沈陽清福陵建筑遺產(chǎn)夏季太陽輻射和熱環(huán)境模擬研究

王肖宇，孟津竹，朱天偉/WANG Xiaoyu, MENG Jinzhu, ZHU Tianwei

1 引言

清福陵位于沈陽市東郊，是清太祖努爾哈赤及其皇后葉赫那拉氏的陵墓，為盛京三陵之一。清福陵始建于公元1629年（天聰三年），到公元1651年基本建成。后經(jīng)清朝順治、康熙、乾隆年間的多次修建，形成了規(guī)模宏大、設(shè)施完備的古代帝王陵墓建筑群。初建時，只稱作“先汗陵”或“太祖陵”，崇德元年（1636年）定名為“福陵”，寓意大清江山福運長久[1]。2004年，包括清福陵在內(nèi)的盛京三陵作為明清皇家陵寢的拓展項目被列入世界文化遺產(chǎn)。

建筑熱環(huán)境是指作用在房屋外圍護結(jié)構(gòu)上的一切熱物理量的總稱。熱環(huán)境是用熱輻射、氣溫、濕度及風(fēng)速4個物理量來描述的。太陽輻射熱是大氣過程的主要能源，也是建筑熱環(huán)境4個參量中影響最大的一個。夏季，對古建筑防熱來說最不利的情況是在晴天，太陽輻射量很大。文物建筑受太陽輻射可能造成建筑材料的老化降解（尤其是紫外線輻射），建筑外墻涂料和木構(gòu)架彩畫在太陽輻射作用下也會發(fā)生褪色現(xiàn)象。太陽輻射使固著于文物表面的膠料（如皮膠、桃膠等）發(fā)生老化，進而使其黏接固著能力進一步降低，造成部分顏料顆粒的脫落。在紫外線的照射下，涂料和彩畫的某些顏料容易發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致顏料變色[2]。太陽輻射給文物帶來的另一個主要問題就是熱，太陽光的熱效應(yīng)加速木構(gòu)架彩畫病害的物理變化和化學(xué)變化的進程。白天，在強烈陽光照射下，圍護結(jié)構(gòu)外表面的溫度有時會大大高于室外的空氣溫度，文物建筑吸收的所有輻射，都會轉(zhuǎn)化成熱，其結(jié)果是引起文物建筑表面的熱脹冷縮，干裂起皮或卷曲變形[3]。

本研究以沈陽標(biāo)準(zhǔn)氣象年的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用CFD（計算流體力學(xué)）數(shù)值模擬和實際量測的方法，設(shè)置不同古建筑材料（瓦片、磚石、木材）的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)，模擬清福陵中軸線上的4個主要古建筑（碑亭、隆恩門、隆恩殿、明樓）在夏季（7月19日）10點、11點、12點、13點、14點，不同風(fēng)速（1m/s、3m/s、5m/s、8m/s）的太陽輻射和溫度升高情況。CFD模擬研究可以為建筑遺產(chǎn)的預(yù)防性保護提供新的方法和思路。

2 清福陵現(xiàn)存情況與實際量測

2.1 文物建筑現(xiàn)存情況

清福陵的布局嚴(yán)謹，層次分明，總面積約19.48萬m2，形制為內(nèi)城外郭，由前院、方城和寶城三部分構(gòu)成，自南而北漸次升高。陵寢建筑群保存較為完整，現(xiàn)存古建筑32座，古建筑以神道為中軸線對稱分布，是融滿漢民族特色于一體的皇陵建筑群，既不同于明朝的陵墓，也不同于清朝入關(guān)后建造的陵寢[4]。

根據(jù)2016年10月 – 2018年5月項目組成員的實地調(diào)研、測繪和勘察，沈陽清福陵的主體建筑雖然保存基本完好，但大部分古建筑普遍存在由于太陽輻射造成的破壞侵蝕現(xiàn)象，存在瓦頂、磚墻、木結(jié)構(gòu)干裂；木結(jié)構(gòu)起皮；瓦片、涂料、彩畫褪色（圖1）等病害。其中，碑亭墻體掉漆，門框掉漆，隆恩門券臉石、腰線石、角柱石上紋飾掉漆嚴(yán)重。木門門皮掉落嚴(yán)重，露出內(nèi)部材料，底部缺失。隆恩門樓柱子有多處掉漆，斗拱有劈裂。木頭干裂。彩繪掉色，油漆干裂脫落。隆恩殿外部的柱子有干裂現(xiàn)象；瓦頂局部瓦片掉落，門窗變形。明樓東西南北4個方向的木門都有漆皮掉落的現(xiàn)象，其中南門破損較為嚴(yán)重[5]。從國家文物局回復(fù)遼寧省文物局關(guān)于清福陵保護修繕意見函中記載，清福陵已經(jīng)多次對文物建筑構(gòu)件進行局部修補、添配、剔補、補色，包括木構(gòu)件的修補加固，添配琉璃構(gòu)件修補材料，補配瓦件，補配琉璃瓦顏色，補充文物建筑立面色彩，調(diào)整油飾內(nèi)容等[6]。

1 主要古建筑現(xiàn)狀照片（攝影：王肖宇）

2.2 溫度實際量測

沈陽位于東北地區(qū)南部，遼寧省中部，地理坐標(biāo)：北緯41°12′～43°02′，東經(jīng) 122°25′～123°48′。沈陽地區(qū)年平均氣溫為6～8℃。7月是一年之中最熱的月份，平均氣溫為23～27℃，一月最冷，平均氣溫為-13～-11℃。地面最高溫度出現(xiàn)在7月，為63℃，最低溫度出現(xiàn)在1月，為-38℃，溫度相差101℃。根據(jù)沈陽市的典型氣象年逐時氣象數(shù)據(jù)CSWD1），沈陽地區(qū)一年的太陽輻射量平均值為13.13MJ/m2，最大值可以達到29.64MJ/m2（圖2）。太陽輻射不僅與地理條件、氣候條件有關(guān)，而且每天隨著太陽高度角的變化在同一地點因時間而異。根據(jù)沈陽太陽輻射隨時間的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，在中午13點之后，太陽的紫外線強度最大。沈陽地區(qū)7月最熱，每日平均氣溫高溫在28～29℃之間，極少低于24℃或超過32℃。低溫在20～21℃之間，極少低于17℃或超過24℃。7月的平均風(fēng)速為3.64～3.86m/s，主要風(fēng)向是南風(fēng)。太陽輻射（包括可見光和紫外線輻射）整個月份平均值為18.58MJ/m2[7]。

2019年7月19日天氣晴朗，風(fēng)速較小。項目組成員選取這一天對沈陽清福陵進行了古建筑實地溫度測量。測量儀器為溫濕度測試儀、紅外線測溫儀和風(fēng)速測量儀（表1）。項目組實地測量了7月19日當(dāng)天10點、11點、12點、13點、14點共5個時間點（表2），清福陵古建筑的瓦頂、彩畫、磚墻、門窗、臺階和室外地面共6個建筑構(gòu)件的表面溫度（表3）。

2 沈陽地區(qū)太陽日總輻射年變化圖（圖片來源：參考文獻[7]）

表1 清福陵熱環(huán)境測試儀器

表2 2019年7月19日清福陵實地天氣情況

表3 2019年7月19日清福陵文物建筑實測溫度

3 研究方法與模擬實驗

3.1 建立模型

本研究運用CFD（計算流體力學(xué)）軟件[8]對清福陵16處古建筑進行夏季太陽輻射和熱環(huán)境模擬實驗。根據(jù)項目組成員的實地測繪圖紙，首先在CFD軟件中建立清福陵16個古建筑的簡略模型（圖3）。為了將運算量控制在切實可行的范圍內(nèi)，僅提取建筑模型的重要信息，過濾掉屋頂起伏、欄桿雕飾等較為微觀的建筑信息。古建筑室外地面鋪砌的磚石也是需要保護的建筑遺產(chǎn)，也對其建立了模型進行模擬實驗。本文僅針對清福陵中軸線上4個主要古建筑（碑亭、隆恩門、隆恩殿、明樓）的不同位置、不同材料、不同風(fēng)速設(shè)定參數(shù)，進行太陽輻射和熱環(huán)境模擬實驗。

3 沈陽清福陵7月19日13點太陽位置（模擬建立模型）

3.2 參數(shù)設(shè)置

為了使氣流與建筑主體模型充分作用，同時控制運算量，將計算區(qū)域設(shè)為長1200m、寬400m、高70m的長方體區(qū)域。選用Viscous model（粘性模型）設(shè)置中采用k-epsilon（2 eqn）RNG模式湍流模型。輻射模型選擇Discrete Ordinate （DO） 模型，Solar Load中選擇Solar Ray Tracing選項，加載沈陽地理數(shù)據(jù)（Longitude123.27.5，Latitude41.44.6，Timezone+8），輻射時間定義為沈陽地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)氣象年夏至日（7月19日）10點、11點，12點、13點、14點，室外溫度采用實測氣溫，設(shè)置3種不同古建筑材料（瓦片、磚石、木材）的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)[9]（表4）。模擬不同風(fēng)速（1m/s、3m/s、5m/s、8m/s）的情況下，記錄清福陵中軸線上的4個主要古建筑（碑亭、隆恩門、隆恩殿、明樓）的太陽輻射和溫度升高情況。

表4 清福陵的溫度模擬分析材料熱工參數(shù)（王肖宇基于參考文獻[9]繪制）

4 模擬實驗結(jié)果對比與分析

4.1 實測溫度與模擬數(shù)據(jù)對比

根據(jù)項目組2019年7月19日的實測溫度與模擬數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)主要古建筑瓦頂、磚墻、臺階、室外地面在12點、13點、14點的模擬實驗結(jié)果數(shù)據(jù)與實際測量溫度最為接近，平均相差5℃ 以內(nèi)。古建筑瓦頂、磚墻、臺階、室外地面實際測量大都在太陽直接輻射之下，沒有遮擋的情況下與模擬實驗結(jié)果數(shù)據(jù)相差較??；而木構(gòu)架門窗和彩畫實際量測點如果在瓦頂和墻體形成的陰影中，有遮擋的情況下與模擬實驗結(jié)果數(shù)據(jù)相差稍大（圖4）；隆恩門實測溫度的位置石門框沒有遮擋、不在陰影中，實測數(shù)據(jù)與模擬實驗結(jié)果數(shù)據(jù)相差較小。

4.2 模擬實驗結(jié)果分析

清福陵4個主要古建筑（碑亭、隆恩門、隆恩殿、明樓）的不同位置、不同材料、不同風(fēng)速的實驗結(jié)果分析如下。

（1）太陽輻射和熱環(huán)境能夠?qū)ι蜿柷甯Ａ杲ㄖz產(chǎn)造成破壞侵蝕。太陽輻射強度（Solar mediation intensity）是表示太陽輻射強弱的物理量，稱為太陽輻射量，單位是W/m2。建筑遺產(chǎn)表面溫度升高與太陽輻射量（輻射熱）、周圍環(huán)境對流換熱、建筑自身導(dǎo)熱系數(shù)都密切相關(guān)[3]。太陽輻射強度越大，建筑溫度升高越多，對建筑遺產(chǎn)造成的破壞侵蝕越大。4個主要古建筑（碑亭、隆恩門、隆恩殿、明樓）在7月19日13點，風(fēng)速為1m/s時，木構(gòu)架的門窗彩畫的太陽輻射量大于磚石的墻體臺階和瓦片的屋頂。隆恩門的木構(gòu)架彩畫的太陽輻射量最大，達到2546.31W/m2，溫度升高值最大，達到311.48K（38.33℃）。碑亭的磚石墻體太陽輻射量最小，達到2374.08W/m2，瓦片的屋頂溫度升高值最小，達到304.28K（31.13℃）（表5、圖5）。

（2）太陽輻射量與太陽高度角有很大關(guān)系。相同材料情況下，太陽高度角越大，太陽輻射量越大。實驗?zāi)M相同材料不同位置的熱環(huán)境，同樣是磚石材料，結(jié)果顯示，在7月19日13點，4個主要古建筑南向墻面同一標(biāo)高處20個測試點的平均值，臺階位置（傾斜角度與13點太陽角度形成夾角最大）的太陽輻射量比地面位置和墻體位置（傾斜角度與13點太陽角度形成夾角最?。┒级?。碑亭臺階位置比地面位置的太陽輻射量多26.96W/m2，比墻體位置多52.98W/m2；隆恩門臺階位置比地面位置太陽輻射量多40.02W/m2，比墻體位置多31.46W/m2；隆恩殿臺階位置比地面位置太陽輻射量多64.72W/m2， 比墻體位置多26.03W/m2；明樓臺階位置比地面位置太陽輻射量多59.24W/m2，比墻體位置多131.59W/m2（表6、圖6）。

4 主要古建筑實測溫度與模擬實驗數(shù)據(jù)對比

5 主要古建筑太陽輻射和溫度模擬結(jié)果

6 主要古建筑太陽輻射量和太陽高度角的關(guān)系（ 3-6 繪制：王肖宇 ）

（3）相同位置不同材料的太陽輻射量不同，溫度升高值不同。設(shè)定4個主要古建筑墻體同一位置，同一標(biāo)高處20個測試點材料分別為瓦片、磚石、木材進行模擬。模擬結(jié)果顯示，在7月19日13點，木材比瓦片的太陽輻射量和溫度升高值大；瓦片比磚石的太陽輻射量和溫度升高值大。在同一位置，碑亭木材比瓦片的太陽輻射量多8.61 W/m2，溫度高0.1 ℃；比磚石多54.42W/m2，溫度高0.57 ℃；隆恩門木材比瓦片的太陽輻射量多10.09 W/m2，溫度高0.13℃；比磚石多60.23W/m2，溫度高0.7 ℃；隆恩殿木材比瓦片的太陽輻射量多13.84W/m2，溫度高0.2℃；比磚石多78.90W/m2，溫度高1.09℃；明樓木材比瓦片的太陽輻射量多8.21W/m2，溫度高0.07℃；比磚石多52.25W/m2，溫度高0.54℃（表7、圖 7）。

（4）一定的風(fēng)速可以改善建筑太陽輻射和熱環(huán)境[10]。實驗?zāi)M4個主要古建筑在風(fēng)速為3m/s、5m/s和8m/s時的太陽輻射和熱環(huán)境情況。結(jié)果顯示，在7月19日13點，風(fēng)速在3m/s時，4個古建筑的太陽輻射量平均值達到2454.13W/m2，溫度平均值311.39K（38.24℃）。風(fēng)速在5m/s時，4個古建筑的太陽輻射量平均值達到2433.51W/m2，溫度平均值310.66K（37.51℃）。風(fēng)速在8m/s時，4個古建筑的太陽輻射量平均值達到2401.83W/m2，溫度平均值310.15K（37℃）（圖5）。相比較風(fēng)速在3m/s的情況，風(fēng)速在5m/s時，太陽輻射量降低20.62W/m2，溫度降低0.73℃；風(fēng)速在8m/s時，降低52.3W/m2，溫度降低1.24℃（表8、圖8）。

表5 古建筑不同材料20個測試點的太陽輻射量和溫度平均值

表6 古建筑相同材料（磚石）不同位置20個測試點的太陽輻射量和溫度平均值

表7 古建筑相同位置（墻體）不同材料20個測試點的太陽輻射量和溫度平均值

5 結(jié)論

本研究運用CFD（計算流體力學(xué)）數(shù)值模擬和實際量測的方法，設(shè)置不同古建筑材料（瓦片、磚石、木材）的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)，模擬了清福陵中軸線上的4個主要古建筑（碑亭、隆恩門、隆恩殿、明樓）在夏季（7月19日）10點、11點、12點、13點、14點不同風(fēng)速（1m/s、3m/s、5m/s、8m/s）的太陽輻射和溫度升高情況。經(jīng)過模擬實驗，整理出以下結(jié)論：（1）實際量測和數(shù)值模擬結(jié)果在建筑構(gòu)件無遮擋的情況下較為接近，模擬數(shù)據(jù)可以作為參考。CFD模擬研究可以為建筑遺產(chǎn)的預(yù)防性保護提供新的方法和思路；（2）太陽輻射和熱環(huán)境能夠?qū)ι蜿柷甯Ａ杲ㄖz產(chǎn)造成破壞侵蝕。在7月19日13點，隆恩門的木構(gòu)架彩畫的太陽輻射量最大，達到2546.31W/m2，溫度升高值最大，達到311.48K （38.33℃）?？赡茉斐山ㄖ牧系睦匣到狻⑼噬?、變色、熱脹冷縮、干裂起皮或卷曲變形；（3）太陽輻射量與太陽高度角有很大關(guān)系。相同材料情況下，太陽高度角越大，太陽輻射量越大。在7月19日13點，臺階位置（傾斜角度與13點太陽角度形成夾角最大）的太陽輻射量大于地面位置和墻體位置；（4）相同位置不同材料的太陽輻射量不同，溫度升高值不同。在7月19日13點，木材接收到的太陽輻射量最大，溫度升高值最多；（5）一定的風(fēng)速可以改善建筑太陽輻射和熱環(huán)境。相比7月19日13點，風(fēng)速在3m/s的情況，風(fēng)速在5m/s時，太陽輻射量降低20.62W/m2，溫度降低0.73℃；風(fēng)速在8m/s時，降低52.3W/m2，溫度降低1.24℃。

表8 古建筑相同位置（瓦頂）不同風(fēng)速20個測試點的太陽輻射量和溫度平均值

通過預(yù)測性分析研究夏季太陽輻射和熱環(huán)境對建筑遺產(chǎn)造成的破壞侵蝕，可以及時地提出相應(yīng)的建筑遺產(chǎn)的重點構(gòu)件和重點部位的預(yù)防加固措施。例如，可以加固屋頂、墻體、地面、臺基、臺階的材料；對門窗、柱子、斗拱的裂縫、脫皮、磨損進行填補，重新涂漆，對彩畫顏料滲透加固[11]。栽種適量綠植可以在夏季遮擋部分陽光，通過植物蒸騰作用減少建筑遺產(chǎn)的輻射面積，降低周圍環(huán)境溫度[12]。這些都是本研究的后續(xù)工作。

7 主要古建筑相同位置不同材料的太陽輻射量和溫度值圖

8 主要古建筑不同風(fēng)速的太陽輻射量和溫度值

（7.8 繪制：王肖宇）

注釋

1）來源于清華大學(xué)和中國氣象局的數(shù)據(jù)，是國內(nèi)的實測數(shù)據(jù)，包括氣溫、水平面總輻射強度或法向直射輻射強度、水平面散射輻射強度、風(fēng)速、風(fēng)向、相對濕度、云量、降雨量