基于標(biāo)準(zhǔn)氣象日的南墻太陽輻射凈得熱總量預(yù)測模型研究

李劍琨， 張紅嬰， 呂銀嬌， 成曉霞， 費華

(江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院, 江西贛州341000)

引言

化石能源的消耗使其日趨枯竭、同時帶來了嚴(yán)重的環(huán)境惡化問題。太陽能是一種相對無限且清潔的能源，合理利用太陽能可以很好地解決能源匱乏的問題。建筑用能屬于分散型能耗，建筑圍護結(jié)構(gòu)的外表面暴露在太陽光的直接照射下，成為太陽輻射的直接接受面。分散型能源和建筑有效的結(jié)合促成了建筑太陽輻射的被動利用[1]。

世界各國研究者均將太陽能被動利用作為實現(xiàn)建筑節(jié)能的重要手段并進行了相關(guān)的研究工作。Yang 等人[2]用離散傳輸輻射模型(Discrete Transmission Radiation Model，DTRM)，模擬了建筑受陽光照射時，圍護結(jié)構(gòu)外表面溫度、熱通量的變化情況，以及其對市區(qū)熱環(huán)境產(chǎn)生的影響。李恩等人[3-4]研究分析了拉薩市的直接受益式住宅建筑，建立起建筑的熱環(huán)境模型，研究了在冬季太陽輻射作用下，拉薩地區(qū)各個朝向建筑圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的變化情況。張君等人[5]運用有限差分法，在考慮太陽輻射以及環(huán)境溫度變化的情況下，建立了建筑圍護結(jié)構(gòu)溫度場的數(shù)值模型，計算出北京市保溫墻體的溫度場變化。鄒曉泉等人[6]通過軟件模擬分析了冬季風(fēng)向和風(fēng)速對不同保溫形式建筑南墻的對流換熱系數(shù)、外表面溫度和日輻射凈得熱總量的影響。劉大龍等人[7]研究分析了青藏高原冬季情況下，輻射和海拔高度等因素對建筑能耗的影響，發(fā)現(xiàn)相對于海拔高度，輻射因素從根本上決定了建筑的能耗情況。劉大龍等人[8]還分析了氣象參數(shù)對建筑能耗靈敏度的影響。王曉騰等人[9]通過Fluent軟件，利用數(shù)值模擬的方法，對上海地區(qū)冬季時，建筑南墻在太陽輻射的作用情況下，室內(nèi)以及室外的空氣溫度和太陽輻射持續(xù)天數(shù)等因素對圍護結(jié)構(gòu)具體傳熱過程的影響進行了研究。上述研究主要集中在對建筑冬季太陽能的被動利用上，而在中國夏熱冬冷地區(qū)，圍護結(jié)構(gòu)吸收的太陽輻射能除了能減少冬季的供暖負荷外，也將對夏季圍護結(jié)構(gòu)傳熱負荷造成很大影響，但前人關(guān)于這方面的研究報道甚少。

本文以夏熱冬冷地區(qū)的典型城市南昌為例，計算標(biāo)準(zhǔn)氣象日條件下，南墻全年實際吸收的太陽輻射量，并擬合出南墻太陽輻射凈得熱總量隨時間變化的數(shù)學(xué)模型，為合理利用和調(diào)控夏熱冬冷地區(qū)太陽能提供理論基礎(chǔ)和規(guī)劃建議。

1數(shù)值計算方法

1.1數(shù)學(xué)和物理模型

模擬采用Fluent 14.0軟件作為基本的計算程序。為了得到簡易且可信的模擬結(jié)果，在模擬計算的過程中設(shè)建筑周邊的流場保持穩(wěn)定不變。計算域流場的具體控制方程如參考文獻[10]所示，輻射傳輸采用離散坐標(biāo)(Discrete Ordinates，DO)模型，其輻射傳輸模型和傳熱過程控制方程參見文獻[11-12]中所示。

根據(jù)建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)手冊中提供的數(shù)據(jù)[13]，采用南昌市(東經(jīng)115.89°，北緯28.68°)全年的標(biāo)準(zhǔn)氣象日的氣象參數(shù)作為模擬和分析的基礎(chǔ)和背景。由于文獻[13]中只提供了1、3、5、7、9和11這6個月間標(biāo)準(zhǔn)氣象日的具體氣象參數(shù)，因此，根據(jù)文獻[14]中提供的方法，選取了2、4、6、8、10和12這6個月的氣象標(biāo)準(zhǔn)日來作為剩余月份模擬和分析的基礎(chǔ)。本文著重分析奇數(shù)月氣象標(biāo)準(zhǔn)日的建筑南墻外表面溫度和傳熱情況。

本文的建筑模型尺寸設(shè)置為20 m×20 m×15 m(長×寬×高)，建筑模型如圖1(a)所示。

圖1建筑模型和計算域(單位：m)

根據(jù)南昌地區(qū)建筑特點，模型建筑的南墻厚度取為0.26 m，由三層組成，墻體從室外到室內(nèi)依次為水泥砂漿，240多孔磚，水泥砂漿。南墻材料的具體參數(shù)以及厚度都列于表1[15]。為了可以清楚了解南墻受太陽輻射影響下的各典型表面的溫度及傳熱通量的變化趨勢，根據(jù)等分的原則將南墻從室外到室內(nèi)分成3層，形成了4個典型面，各典型表面與南墻外表面的距離l分別為0 m、0.1 m、0.2 m和0.3m，各典型面相應(yīng)的分別以“l(fā)=0 m”、“l(fā)=0.1 m”、“l(fā)=0.2 m”、“l(fā)=0.3 m”表示。

表1墻體材料

1.2邊界條件和初始條件

考慮到建筑圍護結(jié)構(gòu)附近的地表會對太陽輻射造成反射，而這些反射則會對建筑圍護結(jié)構(gòu)的外表面造成一定的影響，因此將建筑圍護結(jié)構(gòu)周圍10 m范圍內(nèi)的地表設(shè)置為夯實土壤。通過對地表進行熱平衡分析，發(fā)現(xiàn)地表溫度除了與太陽輻射強度、室外空氣溫度和建筑外表面溫度有關(guān)外，還與地表下面的土壤溫度有關(guān)。根據(jù)文獻[16]計算得出南昌市土壤恒溫層的深度約為15 m，表明地下15 m左右處的位置土壤溫度全年保持不變。因為在數(shù)值模擬計算時，隨著土壤厚度的增大，模擬計算的成本也越大。而且，根據(jù)文獻[17-20]可知地表以下0.8 m處土壤各月溫度變化幅度范圍很小，因此將建筑圍護結(jié)構(gòu)附近的地面土壤厚度設(shè)為0.8 m，用各月室外空氣平均溫度來代替土壤的底部溫度。

參照文獻[11]將數(shù)值模擬的計算域設(shè)置為245 m× 170 m×90 m(長×寬×高)，計算域如圖1(b)所示。

將模擬的計算域入口設(shè)置為速度入口，根據(jù)文獻[12]中所提供的氣象參數(shù)等數(shù)據(jù)，入口的風(fēng)速取南昌市(1、3、5、7、9、11月)6個不同月份標(biāo)準(zhǔn)氣象日的氣象參數(shù)[13]中的實時風(fēng)速。室外空氣溫度T取南昌市6個不同月份標(biāo)準(zhǔn)氣象日的氣象參數(shù)[13]中實時空氣溫度。

太陽輻射強度I采用南昌市1、3、5、7、9、11月間標(biāo)準(zhǔn)氣象日中南墻外表面輻射強度的逐時值[13]，如圖2所示。

圖2南昌標(biāo)準(zhǔn)日室外逐時空氣溫度及逐時太陽輻射強度

計算區(qū)域出口處的流場被視作充分發(fā)展的湍流，基于此，將該計算區(qū)域流進與流出的質(zhì)量流率設(shè)置為相同，所以將計算域出口定義為速度出口。將計算區(qū)域的上下兩面都設(shè)置為絕熱且無滑移的表面，而將計算區(qū)域左右兩側(cè)的面設(shè)置為對稱面，建筑模型圍護結(jié)構(gòu)外表面同樣設(shè)置為無滑移表面，且外表面的輻射吸收系數(shù)設(shè)置為0.65。由軟件Fluent 14.0中的自帶程序來計算太陽輻射方向與高度角的具體信息，同時太陽輻射的方向與高度角每一個時間步長自動更新一次。模擬計算采用非穩(wěn)態(tài)算法，一個時間步長為90 s。

因為空調(diào)對溫度的控制，夏季室內(nèi)的空氣溫度恒為25 ℃，冬季室內(nèi)的空氣溫度恒為16 ℃。而春秋室內(nèi)的空氣溫度則認(rèn)為是20 ℃。為獲得真實可靠的模擬結(jié)果，在整個模擬研究過程中，對建筑物理模型做了適當(dāng)?shù)募僭O(shè)和簡化：假設(shè)當(dāng)模擬計算開始時，整個計算區(qū)域熱環(huán)境就已經(jīng)達到了平衡狀態(tài)；假設(shè)空氣對太陽輻射來說是透明的，而對長波輻射則是非透明的；地面和建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面對太陽輻射則是不透明的。

1.3數(shù)值計算方法驗證

已有的研究中與本文的模擬計算區(qū)域特征最為相近的為Gómez等人[22]所做的實測及模擬結(jié)果。因此本文利用文獻[22]所用的湍流和輻射模型進行模擬計算，并將模擬的結(jié)果與實測的結(jié)果進行對比，以此來證明選取的湍流和輻射模型的準(zhǔn)確可信。同時，還將數(shù)值模擬結(jié)果與文獻[22]進行比較。南墻外表面溫度模擬值與文獻實測及模擬結(jié)果的比較如圖3所示。

圖3南墻外表面溫度模擬值與文獻實測及模擬結(jié)果的比較

從圖3可知，本文利用數(shù)值模擬得出的結(jié)果在很長時間內(nèi)都要比文獻[22]中的溫度模擬計算值更貼近于實際值。因此，本文建立的計算流體動力學(xué)(Compu- tational Fluid Dynamics，CFD)模型用于研究陽光照射下建筑的傳熱特性方面是可信的，可以用于后續(xù)的相似研究。

2結(jié)果和討論

要定量的分析建筑圍護結(jié)構(gòu)太陽輻射能的吸收情況與傳熱特征，就必須建立熱平衡方程[23-24]。

太陽輻射作用下，南墻外表面的熱平衡關(guān)系為：

q3n τ=q1n τ-q2nτ

(1)

式中，q1nτ、q2nτ、q3nτ分別為月份為n(n=1，3，5，7，9，11)時，τ時刻的單位面積南墻吸收的熱量、散發(fā)到室外的熱量、南墻外表面的傳熱通量，W/m2。

q1nτ=β(Idnτ+Irnτ)

(2)

式中，Idnτ、Irnτ分別為n月份的τ時刻的南墻外表面的太陽直射輻射、散射輻射強度，W/m2。β是南墻外表面的太陽輻射吸收系數(shù)，為0.65。

q2nτ=(αc+ατ)(trnτ-taτ)

(3)

式中，trnτ為n月份的τ時刻的南墻外表面溫度，℃；taτ為τ時刻室外空氣溫度，℃；ac、aτ為對流熱交換系數(shù)、長波輻射換熱系數(shù)。

除南墻外表面外，其他各典型表面?zhèn)鳠嵊嬎闳绻?所示。

(4)

式中，i=1,2；λ是建筑外圍護結(jié)構(gòu)材料的導(dǎo)熱系數(shù)，為0.504，W/m2；Ti為典型表面i的平均溫度，℃。

2.1建筑南墻各典型表面平均溫度隨時間變化的趨勢

根據(jù)文獻[23-24]中熱平衡方程(1)-(4)的關(guān)系可知，建筑南墻實際吸收的太陽輻射能不僅與太陽輻射吸收系數(shù)和換熱系數(shù)有關(guān)，而且還與南墻外表面的溫度有關(guān)。根據(jù)模擬計算結(jié)果得到南昌地區(qū)各月標(biāo)準(zhǔn)氣象日南墻內(nèi)部各典型表面在典型時刻的平均溫度，如圖4所示。

圖4各月標(biāo)準(zhǔn)氣象日典型時刻南墻各典型表面平均溫度

由圖4可知，在各月標(biāo)準(zhǔn)日的相同時刻，建筑南墻各典型表面的溫度并不相同。其中夏季7、9兩個月的各典型面的溫度明顯要高于冬季1月以及春秋兩季各典型面的溫度，其中7月最高而1月最低。這是由于5、7、9這三個月室外的太陽輻射量要明顯多于1、3、11這三個月，因此建筑夏季周圍的環(huán)境溫度也要明顯高于冬季，而南墻外表面受到對流換熱的影響，導(dǎo)致夏季各典型表面的溫度更高。南墻內(nèi)各典型表面從室外到室內(nèi)，溫度逐漸降低。這是由于建筑南墻外表面直接受太陽輻射的影響，溫度變化最為劇烈。由于圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱性和延時性，南墻外表面接收的太陽輻射能，一部分通過對流與輻射換熱，向周邊環(huán)境散失了，另一部分則蓄集在該層圍護結(jié)構(gòu)中，只有很少的一部分向室內(nèi)傳導(dǎo)。

2.2建筑南墻不同月份各典型面?zhèn)鳠嵬孔兓闆r

根據(jù)公式(1)～(4)和模擬計算結(jié)果，統(tǒng)計各標(biāo)準(zhǔn)日南墻各典型表面?zhèn)鳠嵬康闹饡r值，如圖5所示。圖中假設(shè)熱量從南墻外側(cè)傳入內(nèi)側(cè)為傳熱的正方向，熱量從內(nèi)側(cè)傳向外側(cè)是負方向。

圖5各月標(biāo)準(zhǔn)氣象日南墻各典型表面的傳熱通量

由圖5可知，南昌地區(qū)一年各月標(biāo)準(zhǔn)氣象日中，由于南墻外表面直接受太陽輻射和對流換熱的影響，不同月份外表面的熱通量有一定差距。其中11月的外表面熱通量最大，而5月外表面的熱通量最小。這是由于夏季時，太陽直射北半球，建筑南墻受到的太陽直射輻射很少，大部分為散射輻射，使得南墻受到的太陽輻射量很少。冬季因為太陽直射南半球，因此南墻直接受到太陽的直射輻射和散射輻射，導(dǎo)致南墻受到的的太陽輻射量較大，因此冬季南墻受到的太陽輻射量要大于夏季。雖然南墻外表面對流換熱會散失一部分熱量，但遠小于太陽輻射得熱量。太陽輻射依然是決定圍護結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)鳠嵬康闹匾蛩?。由于圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱性和傳熱的延時性，各月南墻內(nèi)表面l=0.1 m、l=0.2 m、l=0.3 m的傳熱量最大值出現(xiàn)的時間較相同月份外表面l=0 m的傳熱通量有一定推遲，且從室外到室內(nèi)，不同月份相同典型表面?zhèn)鳠嵬恐g的大小差異越來越小。

2.3建筑南墻日凈得熱總量周期性變化模型

利用南墻的蓄熱性能來進行太陽能被動利用設(shè)計是工程實踐中的常用做法。在北方地區(qū)，由于冬季寒冷且夏季氣溫也不會太高，因此只側(cè)重南墻冬季太陽能的被動利用，而南昌屬于夏熱冬冷地區(qū)，因此在冬季利用南墻蓄積太陽能的同時，必須注意南墻的夏季防熱及其對全年建筑能耗的影響，所以應(yīng)明確不同時間內(nèi)南墻對投射到其外表面的太陽輻射能的實際吸收量。

全年各月的標(biāo)準(zhǔn)日從上午5∶00到次日5∶00，將這24個小時內(nèi)建筑南墻外表面的熱通量隨時間進行積分，可以得出一天時間內(nèi)建筑南墻太陽輻射凈得熱總量，計算見公式(5)。

(5)

式中Q3為標(biāo)準(zhǔn)日一天時間內(nèi)建筑南墻外表面的太陽輻射凈得熱總量，kJ/m2。

根據(jù)公式(5)計算得到了南昌地區(qū)全年不同月份時，建筑南墻太陽輻射凈得熱總量，如圖6所示。

圖6全年標(biāo)準(zhǔn)日建筑南墻凈得熱總量

從圖6可知，11月南墻外表面日凈得熱總量最大，為3.76×103kJm-2，而5月份時的南墻外表面日凈得熱總量最小，為0.202×103kJm-2。這是由于太陽高度角和太陽方向夾角以及氣候的原因，冬季太陽直射南半球，建筑南墻直接受到太陽輻射的影響，因此11月份投射到南墻外表面的太陽輻射量很大，而夏季則恰恰相反，這時太陽直射北半球，建筑南墻不能直接受到太陽輻射的影響，因此5月份投射到南墻外表面的太陽輻射量很小。影響建筑南墻外表面日凈得熱總量大小的決定因素依舊是建筑南墻所吸收太陽輻射能的多少。

為了預(yù)測不同時間內(nèi)南墻太陽輻射凈得熱總量，將全年各月標(biāo)準(zhǔn)日建筑南墻凈得熱總量Q3與對應(yīng)月份的數(shù)據(jù)輸入1stOpt15PRO軟件中進行擬合，具體擬合過程由軟件自帶程序算出。擬合結(jié)果如公式(6)所示。

Q3=1.81+1.39x-1.54x2+0.43x3-0.04x4- 0.001x5-0.0004x6-0.000017x7

(6)

式中，x為一年中各個月份(x=1，2，...，12)。公式2中均方根誤差(RMSE)為0.082，誤差平方和(SSE)為0.079，決定系數(shù)(R2)為0.994。以上誤差檢驗均說明公式2的擬合優(yōu)度良好，能很好的表示南墻太陽輻射凈得熱總量隨時間變化的關(guān)系。

3結(jié)論

在夏熱冬冷地區(qū)，進行太陽能被動利用的同時，必須注意全年南墻太陽能吸收對圍護結(jié)構(gòu)傳熱負荷的影響。本文以南昌地區(qū)為代表，采用數(shù)值計算方法分析了一年中的12個不同月中，標(biāo)準(zhǔn)氣象日南墻非穩(wěn)態(tài)傳熱情況，并討論了各月標(biāo)準(zhǔn)氣象日條件下南墻太陽輻射凈得熱總量，主要結(jié)論如下：

(1)因為太陽輻射和室外氣溫的變化，建筑南墻外表面上平均溫度以及傳熱通量的變化幅度也較大，從室外到室內(nèi)，南墻各典型表面的溫度和傳熱通量變化幅度逐漸減小。

(2)雖然一年中夏季室外空氣溫度較高，冬季室外溫度較低，但由于太陽高度角和太陽方向角的緣故造成夏季投射到南墻上的太陽輻射能小于冬季，因此南墻各典型表面夏季的傳熱通量均小于冬季。

(3)由于太陽高度角和太陽方向角以及晴空指數(shù)等的共同影響，一年中的11月份南昌地區(qū)南墻太陽輻射凈得熱總量最大，5月最小。用1stOpt15PRO軟件擬合南墻太陽輻射凈得熱總量與時間的關(guān)系，其決定系數(shù)R2大于0.99，表示擬合優(yōu)度良好，因此可用上述擬合公式預(yù)測南昌地區(qū)全年各月南墻的太陽輻射凈得熱總量。