合肥地區(qū)太陽輻射對圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱影響研究

程海峰，劉 凱，胡 寧（安徽建筑大學(xué)　環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽合肥　230022）

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合肥地區(qū)太陽輻射對圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱影響研究

程海峰，劉 凱，胡 寧
（安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽合肥230022）

摘要：本文主要研究合肥地區(qū)夏季太陽輻射引起的熱量通過東西向外圍護(hù)結(jié)構(gòu)向室內(nèi)的傳遞情況，利用DB模擬分別得到東西向外壁面溫度變化趨勢，結(jié)合實測數(shù)據(jù)分析了西曬造成室內(nèi)過熱的原因，并提出采取西向外建筑遮陽措施減少熱量向室內(nèi)的傳遞，定性分析了其節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：太陽輻射；遮陽；外壁面溫度

0　引　言

我國建筑能耗占社會總能耗的30%左右［1］，其中采暖和空調(diào)占建筑能耗60-70%左右［2］，可見采暖和空調(diào)能耗是建筑物能耗的主要影響因子，其主要影響因素有太陽輻射、窗墻比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)溫度、人員密度、照度標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備功率及其新風(fēng)指標(biāo)［3］等，夏季太陽輻射量較大，一部分通過外窗等透明結(jié)構(gòu)直接進(jìn)入室內(nèi)，提高室內(nèi)表面和空氣溫度，這也是室內(nèi)得熱的主要部分，另一部分通過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱影響室內(nèi)熱環(huán)境［4］，所以降低太陽輻射是建筑節(jié)能的重要一環(huán)，鄭海晨［5］王歡［6］等提出利用內(nèi)外遮陽降低透過窗戶的輻射量，本文重點分析輻射熱通過西向外圍護(hù)結(jié)構(gòu)向室內(nèi)的傳遞情況，分析西曬造成室內(nèi)持續(xù)高溫的原因，并提出合理的解決方法。

1　外圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本構(gòu)造

太陽輻射得熱一種表現(xiàn)形式是與建筑外表面進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換，提高外表面溫度，增加外圍護(hù)結(jié)構(gòu)由外向內(nèi)的導(dǎo)熱量［7］，而建筑表面溫度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱能力和傳熱過程因構(gòu)造特征和材質(zhì)不同而異，本文選用合肥地區(qū)節(jié)能65%的圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為研究對象，內(nèi)層選用煤矸石空心磚，外層選用保溫裝飾一體化材料—羅寶板，中間層為空氣薄層，其中羅寶板核心層為硬泡聚氨酯，硬泡聚氨酯參數(shù)為密度ρ≥30kg/ m3，導(dǎo)熱系數(shù)λ≤ 0.024W/（m·k）；圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)k=0.49W/（m2·k），其示意圖見圖1。

圖1　圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

2　模擬結(jié)果分析

太陽輻射通過光熱轉(zhuǎn)換提高外圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度，一方面外表面與周圍空氣通過對流方式換熱，另一方面通過導(dǎo)熱方式提高外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，內(nèi)壁面輻射溫度的升高引起室內(nèi)空氣溫度的提高，本文利用Designbuilder能耗模擬軟件得到東西向外表面溫度，進(jìn)而分析研究向室內(nèi)傳熱情況。

為研究外圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度的變化趨勢，本文選取“典型月”中的一般天氣和極端天氣兩種情況分析。一般天氣的確定方法是：結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c，選取合肥地區(qū)典型氣象年的典型月份（7月份），根據(jù)GB50736-2012規(guī)定，合肥地區(qū)室外干球溫度35℃，濕球溫度28.1℃為空調(diào)室外設(shè)計參數(shù)，在“典型月”中選取與其最為接近的一天。選取“典型月”中室外空氣平均溫度最高的一天作為極端天氣。

圖2、3分別為模擬得到的一般天氣和極端天氣下東西墻體外表面溫度。

圖2　一般天氣下外表面溫度變化

圖3　極端天氣下外表面溫度變化

從模擬結(jié)果可以看出，夜間各墻體表面溫度變化趨勢相同且溫差不大，當(dāng)太陽直射時各表面溫度變化趨勢相同，但出現(xiàn)峰值的時間不同，東墻壁面溫度峰值出現(xiàn)在9：00到10：00之間，最高溫度為43℃；西墻溫度峰值出現(xiàn)在16：00 到17：00之間，最高溫度達(dá)到49℃；南墻峰值出現(xiàn)在13：00到14：00之間，最高溫度達(dá)到38℃。東墻和西墻外壁面溫度高于南墻溫度，且西墻峰值溫度比東墻峰值溫度高6℃左右，高溫持續(xù)時間更長。極端天氣下外表面溫度峰值更加明顯，圖3是統(tǒng)計得到的在典型月內(nèi)的極端天氣下的墻體外表面溫度變化情況。

可以看出，極端天氣下西墻高溫峰值達(dá)到60℃左右，且在各外表面中高溫持續(xù)時間最長，在極端天氣下東墻溫度最高在54℃，東西墻體壁溫相差6℃；極端天氣南墻峰值溫度在45℃，與西墻峰值溫度相差15℃，與東墻溫度相差9℃，低于東西墻體壁面峰值溫度；接收太陽輻射量的大小決定了壁面溫度的高低［4］，南向外表面溫度低于其它各面的原因是所接收的輻射量較少，利用《中國建筑熱環(huán)境分析專用數(shù)據(jù)集》［8］統(tǒng)計合肥地區(qū)南向外表面的輻射量變化，見圖4。

圖4　全年南立面輻射量變化

可以看出，南向外表面太陽輻射量先減小后增加，在夏季最小，冬季最大。雖然夏季太陽輻射強度很大，但是在正午太陽高度角較大，照射到南向立面的輻射量較少，大部分輻射量分照射到頂部。從圖3可知，極端天氣下頂部外表面峰值溫度為57℃，與西墻外表面峰值相當(dāng)，比南墻溫度高10℃左右，由此可知，正午時間頂部接收的輻射量遠(yuǎn)大于南墻接收輻射量。

3　實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比

為驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，筆者選取合肥市某建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)作實測，實驗設(shè)備如圖5所示。

圖5　實測實驗設(shè)備

通過實驗儀器測得典型月的逐日逐時外壁面溫度，一般天氣和極端天氣下外表面溫度變化趨勢見圖6、圖7。

圖6　一般天氣下外表面溫度變化

圖7　極端天氣下外表面溫度變化

從實測結(jié)果可知，室外溫度在16：00達(dá)到最大，下午時段室外空氣溫度總體高于上午時段，東、西墻體外表面溫差在極端天氣和一般天氣兩種情況下均較大，為10℃左右；將模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，各壁面溫度變化趨勢和峰值與實測數(shù)據(jù)基本吻合，峰值出現(xiàn)的時段與實測數(shù)據(jù)相差不大。

實測和模擬結(jié)果顯示外圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度最高的是西向外表面，且最高溫度達(dá)到60℃左右，較高的外壁溫度與內(nèi)壁形成較大溫差，此時室外空氣溫度較高，在34℃左右，外壁面與周圍空氣存在較小的對流和輻射換熱，主要以向室內(nèi)導(dǎo)熱為主，到達(dá)內(nèi)表面的熱量提高內(nèi)表面溫度，通過表面對流換熱和輻射提高室內(nèi)空氣溫度，最終造成室內(nèi)過熱的現(xiàn)象。東向外圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面上的太陽輻射得熱，一部分與周圍空氣和周圍空間進(jìn)行對流換熱和輻射散熱，另一部分熱量蓄存于圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，且墻體蓄熱延遲了向室內(nèi)傳熱的時間，蓄熱期間向室內(nèi)傳熱量較少；雖然實測數(shù)據(jù)可知東向外表面溫度也較高，最大可達(dá)到55℃左右，但墻體的蓄熱過程在很大程度上較少了向室內(nèi)傳熱量，且較低的室外環(huán)境溫度與外表面形成較大溫差，加大了向周圍環(huán)境的輻射散熱。

4　西向外遮陽節(jié)能效果分析

為降低室內(nèi)得熱量，一般采取建筑內(nèi)遮陽或建筑外遮陽的措施 ；建筑內(nèi)遮陽主要是減少太陽通過窗戶直射到室內(nèi)的熱量，建筑外遮陽一方面降低了太陽直射到室內(nèi)產(chǎn)生的熱量，另一方面也在一定程度上減小了外圍護(hù)結(jié)構(gòu)受太陽直射的熱量，但兩種方式都不能最大限度的降低得熱量。

目前大部分建筑一般不孤立存在，在建筑物東、西側(cè)都會存在其它建筑物，西向外建筑通過自身遮擋太陽直射東側(cè)建筑西墻，這樣就較大的降低了建筑室內(nèi)得熱量。合理的間距可以使房間在冬季接收最大輻射量，同時夏季避免太陽輻射峰值時直射西面墻體。

筆者選取合肥市某建筑樓層高度60米處的某房間西墻作為測試點，測試點在15點時被西南45度方向、高度為105m處建筑物遮擋，測試點與遮擋建筑物東墻的水平距離為32m左右，并對測試點處的溫度進(jìn)行采集。圖8是一般天氣下測試點在西向外建筑遮陽及未采取遮陽措施時溫度變化情況。

圖8　 一般天氣下西墻外表面溫度變化

由圖8可以看出在15：00左右測試點在西向外建筑遮陽后外壁溫度呈急劇下降趨勢，在未遮陽情況下外壁溫

度繼續(xù)持續(xù)上升，到16：00左右外壁溫度在兩種情況下溫差達(dá)到最大，為13℃左右；西側(cè)建筑阻止太陽輻射無法直射測試點，測試點處溫度降至37℃，此時內(nèi)外壁溫差較小，導(dǎo)熱熱阻一定，因此傳熱量較少，而測試點在未遮陽時溫度達(dá)到50℃，與內(nèi)壁溫差較大，傳熱量較大，通過在兩種情況下西墻外表面溫度變化情況分析知，采取西向外建筑遮陽節(jié)能效果明顯。

6　結(jié)論

（1）夏季西墻外表面溫度最高，為60℃左右，峰值出現(xiàn)在16：00左右；東墻次之，達(dá)到54℃，峰值出現(xiàn)在9：00左右；南墻最小，峰值為45℃，出現(xiàn)在13：00左右；

（2）西曬造成室內(nèi)過熱的原因是壁面溫度高，與室內(nèi)空氣溫差大，墻體本身存在蓄熱，主要以墻體傳熱為主；

（3）采用西向外建筑遮陽，壁溫下降明顯，傳熱量減小，節(jié)能效果明顯。

參考文獻(xiàn)

［1］李瑩瑩，廖勝明，饒政華.高層辦公建筑能耗影響因素的研究［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2013.32（3）：23-25.

［2］王慧想，張偉捷.建筑空調(diào)能耗與城市熱島效應(yīng)［J］.河北建筑科技學(xué)院學(xué)報，2004，21（1）：23-27.

［3］廖珍，程繼梅，徐堅.商場建筑能耗主要影響因素及節(jié)能分析［J］.節(jié)能技術(shù)，2001，19（107）：17-20.

［4］張繼良.傳統(tǒng)民居建筑熱過程研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2006.

［5］鄭海晨.綠色建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能策略［J］.建筑節(jié)能，2008，36（207）：30-32.

［6］王歡，曹馨雅，陳婷，等.內(nèi)外遮陽及建筑外窗對空調(diào)負(fù)荷的影響［J］.建筑節(jié)能，2009，37（226）：27-30.

［7］王甲春，閻培渝.外墻外保溫系統(tǒng)對室內(nèi)溫度和濕度影響［J］.低溫建筑技術(shù)，2004，98（2）：80-81.

［8］宋芳婷，江億.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［9］李謨彬，郭德平.夏熱冬冷地區(qū)建筑遮陽設(shè)計優(yōu)化［J］.建筑科學(xué)，2014，30（12）：93-97.

［10］GB50736-2012民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)解涉及［S］.北京：中國建筑工藝出版社，2012.

Research into the Effect Ofradiationon Heat Transfer Through Walls: A Case Study of Hefei

CHENG Haifeng，LIU Kai，HU Ning
（School of Environment and Energy Engineering，Anhui Jianzhu University，Hefei，230022，China）

Abstract：The heat transfer in the wall Envelope caused by solar radiation in Hefei in summer was studied in this paper. DB simulation has been used to get the variation trend of east-west outer surface temperature， Combining with the measured data， the cause of indoor overheat resulted by western exposure has been analyzed， then the Western architecturalshading outward measures to reduce the transfer ofheat to the indoor was put forward， and the energy saving effect of the shade wasqualitativelyanalyzed.

Keywords：solarradiation ；shadow ；outersurfacetemperature

作者簡介：程海峰（1966- ），男，教授級高級工程師，主要研究方向為暖通空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化與建筑節(jié)能。

基金項目：國家科技支撐計劃課題（2011BAJ03B04）；安徽省教育廳產(chǎn)學(xué)研重點項目（KJ2011A068）

收稿日期：2015-06-29

DOI:10.11921/j.issn.2095-8382.20160210

中圖分類號：TU201.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8382（2016）02-047-04