干熱干冷地區(qū)室外綜合溫度計算模型適用性分析

陳 潔，羅智星，楊 柳

(西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710055)

室外綜合溫度是室外空氣溫度、太陽輻射、地面反射輻射和長波輻射、大氣長波輻射對圍護結(jié)構(gòu)外表面的綜合熱作用，為方便工程計算通常對室外綜合溫度以不同參數(shù)的形式進行簡化，建筑外圍護結(jié)構(gòu)如屋面、外墻和外窗等熱工設(shè)計主要目標(biāo)是提高保溫隔熱性能以應(yīng)對不同的氣候類型，而我國氣候類型多樣，因此綜合考慮室外綜合溫度模型在不同氣候下的適用性，對準(zhǔn)確進行建筑熱工設(shè)計具有十分重要的意義.關(guān)于室外綜合溫度對建筑負(fù)荷的研究主要為以下三個方面：

(1)室外綜合溫度計算模型分析：陳啟高教授[1]給出室外綜合溫度是太陽輻射當(dāng)量溫度與室外空氣溫度、鄰近建筑物外表面和地面溫度、大氣長波輻射溫度三者加權(quán)平均值之和，但由于反射輻射強度、地面黑度系數(shù)等參數(shù)建筑建成后才能準(zhǔn)確測得，因而不利于熱工設(shè)計采用.文獻[2]中將圍護結(jié)構(gòu)外表面和周圍環(huán)境之間長波輻射換熱與圍護結(jié)構(gòu)外表面和天空大氣之間長波輻射換熱分開考慮,且太陽總輻射強度中也考慮了反射輻射,但外表面溫度難以獲得不利于采用.劉加平教授[3]提出氣象臺站給出的是郊區(qū)空氣溫度值，應(yīng)在室外空氣溫度上加上該城市的熱島強度值.民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范(GB 50176-2016)[4]中室外綜合溫度計算考慮總輻射和室外干球溫度，忽略長波輻射換熱量.CIBSE指南[5]室外綜合溫度計算是圍護結(jié)構(gòu)外表面上的短波輻射、長波輻射交換、空氣溫度和表面上的風(fēng)速四個相關(guān)變量所合并的一個假設(shè)外表面溫度指數(shù).

(2)外表面長波輻射換熱對建筑負(fù)荷的影響：室外綜合熱作用中長波輻射作為引起表面溫度下降的一種物理作用過程在過去幾十年中得到了廣泛的研究，肖勇全[6]區(qū)別以往僅考慮太陽輻射的靜態(tài)方法,建立了一個考慮圍護結(jié)構(gòu)蓄熱和傳熱的動態(tài)的建筑圍護結(jié)構(gòu)熱平衡模型,并用該模型計算了濟南夏季某日某單棟建筑各圍護結(jié)構(gòu)外表面的溫度.Luca Evangelisti[7]對不同氣候的天空輻射率與天空溫度之間的相關(guān)關(guān)系進行分析，結(jié)果表明在晴空條件下差異為10.8～19.7℃，多云條件下差異為7～17.2℃.Nwaigwe[8]通過建筑夜間降溫分析，研究了不同地點夜間輻射冷卻器的性能，提出在晴朗的夜晚，冷卻功率可以達到40 W/m2.劉森元[9]根據(jù)我國82個臺站1960年至1970年的月平均資料,對天空長波輻射作用在我國的分布進行了計算，求得了這些臺站的天空有效溫度及其與氣溫差值.Lu[10]對晴空輻射降溫在建筑中的應(yīng)用進行研究，對輻射冷卻的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)配置、輻射冷卻的能力以及輻射冷卻在滿足建筑冷負(fù)荷方面的局限性進行了討論.閆杰[11]在給出地面反射輻射和大氣長波輻射在建筑圍護結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷中的計算公式基礎(chǔ)上,分析了兩者在熱負(fù)荷計算中的作用機理,并對長波輻射在建筑節(jié)能中的應(yīng)用進行了探討.文獻[12-13]對冬季夜間通過屋面結(jié)構(gòu)的換熱逐時熱負(fù)荷計算，提出屋面實際熱負(fù)荷比不考慮夜間輻射時的負(fù)荷升高，供暖空調(diào)系統(tǒng)在冬季夜間運行時應(yīng)考慮這部分負(fù)荷.林波榮[14]通過建筑外微氣候的監(jiān)測，綜合分析了太陽輻射、長波輻射、對流換熱對外表面溫度的作用效果分析.

(3)性能模擬工具研究：Al-janabi[15]通過對EnergyPlus和IES對比研究發(fā)現(xiàn)，IES對太陽輻射參數(shù)相對更加敏感，EnergyPlus更容易受室外空氣溫度變化的影響.徐斌[16]利用BuildingEnergy軟件，分析了透明圍護結(jié)構(gòu)的太陽光譜透過率、太陽吸收率、長波熱發(fā)射率對建筑冷、熱負(fù)荷的影響，進行了全年周期的能耗分析與評估.蔣福建[17]建立用于描述圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與周邊環(huán)境間關(guān)系的二維簡化模型，利用ANSYS軟件對夏季典型圍護結(jié)構(gòu)表面的長波輻射換熱情況進行數(shù)值計算，指出在夏季空調(diào)負(fù)荷計算的圍護結(jié)構(gòu)傳熱過程計算中，圍護結(jié)構(gòu)外表面的長波輻射換熱往往具有冷卻外壁面的作用.

室外綜合溫度是夏季建筑隔熱設(shè)計的基本參數(shù)，其中有些計算公式簡潔方便，適合實際工程的建筑外圍護結(jié)構(gòu)隔熱設(shè)計計算，另一些計算過程復(fù)雜結(jié)果也更為準(zhǔn)確.在現(xiàn)行熱工規(guī)范計算中，長波輻射換熱往往忽略不計，但是不同氣候條件下天空輻射造成的建筑得熱率有所差異，因此本文通過室外綜合溫度計算模型理論分析，對比了忽略長波輻射作用的室外綜合模型，和以空氣溫度為參數(shù)的簡化長波輻射計算下的室外綜合溫度模型在不同氣候下差異結(jié)果，之后進一步對長波輻射的計算方法展開討論，分別對室外空氣溫度、大氣輻射率兩種長波輻射計算參數(shù)進行了數(shù)值模擬計算，為不同氣候地區(qū)室外綜合溫度模型選用提供參考，同時對干熱干冷地區(qū)的室外綜合溫度準(zhǔn)確計算提供理論基礎(chǔ).

1 室外綜合溫度

1.1 熱工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB 50176-2016)提出由室外氣溫增加太陽輻射的等效溫度值，其計算式中忽略了地面反射輻射和大氣長波輻射換熱，即

(1)

式中：tsa為室外綜合溫度，℃；te為室外空氣溫度，℃；I為投射到圍護結(jié)構(gòu)外表面的太陽輻射照度，W/m2；ρs為外表面的太陽輻射吸收系數(shù)；αe為外表面換熱系數(shù)，W/m2·K.

1.2 長波輻射作用

考慮圍護結(jié)構(gòu)外表面與大氣間的長波輻射換熱，室外空氣綜合溫度的表達式為

(2)

式中：QR為圍護結(jié)構(gòu)外表面與天空的長波輻射換熱量，W/m2.將天空看作黑體，根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，外表面與大氣層之間的輻射換熱量QR,就是外表面向大氣層的輻射能量Qg與大氣層向外表面的逆輻射Qsky之差額，即

(3)

式中：σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/m2K4;ε為外表面的長波發(fā)射率；Tg為外表面溫度，K;Tsky為天空有效溫度，K,根據(jù)式(3)可得

(4)

一種估算有效天空溫度的方法，是根據(jù)地面附近空氣與大氣層的輻射和熱平衡關(guān)系式得到的，即

(5)

(6)

式中：Ta為距地面1.5～2.0 m處的空氣溫度，K;εair為地面附近空氣的發(fā)射率，可用εair=0.741+0.006 2tdp計算；tdp為地面附近的空氣露點溫度，℃.

2 模型對比分析

選用式(1)為模型一與考慮長波輻射作用的式(2)為模型二進行比較，計算不同氣候下屋面室外綜合溫度，得到兩個模型間差值變化規(guī)律，即長波輻射降溫效果分析.對吐魯番、西安、拉薩、上海氣候數(shù)據(jù)進行計算，采用氣象數(shù)據(jù)CSWD格式的典型氣象年數(shù)據(jù)，代表城市冬、夏季氣象參數(shù)見表1.

表1 代表城市冬夏季氣象參數(shù)Tab.1 Meteorological parameters of typical cities

2.1 模型比較

通過模型一、二計算得到吐魯番地區(qū)夏季和冬季室外綜合溫度均值，如圖1.并通過兩個模型的逐時差值對長波輻射降溫效果進行分析，見圖2.

圖1 吐魯番兩種模型室外綜合溫度Fig.1 Sol-air temperatures of two models in Turpan

圖2 吐魯番長波輻射降溫逐時值Fig.2 Hourly value of long wave radiation cooling in Turpan

從圖1中可以看出，模型一的夏季室外綜合溫度均值為42.13℃，模型二為39.65℃，相對降低了2.48℃.冬季室外綜合溫度均值分別為-0.92℃、-4.57℃，相對降低了3.65℃.可見，室外綜合溫度計算模型在冬夏季均存在明顯差值，并且冬季降溫值高于夏季.

從圖2模型一、二模擬所得室外綜合溫度全年逐時差值可見，夏季差值變化波幅較大，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差達到0.95，冬季差值較高且相對穩(wěn)定，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差0.23.這是因為天空輻射受水蒸氣分壓力的作用影響，而吐魯番水蒸氣分壓力夏季平均1 420.06 Pa，標(biāo)準(zhǔn)偏差350.33，冬季平均231.46 Pa，標(biāo)準(zhǔn)偏差81.49，因此吐魯番地區(qū)太陽輻射季節(jié)性變化和降水蒸發(fā)氣候特征是決定長波輻射降溫的主要影響因素.值得注意的是實際表面溫度取決于圍護結(jié)構(gòu)表面的能量平衡，在夜晚水平面上存在大量長波輻射熱量損失，特別是冬季太陽輻射時長減少，造成更多的圍護結(jié)構(gòu)得熱的降低，因此干熱干冷地區(qū)通過長波輻射降低室外綜合溫度具有冬季大，夏季小的季節(jié)性特征.

2.2 模型適用性

分別選取不同氣候特征代表地區(qū)西安、拉薩、上海與吐魯番地區(qū)進行對比研究，比較兩組計算模型的室外綜合溫度在不同氣候條件下的變化規(guī)律.得到四個代表城市的冬夏季兩組模型下室外綜合溫度均值和冬夏季兩組模型的累計溫差，見圖3、4，對兩組模型不同氣候的適用性進行分析.

從圖3可以看出，受室外空氣溫度的影響，四個城市的室外綜合溫度具有明顯的差別，在不考慮長波輻射的情況下，吐魯番地區(qū)夏季室外綜合溫度高達39.65℃，上海、西安居中，拉薩地區(qū)夏季室外綜合溫度相對最低，僅為25.10℃.可見夏季降溫需求存在明顯差距.冬季上海室外綜合溫度最高，達到9.25℃，拉薩和西安分別為4.46℃和3.26℃，而吐魯番地區(qū)冬季最低，僅為-0.92℃.室外綜合溫度吐魯番年較差最大，拉薩地區(qū)最小.

圖3 典型城市室外綜合溫度Fig.3 Sol-air temperatures of typical city

圖4 典型城市長波輻射降溫Fig.4 Long wave radiation cooling of typical cities

從冬季室外綜合溫度累計差值可見，在四個地區(qū)中長波輻射均對室外綜合溫度產(chǎn)生降溫效果，下降幅度從高到低分別是拉薩9 197.77℃·h、吐魯番7 873.85℃·h、西安7 619.20℃·h、上海7 502.10℃·h.從夏季差值來看，長波輻射在吐魯番和拉薩地區(qū)具有降溫效果，綜合溫度分別下降5 479.13℃·h、1 821.83℃·h.但是在西安和上海地區(qū)，室外綜合溫度反而上升了1 288.91℃·h和4 020.02℃·h.這是因為長波輻射受水蒸氣分壓力影響，夏季室外相對濕度較高對長波輻射散熱具有負(fù)作用.這也說明長波輻射散熱作用不與室外氣溫線性相關(guān)，室外相對濕度是室外綜合溫度計算模型的適用性研究的關(guān)鍵影響因素.綜合來看，長波輻射模型在吐魯番地區(qū)影響最強，其冬季和夏季負(fù)荷計算均應(yīng)考慮長波輻射的作用.拉薩地區(qū)冬季熱負(fù)荷應(yīng)考慮長波輻射降溫產(chǎn)生的不利影響.

3 誤差分析

以上討論的是以空氣溫度作為輻射計算參數(shù)的一種估算方法，采用式(4)和式(6)對長波輻射作用展開分析，通過數(shù)值模擬求出大氣的輻射當(dāng)量溫度，并對模型二(式(4))與實際得熱(式(6))誤差進行分析.

3.1 模型設(shè)置

采用模擬軟件ApacheSim各向異性太陽輻射模型，在模擬之前初始化建筑物的溫度，在指定模擬周期開始前10 d預(yù)處理天數(shù)，由SunCast計算直接遮陽和內(nèi)部太陽跟蹤，時間步數(shù)10 min，結(jié)果平均輸出的時間間隔60 min.[19]所采用的程序是根據(jù)文獻[18]，白天大氣在水平面上的長波輻照度為

(8)

式中：Lsky為水平表面上白天的天空輻射，W/m2；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/m2K4);Ta為空氣溫度，K；Pw為水蒸氣分壓力，hPa；Sh為每小時日照率.在夜間Sh被替換為1-(Nh/8)，其中Nh為每小時云量.由于Sh值在白天的第一個小時和最后一個小時不夠穩(wěn)定，所以將這兩個小時視為夜間時段.

選取一棟典型多層居住建筑作為分析圍護結(jié)構(gòu)得熱計算幾何模型，其標(biāo)準(zhǔn)層平面圖見圖5，建筑總高度為18.8 m，體型系數(shù)為0.28；屋頂長波輻射率為0.9，太陽輻射吸收系數(shù)0.7，外墻長波輻射率0.9，太陽輻射吸收系數(shù)0.5，計算用幾何模型見圖6.

圖5 建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖Fig.5 Building standard floor plan

圖6 居住建筑簡化幾何模型Fig.6 Simplified geometric model of residential building

4 圍護結(jié)構(gòu)得熱計算結(jié)果

通過動態(tài)模擬計算天空輻射溫度與模型二得到圍護結(jié)構(gòu)簡化得熱計算結(jié)果進行誤差分析，將動態(tài)模擬天空輻射溫度計算的圍護結(jié)構(gòu)得熱值設(shè)為約定真值，得到全年得熱逐時值誤差值及誤差頻率，見圖7、8，采用同樣計算條件下對西安、拉薩、上海地區(qū)得熱誤差率對比分析，見圖9.

圖7 吐魯番圍護結(jié)構(gòu)得熱計算逐時誤差值Fig.7 Hourly error value of heat gain calculation of Turpan envelope structure

以模型二計算得到的圍護結(jié)構(gòu)得熱值整體高于約定真值，平均誤差為1.04 kW，誤差率為夏季誤差較高平均誤差為0.94 kW，冬季誤差波動幅度較大，平均誤差為0.78 kW.從圖8誤差頻率分布中可見，相對頻率分布0.54的誤差小于10%，頻率0.36的誤差范圍在20%～50%，頻率超過0.087的誤差超過50%，考慮到誤差季節(jié)性的波動幅度差異，干熱干冷地區(qū)地區(qū)室外綜合溫度計算模型采用空氣溫度替代外表面溫度進行計算將與實際值存在差異，特別是對圍護結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計及熱負(fù)荷計算產(chǎn)生不利影響.因此，干熱干冷地區(qū)長波輻射換熱計算應(yīng)采用天空輻射值進行準(zhǔn)確計算.

圖8 吐魯番圍護結(jié)構(gòu)得熱計算誤差頻率Fig.8 Error frequency of heat gain calculation of Turpan envelope structure

從圖9不同氣候條件下模型二的誤差率可見，西安和吐魯番地區(qū)得熱誤差比較接近，誤差率中位在13%左右，上海相對降低為11%，拉薩地區(qū)誤差中位數(shù)僅為8%，這是因為天空輻射溫度計算參數(shù)中外表面溫度與空氣溫度差值越小，則模型二的計算更加準(zhǔn)確.通過誤差頻率分析，西安地區(qū)0.72的頻率在10%以內(nèi)，拉薩地區(qū)高達0.95的頻率在誤差10%以內(nèi)，因此，在拉薩、西安地區(qū)可選用長波輻射換熱計算模型二進行室外綜合溫度計算.

圖9 各典型城市圍護結(jié)構(gòu)得熱計算誤差率Fig.9 The error rate of heat gain calculation of urban envelope structure in typical cities

5 結(jié)論

依據(jù)上述室外綜合溫度計算模型的理論分析和差值比較，以及針對不同地區(qū)的計算模型適用性分析，其結(jié)果表明：

(1)選取不同的計算模型對室外綜合溫度產(chǎn)生重要影響，天空輻射和水蒸氣分壓力是影響長波輻射降溫的主要因素，干熱干冷地區(qū)長波輻射換熱模型夏季差異達到2.48℃，冬季3.65℃.

(2)干熱干冷地區(qū)長波輻射換熱量冬季作用高于夏季，規(guī)范所提供的計算模型室外綜合溫度忽略了夜間輻射對圍護結(jié)構(gòu)的冷卻影響，對于夏季冷卻負(fù)荷計算是偏安全的，但是對于冬季熱負(fù)荷的計算值偏小，導(dǎo)致干熱干冷地區(qū)保溫設(shè)計與實際建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能有所差距.

(3)不同模型選取對吐魯番地區(qū)影響最大，夏季模型差異累計度時數(shù)達到5 479.13℃·h，冬季7 873.85℃·h；在拉薩地區(qū)夏季差異較小，冬季高達9 197.77℃·h；在西安、上海地區(qū)則冬季差異較小，夏季增加1 288.91℃·h和4 020.02℃·h，需考慮長波輻射夏季得熱的不利影響.

(4)以空氣溫度代替外表面溫度的長波輻射換熱簡化計算模型可用于拉薩、西安地區(qū)進行室外綜合為溫度計算，對于西安、吐魯番地區(qū)則誤差率較高，應(yīng)選用計算天空輻射溫度的長波輻射換熱模型.