摘　要：以拉薩地區(qū)某多層辦公建筑為研究對(duì)象，對(duì)供暖期測(cè)試日(全天晴朗、晴轉(zhuǎn)陰)逐時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度模擬計(jì)算，對(duì)測(cè)試日室外溫度、風(fēng)速進(jìn)行實(shí)測(cè)。分析太陽(yáng)輻射對(duì)測(cè)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(cè)試房間不供暖)室內(nèi)溫濕度的影響。結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)拉薩地區(qū)供暖系統(tǒng)、建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出建議。

關(guān)鍵詞：高原寒冷地區(qū)；  太陽(yáng)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(guó)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(yáng)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(jì)算溫度為-6℃，全年低于5℃的時(shí)間為149d。一天內(nèi)相對(duì)濕度在4.0％～25.0％，白天午后相對(duì)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(guó)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(kāi)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(wèn)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(yáng)能資源豐富^[1]，白天太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高，室外溫度相應(yīng)較高；早晨及夜晚無(wú)太陽(yáng)輻射，室外溫度較低。因此，高原寒冷地區(qū)的太陽(yáng)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(jì)時(shí)必須考慮的因素。

本文以某辦公建筑(熱源采用太陽(yáng)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(duì)象，選擇2012年供暖期的l2月25日、27日作為測(cè)試日，采用太陽(yáng)輻射強(qiáng)度模型對(duì)測(cè)試日逐時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度進(jìn)行模擬，對(duì)測(cè)試日太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、室外溫度、風(fēng)速、室內(nèi)溫濕度進(jìn)行實(shí)測(cè)。探討太陽(yáng)輻射對(duì)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(jì)策略。

2　研究對(duì)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(jiàn)圖1。供暖方式采用以太陽(yáng)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(jì)溫度為20℃，供、回水溫度為45、40℃。供熱系統(tǒng)流程見(jiàn)圖2。乙二醇水溶液經(jīng)過(guò)太陽(yáng)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(dòng)，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(dòng)，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(duì)太陽(yáng)能集熱器最佳傾角問(wèn)題，GB 50495—2009《太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝》第3．2．1條第2款建議：全年使用時(shí)，集熱器安裝傾角宜與當(dāng)?shù)鼐暥认嗟?；偏重于冬季使用時(shí)，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(shí)，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(shí)間長(zhǎng)，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(shí)太陽(yáng)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(jì)算測(cè)試日逐時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。模型考慮了天氣變化對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響，通過(guò)判定得出逐時(shí)天氣狀況，針對(duì)不同天氣情況采用相應(yīng)的模型確定太陽(yáng)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(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度見(jiàn)圖3。由圖3可知，12月25日最大太陽(yáng)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(yáng)輻射強(qiáng)度的區(qū)間在13：00—15：00。

③逐時(shí)室外溫度、風(fēng)速

12月25日、27日逐時(shí)室外溫度、風(fēng)速分別見(jiàn)圖4、5。由圖4、5可知，測(cè)試日室外溫度變化趨勢(shì)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(kāi)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(cè)結(jié)果可知，25日、27日室外空氣相對(duì)濕度變化范圍分別為6.04％～24.26％、5.52％～19.38％。

4　測(cè)試器室態(tài)溫度

選擇4個(gè)房間(位置見(jiàn)圖l)進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境監(jiān)測(cè)，被測(cè)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(kāi)啟風(fēng)機(jī)盤管，其他房間均可開(kāi)啟風(fēng)機(jī)盤管供暖。

辦公樓工作時(shí)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(duì)濕度，室內(nèi)溫濕度隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖6～9。

由圖6～9可知，室內(nèi)溫度由高到低的房間編號(hào)為413、202、507、211，相對(duì)濕度由高到低的房間編號(hào)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(shì)，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(duì)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(duì)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(kāi)啟一段時(shí)間，其他時(shí)間不需要開(kāi)啟，完全可以依靠太陽(yáng)輻射滿足人員對(duì)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(shì)，至16：15室內(nèi)溫度上升到21.94℃，開(kāi)始波動(dòng)下降，至l8：00室內(nèi)溫度為16.81℃。相對(duì)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(kāi)始波動(dòng)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(yáng)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(duì)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(duì)濕度有所上升，但基本不超過(guò)30％。

由此可見(jiàn)，在正常晴朗天氣下，ll：O0至l8：00，不啟動(dòng)風(fēng)機(jī)盤管，僅依靠太陽(yáng)能輻射取暖基本可滿足供暖需求。當(dāng)遇到陰雨天氣時(shí)，室內(nèi)溫度急劇下降，需開(kāi)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(dòng)上升，最高溫度為l9.5℃，至18：00室內(nèi)溫度為16.19℃。相對(duì)濕度基本在15％～20％波動(dòng)，偶爾超出20％疑似為人為碰觸監(jiān)測(cè)裝置所致，截至l8：00相對(duì)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(duì)濕度偏低，l4：45以前低于l5％，之后呈波浪線起伏，部分時(shí)間略大于l5％。截至18：00，相對(duì)濕度為l6％。

由于房間空間較大，上班時(shí)間內(nèi)一直開(kāi)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(kāi)始下降。截至18：00，室內(nèi)溫度為16.81℃。房間相對(duì)濕度很低，約l0％左右，至l5：50開(kāi)始相對(duì)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(shì)。房間相對(duì)濕度上午一直處于下降趨勢(shì)，從16％下降至l0％后，開(kāi)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(kāi)啟風(fēng)機(jī)盤管供暖。

5　實(shí)測(cè)結(jié)果分析

①室內(nèi)熱環(huán)境

南向房間主要利用太陽(yáng)輻射即可滿足供暖需求，202房間僅在上班開(kāi)始時(shí)段開(kāi)啟風(fēng)機(jī)盤管，其他時(shí)間基本不開(kāi)啟。507房間在始終不開(kāi)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(yáng)輻射，需要開(kāi)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(duì)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(kāi)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(kāi)啟風(fēng)機(jī)盤管后依然感到比較冷，還需開(kāi)啟電散熱器輔助供暖。

拉薩地區(qū)室外相對(duì)濕度很低，南向房間采用太陽(yáng)輻射取暖時(shí)，室內(nèi)相對(duì)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(duì)濕度在20％左右，北向房間相對(duì)濕度為l0％～l5％。特別是413房間，兩天的相對(duì)濕度都在10％左右。

②室外環(huán)境

13：00—15：00太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最大，而測(cè)試日室外溫度最高時(shí)段為l6：00—18：00，南向202房間在13：00左右有一個(gè)明顯的溫度上升過(guò)程，且一直持續(xù)到l6：00以后，與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明南向房間在太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的時(shí)段完全可以依靠外窗透射太陽(yáng)輻射進(jìn)行被動(dòng)式采暖。南向507房間室內(nèi)溫度曲線位于202房間下方，除測(cè)試日202房間剛上班開(kāi)啟風(fēng)機(jī)盤管外，其他時(shí)段兩房間均未開(kāi)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(kāi)窗面積較小，太陽(yáng)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(duì)平穩(wěn)且略有上升的狀態(tài)，由于全天開(kāi)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(shí)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(duì)濕度較高，而北向211房間、413房間相對(duì)濕度較低。

6　建議

①拉薩地區(qū)供暖期大多數(shù)時(shí)間為晴好天氣，辦公建筑南向房間可充分利用太陽(yáng)輻射供暖，在沒(méi)有任何供熱設(shè)施的情況下，白天大多數(shù)時(shí)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(dòng)式采暖。

②針對(duì)太陽(yáng)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(yáng)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)：

[1]劉志云，盧軍，黃光勤，等．拉薩地區(qū)供暖期太陽(yáng)能集熱器最佳傾角模擬[J]．煤氣與熱力，2013，33(9)：A08-A12．

[2]江億．空調(diào)負(fù)荷計(jì)算用隨機(jī)氣象模型[J]．制冷學(xué)報(bào)，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(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室