風可調節室內濕度，提高熱舒適度，夜間通風可降低室內溫度并對集熱蓄熱墻進行蓄冷。徐鑫等（2019）采用熱壓通風結合夜間通風的降溫模式，基本實現夏季降溫目標。王臣臣等（2013）搭建了帶有百葉型集熱墻的實驗平臺并進行測試，研究表明該種集熱墻能夠顯著地改善室內環境溫度，降低室內制冷負荷。針對新疆農村地區特點，楊婷婷等（2017）提出一種淺層地熱能聯合太陽能集熱器系統并開展試驗測試，結果發現該系統能有效降低室內溫濕度，為人們提供更舒適的室內環境。Santamouris et al.（1996）將地下熱交換系統應用于玻璃溫室可以有效降低室內溫度和濕度，為人們提供更舒適的室內環境。王輝等（2017）對近年來的被動式太陽房降溫方面的研究做了總結，并對地-新風換熱預冷降溫技術發表了見解：該系統能有效降低室內溫度，但是埋地管道在地下濕熱環境易滋生霉菌孢子，會對人體帶來危害。Rincón et al.（2001）通過試驗和數值模擬評估了太陽能被動冷卻系統在炎熱潮濕氣候下的熱性能，結果證明在炎熱潮濕的氣候下，使用屋頂水池的被動冷卻技術可以將室內溫度保持在室外溫度以下，但是這種屋面會造成嚴重的漏水問題，被限制使用（Cheikh et al.，2004）。Cheng et al.（2010）在某公園安裝8個垂直綠化裝置來估算建筑側面墻面溫度和環境溫度的熱影響，實驗顯示垂直綠化可以大幅降低建筑表面溫度。張雯薔等（2011）通過實驗設計和實測，驗證外遮陽設施的降溫效果，結果表明采用外遮陽設施后可有效降低室溫。這些降溫措施的提出，為被動式太陽房夏季降溫提供了參考，其中對通風以及遮陽的研究較多，但對于遮陽與熱壓通風結合使用的試驗研究較少。

計算流體動力學（CFD）軟件，最初是被應用于航空航天、汽車等行業中用于模擬氣體流動（周子芥，2020），隨著計算機技術的發展，將其應用到建筑的設計、優化階段逐漸成為研究的主流（高玉欣，2019；白笑天，2021；Cui et al.，2022）。被動式太陽房優化設計問題進行研究成為熱點。李云濤等（2022）利用Fluent軟件進行數值模擬，研究太陽能地板輻射供暖對室內熱環境的影響，結果表明，該地板輻射供暖完全可以滿足室內熱舒適要求。王丹等（2019）利用Fluent 軟件對太陽能-地源熱泵系統進行模擬分析，通過對該系統供熱制冷的換熱情況進行分析，為該系統的設計、施工提供理論參考。馬坤茹等（2019）利用Fluent 軟件進行模擬，研究不同半徑和數量的通風口對室內熱環境的影響。顧祥紅等（2019）利用Fluent 軟件進行模擬，結果表明當通風口直徑取0.83 mm 左右時，太陽能墻板集熱效率最大。Barozzi et al.（1992）建立實驗模型，采用CFD 模擬與實測相結合的方法，并考慮自然對流的紊流特性，發現模擬結果與實測結果較為吻合。以往的數值模擬研究，主要是針對被動式太陽房集熱蓄熱墻的優化方面進行的，對被動式太陽房整體以及夏季降溫方面的模擬分析較少。

基于以上分析，本文以新疆石河子市農村地區的一棟既有被動式太陽房為研究對象，根據太陽房的構造以及石河子地區的氣候特點，提出4種降溫措施，并通過利用Fluent軟件進行數值模擬結合試驗測試的研究方式，探討該被動式太陽房在應用不同措施時的降溫效果，并對房間熱舒適性進行評價，分析各降溫措施的有效性，從而為解決農村地區被動式太陽房夏季室內溫度過高的問題提供可靠的解決方案。

1 試驗概況

1.1 試驗房介紹

本文的研究對象是新疆石河子市北泉鎮的一棟既有被動式太陽房。該建筑朝南，地上一層，建筑面積為94.5 m2，層高3 m。試驗房的南墻為集熱蓄熱墻，集熱墻上、下各有兩個直徑為150 mm的通風口，通風口垂直方向的中心距為2 m。距離集熱蓄熱墻墻面100 mm 處安裝玻璃蓋板，玻璃蓋板與集熱墻形成空氣間層，空氣間層高度為2.4 m。玻璃蓋板上開300 mm×400 mm 的小窗作為外通風口。圍護結構組成詳細情況為，集熱蓄熱墻（南墻）：20 mm 厚水泥砂漿、240 mm 厚黏土多孔磚、100 mm厚EPS聚苯板、6 mm厚掛網抹灰、集熱鋁板、空氣層和雙層玻璃塑鋼窗；外墻（東、西、北）：20 mm 厚水泥砂漿、240 mm 厚黏土多孔磚、100 mm 厚EPS 聚苯板和6 mm 厚掛網抹灰；屋頂：20 mm 厚水泥砂漿、120 mm 厚鋼筋混凝土面板、150 mm 厚EPS 板、加氣混凝土找坡（最薄處30 mm）、30 mm 厚細石混凝土找平和6 mm 厚防水層；地面：30 mm 厚水泥砂漿找平、地暖盤管、40 mm厚EPS板和100 mm厚C15混凝土墊層；窗：鋼、鋁窗框和75 系列Low-E 玻璃；門：保溫外門和夾芯板木門。試驗房平面布置圖及外景圖如圖1所示。

圖1 試驗房Fig.1 Experimental room

1.2 模擬與測試方案

本研究對被動式太陽房在自然狀態下以及采用4種降溫措施下的室內溫度進行研究，其中：自然狀態為被動式太陽房南、北窗戶均打開，集熱墻的上、下通風口關閉，外通風口開啟；措施1為被動式太陽房自然狀態下在房間南側附加遮陽板進行遮陽；措施2為被動式太陽房關閉南向窗戶結合遮陽；措施3為被動式太陽房采取熱壓通風；措施4 為被動式太陽房采取熱壓通風結合遮陽。4 種降溫措施的具體控制模式如表1所示，其中通風口與遮陽板的開閉時間與是否有太陽光直射到集熱蓄熱墻有關。各控制點位置詳見圖2。

表1 試驗房降溫措施Table 1 Experimental house cooling measures

圖2 試驗房控制點位置Fig.2 Control point of experimental house

1.3 測試方法

采用短期連續的測試方法從2021年7月1日至2021 年7 月20 日進行測試，測試內容為：試驗房在自然狀態下以及采取4種降溫措施下的室內以及墻體溫度。具體操作如下：利用JTR08多通道溫濕度測試儀每隔10 min 對室內溫度進行記錄；采用JTDL-80 溫度與熱流動態數據采集系統每隔10 min對室、內外壁面溫度以及空氣間層溫度進行測試。試驗房測試期間為無人居住的狀態，測點布置圖見圖3。

圖3 測點布置圖Fig.3 Measuring point

2 數值模擬

2.1 幾何模型的建立及網格劃分

根據試驗房的實際尺寸，利用Creo 軟件建立等比例模型。由于3個房間大致相似，取中間的房間尺寸來建立模型。由于部分細節對室內環境的變化影響不大，對試驗房的局部進行簡化（翟小昀，2013）。簡化的內容有：1）房間未安裝內門，將內門簡化為門洞；2）去除床、沙發等家具以及內部裝飾品。簡化后的模型如圖4所示。

圖4 簡化后的試驗房模型Fig.4 Simplified test room model

將建立好的幾何模型導入ICEM 軟件后進行非結構化網格劃分。檢查網格質量，進一步對網格進行優化，提高網格質量。試驗房幾何模型的網格劃分如圖5，網格總體質量良好，符合計算的精度需求。

圖5 網格劃分圖Fig.5 Meshing diagram

2.2 求解計算

本文利用Fluent 軟件模擬室內溫度場的分布，Fluent軟件是通用的CFD軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動（朱紅鈞，2015）。其具有以下特點：適用面廣，適用于各種物理模型；可以和其他CFD 軟件間進行數值交換，可以省卻科研工作者在前后處理等方面投入的低效的勞動；用戶可對不同的問題選擇適合的數值解法，以期在計算速度、穩定性以及精確度等方面達到最佳。

利用Fluent軟件模進行穩態計算分析，模擬過程中主要滿足連續性方程、動量方程、能量方程（Teodosiu et al.，2003）。選擇標準k-epsilon 湍流模型進行室內溫度的數值模擬。

為了便于模擬，作出如下假設：

1）重力加速度取-9.8 m/s2。

2）不考慮壁面輻射及內熱源對溫度場的影響（Campobasso，2014）。

3）采用Boussinesq 假設（Concei??o António et al.，2011）。

2.3 材料物性及邊界條件

該模擬主要針對空氣及墻體組成材料的材料物性進行設定。具體參數詳見表2。

表2 計算中采用的材料物性Table 2 Material properties used in the calculation

對于邊界條件的設定，需要針對不同模式對集熱蓄熱墻外表面以及北面墻體溫度進行定義，各接觸面設定為耦合邊界條件，其他墻體表面設定為絕熱邊界條件。設置好邊界后，設置最大殘差值與迭代次數，將計算模型進行迭代直至計算完成。

3 結果分析

3.1 模型驗證

為驗證所建模型的可靠性，將試驗房在自然狀態下的實測數據與模擬結果進行對比，以7 月3日的數據為例，繪制如圖6 所示室內溫度對比圖，其中實測溫度為多個測點平均值，模擬溫度為室內空氣溫度的平均值。當日晴，室外最高溫度38 ℃，最低溫度23 ℃。

圖6 自然狀態下室內溫度Fig.6 Indoor temperature in natural state

根據圖6，對比房間由Fluent 軟件模擬所得的室內溫度與實測所得的室內溫度，發現模擬值相對于實測值平均高2 ℃，但呈現出相同的變化趨勢。應用相對誤差分析方法RME 對模擬值進行驗證。RME的定義為

式中xsim為數值模擬結果；xexm為實測結果。以實測值為基準點，計算模擬值與實測值的偏差，最大偏差小于10%，能滿足計算精度和準確性的要求。可以驗證所建模型的準確性和精度，其中設置的模型類型、邊界條件和離散方法較為合理（許萍等，2021）。

3.2 措施1的降溫效果

據研究，使用遮陽可以減少墻體得熱量（陳星，2006），因而考慮采用遮陽措施來達到降低室內溫度的效果。圖7為試驗房在采取遮陽措施，通過上述數學模型模擬在X=0 m 處的YOZ平面上的溫度分布圖，即從試驗房西側觀測各時間段房間內溫度場分布規律。

圖7 采取遮陽時室內溫度場分布圖Fig.7 Distribution of indoor temperature field under shading state

從00：00～10：00 以及21：00～23：00，集熱蓄熱墻處為房間溫度最高的部位，溫度維持在31～34 ℃之間，由此可以看出集熱蓄熱墻的蓄熱能力以及保溫隔熱能力；其余時間空氣間層處溫度最高，其內溫度受環境溫度以及太陽輻射影響；室內溫度相對穩定，距離南墻及北墻近的地方相對中間部分溫度高，屋頂處溫度相對地面溫度高。

以7 月6 日的數據為例，繪制如圖8 所示室內溫度對比圖，當天天氣晴，最高溫度38 ℃，最低溫度21 ℃。由圖8 可得，采用遮陽時，房間的溫度變化趨勢與自然狀態下的一致，在06：00溫度達到最低值，在16：00溫度達到最高。與自然狀態相比，房間在采用遮陽時的室內溫度有所降低，但降溫效果不明顯。由實測所得數據，采用遮陽時的室內溫度相對自然狀態下平均降低0.76 ℃，最大溫差僅1.3 ℃；根據模擬所得結果，采用遮陽時的室內溫度相對自然狀態下平均降低1.1 ℃，最大溫差僅為1.8 ℃，與實測結果相近。采用遮陽的降溫效果未達到預期，其原因是集熱蓄熱墻具有良好的隔熱性能，減少空氣間層溫度對室內溫度的影響，因而即使采用遮陽措施使得空氣間層溫度大幅降低，室內溫度沒有大幅降低，保持相對穩定。

圖8 自然狀態與自然狀態下采取遮陽的室內溫度對比圖Fig.8 Comparison of the indoor temperature between natural state and natural state with shading

3.3 措施2的降溫效果

開啟南窗會使得空氣間層內的熱空氣在沿著集熱墻上升的過程中進入房間，使得房間溫度升高，抵消部分因遮陽減少的房間得熱，因而考慮采用關閉南窗情況下采用遮陽的降溫措施。以7月10日的數據為代表，繪制如圖9所示的室內溫度對比圖，當日天氣晴，室外最高溫度35 ℃，最低溫度23 ℃。

圖9 自然狀態與關閉南窗結合遮陽的室內溫度對比圖Fig.9 Comparison of the indoor temperature between natural state and closing south window combined with shading

采用關閉南窗結合遮陽的降溫措施時，室內溫度相對穩定，實測所得室內溫度波動在2 ℃以內，模擬所得室內溫度波動在2.2 ℃以內，最低溫度出現在07：00 左右，最高溫度出現在20：00 左右。與自然狀態相比，關閉了南窗，減少了空氣間層內空氣進入到室內，降低了室外因素對室內溫度的影響，室內溫度相對穩定。此外，采用遮陽，減少了墻體得熱，進一步降低室內溫度。分析所得實測及模擬結果，采用該種降溫措施，在白天，室內溫度最高可分別降低室內溫度2.9 和3.8 ℃，降溫效果較好，但是在夜間，降溫效果不明顯，甚至室內溫度會高于自然狀態下的室內溫度，究其原因：房間處于自然狀態時，在夜間，相對較冷的室外空氣通過南窗進入房間降低室內空氣溫度的同時進行蓄冷，因而室內溫度較低。

3.4 措施3的降溫效果

考慮被動式太陽房的構造，利用集熱蓄熱墻的集熱能力在空氣間層形成熱壓通風來進行降溫，其工作原理如圖10所示。

圖10 熱壓通風原理圖Fig.10 Schematic diagram of thermal pressure ventilation

其具體運行情況為：玻璃蓋板和南向集熱墻吸收太陽輻射，空氣間層的空氣被加熱，密度降低而上升至空氣間層上方，由于與室外空氣存在密度差，從而通過玻璃蓋板上側窗口排出，驅動空氣間層的空氣流動，同時引導室內空氣從室內流進空氣間層加熱排出，而相對較冷的空氣，從開啟的北面窗戶進入室內，補充新鮮空氣并達到降低室內溫度的效果。

圖11（a）從試驗房南側（Z=0 m 處的XOY立面）觀測到的7月14日16：00空氣間層溫度隨高度的變化圖，當日天氣晴，室外最高溫度38 ℃，最低溫度22 ℃。如圖所示，空氣間層內的溫度隨高度的升高而增高，最高可達到67.7 ℃，在通風口處溫度最低，也有55 ℃，這也印證了上述熱壓通風工作原理。圖11（b）為采用熱壓通風與自然狀態下室內溫度對比圖，在03：00～08：00期間，采用熱壓通風的室內溫度與自然狀態下溫度相近，降溫效果不明顯；在其他時間段，有明顯的降溫效果。據實測所得數據，采用熱壓通風與房間自然狀態下的溫差在1.3 ℃左右，溫差最大值出現在17：00，達到2.3 ℃；根據模擬結果，采用熱壓通風與房間自然狀態下的平均溫差為1.6 ℃，在17：00 溫差出現最大值，達到了3.0 ℃，與實測結果相比誤差較小。

圖11 空氣間層溫度變化圖及室內溫度對比圖Fig.11 Air interlayer temperature change and indoor temperature comparison of different modes

3.5 措施4的降溫效果

采用遮陽或熱壓通風均有一定的降溫效果，將兩種降溫模式同時使用，可達到更好的降溫效果。將7 月18 日試驗房在采取熱壓通風結合遮陽措施下的實測與模擬結果與自然狀態下的結果對比，繪制如圖12 所示室內溫度對比圖，當日天氣晴，室外最高溫度為36 ℃，最低溫度19 ℃。

圖12 熱壓通風結合遮陽與自然狀態的室內溫度對比圖Fig.12 Comparison of the indoor temperature between ther‐mal pressure ventilation combined with shading and natural state

由圖12 可得，在遮陽和熱壓通風兩種降溫措施同時使用的情況下，全天的室內溫度始終低于自然狀態下的室內溫度，由模擬數據所繪溫度曲線可以看出，試驗房在采取兩種降溫措施時的室內溫度與試驗房在自然狀態下的室內溫度相比，在08：00 出現最小溫差為1.1 ℃，在16：00 溫差達最大值為4.3 ℃，日平均溫差為2.8 ℃；由實測結果所繪溫度曲線可得，試驗房在兩個狀態下的溫差在06：00 出現最小值為1.0 ℃，在16：00 達最大值為3.5 ℃，日平均溫差也有2.5 ℃。由此可見，兩種降溫措施結合使用的降溫效果良好。

3.6 各降溫措施對墻體溫度的影響

在試驗過程中，南墻內、外兩側壁面均貼有熱電偶，用以測量墻體各壁面溫度。根據測得數據繪制如圖13所示的墻體壁面溫度對比圖。

圖13 南面墻體壁面溫度Fig.13 The temperature of the south wall

圖13（a）為試驗房在自然狀態及各降溫模式下的南墻外壁面溫度對比圖，由圖13 看出試驗房在自然狀態及模式1、2、4 下的南墻外壁面溫度相近，且變化趨勢一致，而措施3下的南墻外壁面溫度波動較大，最大值可達67.7 ℃。分析其原因：措施3為試驗房采取熱壓通風，在該措施下，集熱墻吸收大量太陽輻射加熱間層內空氣，驅動空氣向外排出，而此時玻璃蓋板只開啟上部的外通風口，空氣間層近似于一個封閉的空間，空氣流動較慢，通過熱壓通風散失的熱量小于墻體吸收的熱量，因而溫度很高。措施4 在措施3 的基礎上添加遮陽，降低集熱墻吸收的熱量，再加上熱壓通風散失的熱量，因而該措施下的壁面溫度最低。房間在自然狀態下，開啟南窗、北窗及玻璃蓋板上的窗戶，通過對流散失空氣間層內熱量，因而壁面溫度相比采用措施3 低。措施1 是在自然狀態下添加遮陽，降低太陽輻射對墻體壁面溫度的影響。措施2 在措施1 的基礎上關閉南向窗戶，缺少空氣對流來降低空氣間層溫度，因而采用措施2下墻體壁面溫度會高于采用措施1。

由圖13（b）看出試驗房在采用措施2、3、4 時墻體內壁面溫度波動相對小，而處在自然狀態下與采用措施1時的墻體內壁面溫度波動相對較大。究其原因：試驗房在自然狀態下與采用措施1時，南窗打開，空氣間層內的熱空氣進入到室內，從而使得墻體內壁面溫度較高，措施1相比自然狀態下添加了遮陽板，減少了太陽輻射的影響，因而墻體內壁面溫度較低。措施2、3、4均關閉了南窗，隔絕了空氣間層內空氣向室內流動，減少了對墻體內壁面溫度的影響，壁面溫度波動較小。對比兩圖，發現墻體內壁面溫度峰值出現的時間相對于墻體外壁面均有不同程度的延遲，其中試驗房在自然狀態下以及采取措施1、2 時，溫度峰值延遲3 h 左右。措施3 因空氣間層內溫度過高，內外壁面溫度差大，熱傳導較快，因而延遲時間僅為2 h左右。采用措施4時的溫度延遲最大，有4 h。

3.7 房間熱舒適評價

Dear和Brage 利用近幾十年的調研結果，提出適應性模型（Dear et al.，2002），并建立室外平均溫度與室內最優溫度的回歸方程

式中Tcomf為室內舒適溫度，℃；Ta，out為室外月平均溫度，℃。石河子地區7月室外月平均溫度為25.5 ℃（徐鑫等，2019），代入上式得出室內最優溫度為25.7 ℃。研究表明，室內溫度達到80%可接受舒適度時可用以表征室內溫度的熱舒適區，嚴寒地區夏季80%城市住戶的滿意的空氣溫度范圍為22.3 ～28.2 ℃（楊柳等，2012），以此為評價標準來評析房間在各降溫措施下的室內溫度能否達到住戶要求。

如圖14 所示，房間在自然狀態下，共有21%的時間溫度能夠使得住戶滿意，其中白天僅8%的時間能夠滿足熱舒適要求，夜間有33%的時間能夠滿足要求。采用措施1 與措施3 時，降溫效果相近，分別有46%和50%的時間可以達到舒適性要求，較自然狀態下有很大的提升，其中白天大約有1/3 的時間，夜間有2/3 的時間能夠滿足熱舒適要求。在采用措施2的狀態下，有50%的時間能夠滿足熱舒適性要求，白天及夜間均有50%及以上的時間能滿足要求。在采用措施4 的狀態下，有92%的時間房間溫度適宜，其中白天有83%的時間能夠滿足熱舒適要求，在夜間，房間完全處于舒適的狀態，滿足了大部分住戶的熱舒適要求。

圖14 各狀態下室內溫度滿足熱舒適性的時間比Fig.14 The time ratio of indoor temperature meeting thermal comfort in each state

4 結 論

本研究對新疆石河子農村地區一座被動式太陽房在采取不同降溫措施時的室內溫度進行測試，分析各降溫措施的降溫效果。此外還利用Fluent軟件分別了模擬了試驗房在采用不同降溫措施時的溫度場并對不同降溫措施進行對比分析，得出以下結論：

1）通過對比試驗結果，發現通過Fluent 所得模擬結果相較實測結果平均高2.0 ℃，偏差在10%以內，但室內溫度變化趨勢一致，具有較高的吻合性，因而在實地測試難以實現時，可以通過模擬的方法來研究。

2）基于Fluent 數值模擬，發現當僅采用遮陽措施時，相對于自然狀態室內溫度平均降低1.1 ℃，最高也僅降低1.8 ℃，室內溫度降低效果不明顯；采用關閉南窗結合遮陽時，室內溫度平均降低1.6 ℃，室內溫度最高可降低3.8 ℃，但是在夜間降溫效果較差；采用熱壓通風時，室內溫度最高可降3.0 ℃，平均降溫也有1.6 ℃，降溫效果良好；將熱壓通風和遮陽結合使用時，室內溫度最高可降4.3 ℃，平均降低溫度2.8 ℃。實測所得數據，在上述4種模式下，室內溫度分別平均降低0.76、1.5、1.3和2.5 ℃，最高可分別降低1.3、2.9、2.3 和3.5 ℃，略低于模擬所得結果，在可接受范圍內，可見模擬結果的可靠性。

3）根據實測所得結果對室內熱舒適適應性進行評價，結果顯示，房間在自然狀態下，1 天內僅有21%的時間可到熱舒適要求，并且大部分是夜間或凌晨；當房間采用遮陽時，1 天內有46%的時間可以滿足要求，其中白天約有1/3 的時間，夜間約有2/3 的時間室內溫度較為舒適；當采用關閉南窗結合遮陽時，白天與夜間分別有50%和67%的時間達到熱舒適性要求；當采用熱壓通風進行降溫時，其熱舒適性與房間采用遮陽時相似，約一半的時間室內溫度處于舒適溫度的范圍內；將熱壓通風與遮陽相結合，滿足要求的時間占比達到92%，只有白天17%的時間室內溫度較高，可基本實現夏季降溫的目標。