夏熱冬冷地區(qū)太陽(yáng)輻射對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗影響分析

羅松欽 楊昌智 李洪強(qiáng) 毛穎杰

摘要：為解決夏熱冬冷地區(qū)建筑熱工設(shè)計(jì)時(shí)，建筑物夏季要“擋”太陽(yáng)輻射、冬季要“用”太陽(yáng)輻射這一看似矛盾的問(wèn)題，采用理論推導(dǎo)與模擬計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，以夏熱冬冷氣候區(qū)內(nèi)典型建筑為研究對(duì)象，分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻體與屋頂）在不同設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，其內(nèi)外表面溫度變化及建筑冷熱負(fù)荷需求特性.研究結(jié)果表明：隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面材料太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)由0.9減小到0.3，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度明顯降低，其中外表面最高溫度最大降幅20.2 ℃（屋頂），平均溫度最大降幅6.9 ℃（屋頂），而內(nèi)表面溫度降幅不大；降低太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)，可以明顯降低建筑夏季冷負(fù)荷需求，對(duì)冬季熱負(fù)荷影響甚微；增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻體與屋頂）熱阻能夠降低建筑冬季熱負(fù)荷需求，并且熱阻與節(jié)能量近似呈線性關(guān)系，但其對(duì)降低夏季冷負(fù)荷的效果不如降低冬季熱負(fù)荷明顯，并且有“反節(jié)能”風(fēng)險(xiǎn).該研究可為夏熱冬冷氣候區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，夏季隔熱及全年綜合降低空調(diào)能耗問(wèn)題提供參考.

關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)輻射；建筑遮陽(yáng)；建筑防熱；建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)；夏熱冬冷

中圖分類(lèi)號(hào)：TU111文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Analysis on the Influence of Solar Radiation on Building Envelope Energy Consumption in Hot Summer and Cold Winter Zone

LUO Songqin1，2， YANG Changzhi1， LI Hongqiang1， MAO Yingjie3

（1.College of Civil Engineering， Hunan University， Changsha 410082， China； 2. College of Architecture， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410076， China； 3. Hunan University Design Institute Co Ltd， Changsha 410082， China）

Abstract： Considering the solar radiation， generally “blocking” in summer and “receiving” in winter for buildings thermal design in hot summer and cold winter zone in China， which should be solute d simultaneously. In this paper， the typical building in hot summer and cold winter zone was analyzed from ways of theoretical， simulation and experiment， in order to obtain the effect of different envelope design parameters on internal and external surface temperature changes and heat/cold load demand. The results shown that： with the solar radiation absorption coefficient decreasing from 0.9 to 0.3， the external surface temperatures of envelopes are reduced significantly， and the largest declines of the maximum temperature and the average temperature are respectively 20.2 degrees and 6.9 degrees （roofs） respectively， however， there is no change of the internal surface temperatures. By reducing the solar radiation absorption coefficient， building cooling load demand in summer can be reduced largely， and nearly no effect on heating load in winter. The building heating load in winter can be reduced by increasing the thermal resistance of walls and roofs， and the thermal resistance and energy savings are approximately linear， but the effect of the thermal resistance on building cooling load is less than building heating load and there are “Anti-saving” risks. This study is valuable， and will be helpful to design building envelopes and heat insulation， so as to realize energy consumption reduction of the air conditioning in the whole year in hot summer and cold winter zone.

Key words： solar radiation； building shading； building thermal protection； building envelope；hot summer and cold winter

夏熱冬冷地區(qū)建筑熱工設(shè)計(jì)的原則是：必須滿足夏季防熱要求，適當(dāng)兼顧冬季保溫[].可見(jiàn)在夏熱冬冷地區(qū)防熱“重于”保溫.然而，由于夏熱冬冷地區(qū)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)很大程度上借鑒了北方采暖地區(qū)的現(xiàn)有技術(shù)體系[]，再加上相關(guān)規(guī)范的影響，該地區(qū)建筑設(shè)計(jì)在實(shí)踐中重保溫、輕防熱，導(dǎo)致外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫材料越來(lái)越厚，窗戶選型標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高.如最新版本《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2015）對(duì)夏熱冬冷地區(qū)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合傳熱系數(shù)K值、熱惰性指標(biāo)D值及窗戶太陽(yáng)得熱系數(shù)SHGC值做出了明確規(guī)定，且高于舊節(jié)能規(guī)范規(guī)定值[].調(diào)查顯示，新版《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2015）實(shí)施前后，湖南地區(qū)公共建筑屋頂保溫層厚度平均增加40%以上，外墻保溫層厚度平均增加30%以上，外窗選型普遍由普通型材窗框低輻射中空玻璃轉(zhuǎn)為隔熱型材窗框低輻射中空玻璃.這些轉(zhuǎn)變固然對(duì)降低建筑冬季能耗有利，但風(fēng)險(xiǎn)也在增加：1）成本增加，保溫材料性價(jià)比降低[-].2）施工難度加大，保溫材料易脫落、開(kāi)裂，因此墻體大多采用內(nèi)保溫系統(tǒng)，占用室內(nèi)使用面積，影響室內(nèi)二次裝修.3）保溫材料過(guò)厚，夏季“反節(jié)能”[-]風(fēng)險(xiǎn)增加，不利于節(jié)能及防熱.

《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—2016）明確指出：屋頂及墻體在圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱設(shè)計(jì)時(shí)宜采用淺色外飾面[1].《2017中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告》指出：夏熱冬冷地區(qū)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能重要性的要求是“遮陽(yáng)>通風(fēng)>保溫>氣密”[].遮陽(yáng)及采用淺色飾面的最終目的均是減少建筑對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收，太陽(yáng)輻射是建筑得熱的主要途徑之一，減少建筑外表面對(duì)太陽(yáng)輻射熱的吸收是避免室內(nèi)過(guò)熱，降低夏季空調(diào)能耗的重要途徑.然而現(xiàn)行的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于建筑物非透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)遮陽(yáng)及外表面熱工性能指標(biāo)卻無(wú)明確要求，致使建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐中對(duì)此重視不足.不利于建筑節(jié)能工作的準(zhǔn)確開(kāi)展.

目前夏熱冬冷地區(qū)有關(guān)遮陽(yáng)的研究多集中在透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如楚洪亮等[]研究了上海某建筑南向外窗采用不同類(lèi)型遮陽(yáng)設(shè)施的節(jié)能效果，彭小云等[]通過(guò)搭建建筑遮陽(yáng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)建筑遮陽(yáng)效果進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量.其研究結(jié)果均表明：對(duì)透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行遮陽(yáng)能夠有效地防止太陽(yáng)輻射，降低能耗.陳友明等[]研究了雙層皮幕墻內(nèi)置遮陽(yáng)百葉傾角，得出了長(zhǎng)沙地區(qū)DSF遮陽(yáng)百葉最佳傾角及范圍.對(duì)非透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)的研究多集中在隔熱反射涂料的效果與性能，如郭衛(wèi)琳等[]研究了熱反射隔熱涂料對(duì)墻體的節(jié)能實(shí)效，結(jié)果表明有隔熱涂料的外墻面與無(wú)隔熱涂料的墻面相比最大降溫幅度可達(dá)9～10 ℃，能有效減少東、南、西三面墻體導(dǎo)熱量，降溫效果極為顯著.許錦峰等[]對(duì)隔熱涂料對(duì)墻體溫度的影響進(jìn)行實(shí)測(cè)，得出了類(lèi)似的結(jié)論.付衡等[]研究得出：不同構(gòu)造的外墻采取遮陽(yáng)措施，減小外表面太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)對(duì)降低外墻內(nèi)表面溫度及降低空調(diào)能耗有不同程度的影響.李英等[]研究了北京地區(qū)墻體表面特性對(duì)空調(diào)能耗的影響，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)輻射熱的吸收系數(shù)越大越有利于減少采暖能耗，但會(huì)增大空調(diào)能耗，表面黑度增加有利于減少采暖和空調(diào)能耗.在北京地區(qū)選用太陽(yáng)輻射熱吸收系數(shù)大和黑度大的表面材料有利于建筑節(jié)能.于靖華等[]考慮太陽(yáng)輻射因素，從經(jīng)濟(jì)性角度研究了不同外表面顏色墻體保溫的最佳厚度，表明不同朝向的外墻，其保溫材料宜采用不同厚度；外表面為深色的東北向外墻采用最佳厚度保溫層帶來(lái)的壽命周期收益最大，淺色的南墻最小.

針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)太陽(yáng)輻射，夏季要“擋”、冬季要“用”的問(wèn)題，如何判定建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣尤為重要.對(duì)于空調(diào)建筑，可從建筑能耗指標(biāo)進(jìn)行判定；對(duì)于非空調(diào)建筑，需從室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行分析，并可通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度間接反映室內(nèi)熱環(huán)境狀況.

本文主要采用理論推導(dǎo)和模擬計(jì)算方法，以夏熱冬冷氣候區(qū)內(nèi)典型建筑為研究對(duì)象，研究了太陽(yáng)輻射對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗及室內(nèi)熱環(huán)境的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了屋頂及墻體遮陽(yáng)效果，可為夏熱冬冷地區(qū)建筑熱環(huán)境的設(shè)計(jì)提供參考.

1 理論計(jì)算模型

依據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—2016）附錄C.3的規(guī)定，隔熱設(shè)計(jì)時(shí)，外墻、屋面內(nèi)表面溫度應(yīng)采用一維非穩(wěn)態(tài)方法計(jì)算，并應(yīng)按房間的運(yùn)行工況確定相應(yīng)的邊界條件.建立常物性、無(wú)內(nèi)熱源的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的內(nèi)部微分方程（如式（1）所示），微分方程的求解可采用有限差分法[]：

tτ=α2tx2. （1）

式中：t/τ為溫度對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，℃/s；α為材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s； x為至邊界距離，m.

建立第三類(lèi)邊界條件隱式差分格式邊界節(jié)點(diǎn)方程如式（2）所示：

-λΔxtk1-tk2+αtkf-tk2 +ρIk=Cp ρΔx2 · tk1-tk-11Δτ. （2）式中：Cp為材料的定壓比熱，J/（kg·K）；ρ為材料的密度，kg/m3；Δx為差分步長(zhǎng)，m；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；tk1、tk2、tkf、tk-11為各節(jié)點(diǎn)溫度，℃；Δτ為時(shí)間步長(zhǎng)，s.

按式（3）列出各內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和邊界點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)方程，并求解節(jié)點(diǎn)方程組得到外墻、屋頂內(nèi)表面溫度值.

式中：ti為差分節(jié)點(diǎn)溫度值，℃；αij為材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；tj為節(jié)點(diǎn)溫度值，℃；ci為修正參數(shù).

邊界條件（第三類(lèi)邊界條件）按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—2016）規(guī)定取值.夏季室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度取為26 ℃，室內(nèi)側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)為8.7 W/（m2 ？偊b K），室外側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)為19.0 W/（m2 ？偊b K）.室外空氣逐時(shí)溫度，表面法向太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度，包括直射輻射和散射輻射，按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—2016）提供的氣象數(shù)據(jù)取用，外表面太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)根據(jù)具體工程構(gòu)造取值.本文進(jìn)行隔熱計(jì)算時(shí)采用的斯維爾節(jié)能軟件即采用該理論計(jì)算模型.

2 模擬分析建筑模型

本文建立了兩個(gè)模型建筑，均位于長(zhǎng)沙地區(qū).模型A為假想建筑，其長(zhǎng)寬高均為3 m，無(wú)門(mén)窗無(wú)內(nèi)熱源.以便更直觀地對(duì)比分析建筑各向墻體及屋頂受太陽(yáng)輻射的影響.通過(guò)斯維爾軟件模擬，計(jì)算了各朝向墻體及屋頂在不同外表面太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)下，其內(nèi)外表面溫度及冷熱負(fù)荷指標(biāo)的變化.

模型B為1棟6層實(shí)際公共建筑，建筑面積5 819 m2，建筑高度24.6 m，模擬計(jì)算時(shí)無(wú)內(nèi)熱源.建筑計(jì)算模型如圖1所示，通過(guò)模擬，計(jì)算了各朝向墻體在不同外表面太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)及傳熱系數(shù)下，其冷熱負(fù)荷指標(biāo)的變化

根據(jù)長(zhǎng)沙地區(qū)氣候特征：將夏季空調(diào)制冷時(shí)段定為6月15日至9月15日，冬季供暖時(shí)段定為11月15日至第二年2月15日.夏季空調(diào)房間設(shè)計(jì)溫度26 ℃，冬季空調(diào)房間設(shè)計(jì)溫度18 ℃，不考慮新風(fēng)負(fù)荷.室外計(jì)算參數(shù)采用長(zhǎng)沙地區(qū)典型日氣象參數(shù)[]見(jiàn)表1.

3模擬計(jì)算結(jié)果及分析

3.1不同太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)對(duì)屋頂及墻體內(nèi)外表面溫度的影響.

為分析太陽(yáng)輻射對(duì)建筑屋頂及外墻內(nèi)外表面溫度的影響，由模型建筑A計(jì)算了太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)ρs分別為0.3（淺色）、0.6（中間色）、0.9（深色）時(shí)，屋頂及外墻各內(nèi)外表面的溫度值.其中屋頂傳熱系數(shù) K=0.9 W/（m2 ？偊b K），熱惰性指標(biāo)D=3.0；外墻傳熱系數(shù)K=1.0 W/（m2 ？偊b K），熱惰性指標(biāo)D=2.5.計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3及表2所示.

從以上結(jié)果可看出：1）隨太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)由0.9到0.3，空調(diào)房間屋頂及各向外墻外表面溫度均有明顯下降，其中外表面最高溫度最大降幅20.2 ℃（屋頂），最小降幅5.0 ℃（北墻），外表面平均溫度最大降幅6.9 ℃（屋頂），最小降幅2.5 ℃（北墻）.2）無(wú)論空調(diào)房間還是自然通風(fēng)房間，隨太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)改變，屋頂及墻體內(nèi)表面溫度變化較小，其最高溫度降幅為0.3～1.3 ℃，其平均溫度降幅為0.2～1.0 ℃.分析其中原因，內(nèi)表面溫度受室內(nèi)氣溫影響較大，外表面太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)改變對(duì)屋頂及墻體內(nèi)表面溫度影響不明顯.3）空調(diào)房間內(nèi)表面溫度變化幅度略大于自然通風(fēng)房間，說(shuō)明太陽(yáng)輻射對(duì)空調(diào)房間影響較大.太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)越小，空調(diào)房間內(nèi)表面溫度波動(dòng)越小且越接近室內(nèi)空氣溫度，有利于保障室內(nèi)氣溫穩(wěn)定及減小冷負(fù)荷.

3.2不同太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)時(shí)屋頂及外墻隔熱設(shè)計(jì)

《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—2016）對(duì)夏熱冬冷地區(qū)屋頂及外墻隔熱檢查提出了具體要求：在給定兩側(cè)空氣溫度及變化規(guī)律的情況下，屋頂及外墻內(nèi)表面最高溫度應(yīng)符合相應(yīng)數(shù)值要求[1]，該數(shù)值由建筑所處地理位置以及是否為空調(diào)房間決定.經(jīng)查，長(zhǎng)沙地區(qū)空調(diào)房間屋頂及墻體內(nèi)表面溫度最高限值分別為28.5 ℃及28.0 ℃；自然通風(fēng)房間屋頂及墻體內(nèi)表面溫度最高限值為40.4 ℃.圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱檢查結(jié)果與圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)及熱惰性指標(biāo)有關(guān)，而與計(jì)算建筑模型無(wú)關(guān)，本文由建筑模型B計(jì)算了在不同太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)下屋頂（熱惰性指標(biāo)D=3.0）及外墻（熱惰性指標(biāo)D=2.5）內(nèi)表面溫度與傳熱系數(shù)之間的關(guān)系，以提供滿足隔熱檢查的參考數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5及表3所示.

從以上結(jié)果可看出：1）無(wú)論空調(diào)房間還是自然通風(fēng)房間，當(dāng)屋頂及外墻表面材料采用較低的太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)時(shí)，屋頂及墻體可在較大傳熱系數(shù)范圍內(nèi)通過(guò)隔熱檢查.對(duì)于空調(diào)房間，當(dāng)太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)取0.3時(shí)，屋頂綜合傳熱系數(shù)須小于1.6 W/（m2 ？偊b K），外墻綜合傳熱系數(shù)須小于1.1 W/（m2 ？偊b K），而當(dāng)太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)為0.9時(shí)，屋頂綜合傳熱系數(shù)須降至0.8 W/（m2 ？偊b K）以下，外墻須降至0.7 W/（m2 ？偊b K）以下.2）自然通風(fēng)房間隔熱檢查標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)低于空調(diào)房間，當(dāng)太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)不大于0.6時(shí)，屋頂綜合傳熱系數(shù)小于1.8 W/（m2 ？偊b K），外墻綜合傳熱系數(shù)小于1.5 W/（m2 ？偊b K）即可通過(guò)隔熱檢查.

3.3不同太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)時(shí)空調(diào)冷熱負(fù)荷指標(biāo)

為定量分析屋頂及外墻冷熱負(fù)荷與太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)及傳熱系數(shù)之間的關(guān)系，計(jì)算了太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)分別為0.3（淺色）、0.6（中間色）、0.9（深色）時(shí)及不同傳熱系數(shù)下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的空調(diào)冷熱負(fù)荷，其結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示.其中圖6為模型A在外墻傳熱系數(shù)為1.0 W/（m2 ？偊b K）時(shí)，不同太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)時(shí)各朝向外墻冷負(fù)荷占?jí)w總冷負(fù)荷的百分比.從圖中可看出：東西朝向墻體冷負(fù)荷相當(dāng)，且大于南北朝向墻體，東西朝向墻體冷負(fù)荷比南北朝向墻體冷負(fù)荷約高4.5%～8.7%，南向墻體冷負(fù)荷略大于北向墻體；隨著太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)的增大，東西向墻體冷負(fù)荷占比同步增加，南北向墻體冷負(fù)荷占比同步減少，由此可知，東西朝向墻體受太陽(yáng)輻射的影響要大于南北朝向墻體.

圖7、圖8分別為模型A和模型B墻體冷熱負(fù)荷指標(biāo)隨太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)及傳熱系數(shù)的變化情況.從圖中可看出：1）改變太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)對(duì)墻體熱負(fù)荷指標(biāo)影響很小，而對(duì)冷負(fù)荷指標(biāo)影響明顯，且熱阻越小影響越大.太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)從0.9到0.3，模型A熱負(fù)荷指標(biāo)最大增幅2.5%，冷負(fù)荷指標(biāo)最小降幅56.1%；模型B熱負(fù)荷指標(biāo)最大增幅1.9%，冷負(fù)荷指標(biāo)最小降幅2.1%，最大降幅6.9%. 2）改變傳熱系數(shù)對(duì)墻體冷熱負(fù)荷指標(biāo)均有影響，模型A顯示傳熱系數(shù)對(duì)冷熱負(fù)荷指標(biāo)的影響相當(dāng).模型B計(jì)算結(jié)果表明，傳熱系數(shù)對(duì)熱負(fù)荷指標(biāo)的影響比冷負(fù)荷指標(biāo)大得多.隨傳熱系數(shù)減小，熱負(fù)荷指標(biāo)減小，兩者呈近線性關(guān)系，而冷負(fù)荷指標(biāo)雖然也降低，但幅度比熱負(fù)荷指標(biāo)平緩得多，且在傳熱系數(shù)為0.4時(shí)，冷負(fù)荷指標(biāo)明顯增加，出現(xiàn)了“反節(jié)能”現(xiàn)象.盡管傳熱系數(shù)為0.4時(shí)出現(xiàn)“反節(jié)能”現(xiàn)象僅限于該算例，尚不能外推至其他建筑物，但說(shuō)明增大熱阻并不必然降低夏季冷負(fù)荷指標(biāo).相關(guān)研究也表明：“外墻外保溫出現(xiàn)了增加全年制冷能耗的反節(jié)能現(xiàn)象”[].文獻(xiàn)[4-7]也說(shuō)明墻體屋頂傳熱系數(shù)并非越小越好.因此，從降低冬季熱負(fù)荷指標(biāo)考慮，可采用較小的傳熱系數(shù)，在一定范圍內(nèi)效果明顯；從降低夏季冷負(fù)荷指標(biāo)考慮，應(yīng)采用較小太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)的材料.

4 墻體遮陽(yáng)效果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證以上理論及軟件模擬計(jì)算的結(jié)論，本文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試.由室外綜合溫度的定義及計(jì)算公式可知：通過(guò)改變外墻的太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)或采取措施遮擋太陽(yáng)輻射均可改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的室外綜合溫度，因而本測(cè)試采取了屋頂及墻體遮陽(yáng)的方法進(jìn)行實(shí)測(cè)檢驗(yàn).

建造兩間相同的測(cè)試房間如圖9所示，房間尺寸為2.7 m×2.1 m×2.5 m，無(wú)窗，表面涂料為深灰色，屋頂、外墻均采用100 mm厚擠塑聚苯板進(jìn)行保溫隔熱，并安裝了相同的分體式空調(diào)進(jìn)行室內(nèi)溫度控制.其中一間房間采用遮陽(yáng)布對(duì)屋頂及墻體進(jìn)行了遮擋，另一間不遮擋.分別選取1月份及7月份進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試日均為晴天，并分開(kāi)啟空調(diào)和不開(kāi)啟空調(diào)兩種工況.逐時(shí)記錄了室外空氣溫度tw、室內(nèi)空氣溫度tn、屋頂及墻體外表面溫度θw、內(nèi)表面溫度θn及空調(diào)耗電量Q.測(cè)試結(jié)果如圖10、圖11、圖12及表4所示.

根據(jù)實(shí)測(cè)室外氣溫及測(cè)試房間屋頂及墻體熱工參數(shù)，通過(guò)模擬計(jì)算出屋頂及墻體外表面溫度及室內(nèi)氣溫，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，南北墻外表面溫度實(shí)測(cè)值與模擬值吻合度較高，為使圖面清晰，圖13中未予以顯示.對(duì)比結(jié)果如圖13、圖14及表5所示.從對(duì)比結(jié)果可看出：屋頂及墻體外表面溫度和室內(nèi)氣溫的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合度較高，其溫度平均值及溫度最大值誤差率均小于6%.說(shuō)明模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較一致.

5 結(jié)論

針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)太陽(yáng)輻射，夏季要“擋”、冬季要“用”的問(wèn)題，如何判定建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣尤為重要.本文采用理論推導(dǎo)及模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的研究手段，以夏熱冬冷氣候區(qū)內(nèi)典型建筑為研究對(duì)象，分析了冬、夏兩季太陽(yáng)輻射對(duì)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱特性的影響規(guī)律，進(jìn)而分析了太陽(yáng)輻射在不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)下，室內(nèi)熱環(huán)境及冷熱負(fù)荷需求特性.并得出以下結(jié)論：

1）增大熱阻對(duì)降低屋頂和墻體的冬季熱負(fù)荷指標(biāo)效果明顯，兩者近似呈線性關(guān)系，當(dāng)熱阻增大至某值后，效果減弱.而熱阻增大對(duì)屋頂和墻體夏季冷負(fù)荷指標(biāo)的降低則效果不如熱負(fù)荷明顯，并且有“反節(jié)能”風(fēng)險(xiǎn)存在.

2）降低太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)不僅能顯著降低屋頂和墻體外表面溫度，還能較大幅度地降低其夏季冷負(fù)荷指標(biāo)，而對(duì)于屋頂和墻體的冬季熱負(fù)荷指標(biāo)，則影響很小.從降低夏季冷負(fù)荷指標(biāo)及全年空調(diào)能耗考慮，應(yīng)采用較小太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)的材料.

3）采用較小太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)的材料可使屋頂及墻體在較大熱阻范圍內(nèi)通過(guò)隔熱檢查.

參考文獻(xiàn)