城市下墊面輻射熱作用過(guò)程差異分析

摘 要：為了研究城市不同下墊面輻射熱作用過(guò)程的差異，選取4種下墊面（草地、混凝土、鋪面磚、瀝青）為研究對(duì)象，測(cè)量不同下墊面反射的短波輻照度、向上的長(zhǎng)波輻照度、地表熱流強(qiáng)度以及空氣溫度、風(fēng)速等環(huán)境參量。分析對(duì)比不同下墊面輻射熱傳遞過(guò)程中的差異。結(jié)果表明：大氣逆輻照度占下墊面吸收輻射熱的65%以上，4種下墊面以長(zhǎng)波輻射的形式釋放熱量均在75%以上；下墊面與空氣間的換熱主要以輻射換熱的方式進(jìn)行；夏季草地?zé)岱€(wěn)定性最好，混凝土下墊面的熱穩(wěn)定性最差；冬季混凝土的熱穩(wěn)定性最好，鋪面磚的熱穩(wěn)定性最差。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能建筑；太陽(yáng)能建筑；下墊面；輻射熱過(guò)程；熱傳導(dǎo)；輻射換熱

中圖分類(lèi)號(hào)：O434.11 " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

城市的快速發(fā)展使得人工建筑物和非透水下墊面取代了自然下墊面，下墊面材質(zhì)的變化會(huì)影響地表溫度，地表溫度升高導(dǎo)致不同下墊面上方的氣象參數(shù)不同，進(jìn)而會(huì)影響建筑采暖能耗以及空調(diào)能耗［1-2］。建筑及下墊面表面通過(guò)吸收和反射太陽(yáng)輻射會(huì)對(duì)城市微氣候產(chǎn)生顯著影響［3］。針對(duì)城市熱環(huán)境的研究，邢永杰等［4］通過(guò)研究建筑表面、綠地、水泥磚等不同地面對(duì)太陽(yáng)輻照度的熱反應(yīng)，提出改善城市熱環(huán)境的方法；冉茂宇［5］研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)對(duì)下墊面進(jìn)行處理，可有效減少或增加下墊面對(duì)建筑的熱輻射；馬秀力等［6］研究發(fā)現(xiàn)，采用綠化下墊面或向下墊面灑水的方式降低下墊面地表溫度，進(jìn)而減少夏季空調(diào)負(fù)荷。目前已有學(xué)者從建筑室外熱環(huán)境的角度去考慮室內(nèi)熱環(huán)境并應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)中。

下墊面在城市輻射熱環(huán)境中扮演著重要的角色，為探索城市下墊面對(duì)于城市熱環(huán)境的影響，很多學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了研究。Akshay［7］研究發(fā)現(xiàn)白天空氣溫度的變化主要由太陽(yáng)輻照度和長(zhǎng)波輻射引起，夜間空氣溫度的變化由長(zhǎng)波輻射引起；Ferreira等［8］通過(guò)分析輻射特性表明，熱島強(qiáng)度的季節(jié)性變化主要取決于太陽(yáng)輻照度的變化；楊雅君等［9］通過(guò)測(cè)試下墊面地表溫度研究不同下墊面對(duì)熱環(huán)境的影響；周甘霖等［10］通過(guò)分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同下墊面反射短波輻照度和發(fā)射長(zhǎng)波輻照度差異明顯；Makshtas等［11］分析地表能量收支的組成部分，研究發(fā)現(xiàn)在夏季反照率低的下墊面以輻射換熱的方式通過(guò)感熱直接加熱大氣，并達(dá)到短波輻射入射強(qiáng)度的25%；羅毅等［12］研究發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)輻照度作用下不透水下墊面溫度高于透水下墊面溫度，對(duì)熱環(huán)境影響較大。當(dāng)前的研究主要針對(duì)下墊面地表溫度、輻射場(chǎng)差異的規(guī)律性研究，鮮見(jiàn)對(duì)城市下墊面輻射熱傳遞過(guò)程進(jìn)行量化研究，因此定量研究不同下墊面的輻射熱作用機(jī)理對(duì)于太陽(yáng)能建筑輻射熱利用具有重要意義。

本研究以傳熱學(xué)理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算、測(cè)試相結(jié)合，定量研究4種城市下墊面（混凝土、瀝青、鋪面磚、草地）在不同氣象條件作用下輻射熱作用過(guò)程，完善下墊面輻射熱作用理論及技術(shù)體系，以期為太陽(yáng)能建筑輻射熱資源利用領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)，并為從下墊面的角度出發(fā)去營(yíng)造建筑熱環(huán)境、節(jié)約能源提供一定的思路。

1 城市下墊面輻射熱過(guò)程分析

基于傳熱學(xué)理論，不透明建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱過(guò)程由建筑外表面吸熱、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱以及建筑內(nèi)表面放熱3部分組成。與圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同的是，下墊面厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于面積，且只有一側(cè)與空氣接觸，而不透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度，且其內(nèi)外表面均與空氣接觸，這使得下墊面輻射熱交換過(guò)程不同于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的輻射熱作用過(guò)程。下墊面的吸熱和放熱都在一側(cè)進(jìn)行，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)的吸熱和放熱發(fā)生在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)。下墊面動(dòng)態(tài)熱過(guò)程如圖1所示。

白天，下墊面吸收太陽(yáng)直射輻射、散射輻射以及大氣逆輻射，將一部分太陽(yáng)總輻射和大氣逆輻射反射出去，另一部分吸收到下墊面中，下墊面溫度升高，導(dǎo)致地表和地面其他部

分之間產(chǎn)生溫差，下墊面結(jié)構(gòu)的溫差促進(jìn)熱量以熱傳導(dǎo)的方式從地表傳向溫度較低的地基［13］，將熱量?jī)?chǔ)存在熱容較大的下墊面之中。由于下墊面地表溫度升高，使得地表溫度與空氣溫度之間產(chǎn)生溫差，下墊面以長(zhǎng)波輻射換熱和對(duì)流換熱的形式將熱量釋放到周?chē)h(huán)境中。夜間，太陽(yáng)輻照度消失，下墊面自身儲(chǔ)存的熱量開(kāi)始通過(guò)長(zhǎng)波輻射和對(duì)流換熱的方式加熱近地空氣，直到地表與空氣之間的能量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，隨第二天的日出，下墊面的熱量又開(kāi)始補(bǔ)充并不斷積累。

無(wú)論下墊面和環(huán)境之間的熱交換有多復(fù)雜，能量之間仍是以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種方式進(jìn)行傳遞。下墊面與下部結(jié)構(gòu)之間的熱傳導(dǎo)是下墊面內(nèi)部問(wèn)題，和外部環(huán)境進(jìn)行熱交換的主要形式是對(duì)流換熱和輻射換熱。

2 下墊面熱作用過(guò)程計(jì)算方法

城市下墊面吸收的熱量主要來(lái)源于兩部分，其中一部分來(lái)源于太陽(yáng)短波輻射，另一部分來(lái)源于大氣逆輻射，但下墊面吸收的大氣逆輻照度往往小于下墊面發(fā)射的長(zhǎng)波輻照度，所以下墊面吸收的熱量主要來(lái)源于太陽(yáng)短波輻照度。而這些熱量的傳遞主要有以下4種方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射、蒸發(fā)潛熱，本文只有草地下墊面存在蒸發(fā)潛熱，所以在計(jì)算過(guò)程中暫未考慮草地下墊面的蒸發(fā)潛熱量。本文所采用的計(jì)算方法如下。

2.1 下墊面吸收的短波輻照度計(jì)算方法

[K=K↓-K↑] （1）

式中：[K]——下墊面吸收的短波輻照度，W/m2；[K↓]——下墊面接收到的短波輻照度，W/m2；[K↑]——下墊面反射的短波輻照度，W/m2。

2.2 下墊面吸收的大氣逆輻照度計(jì)算方法

[LB=α?L↓] （2）

式中：[LB]——大氣逆輻射輻照度，W/m2；[α]——大氣逆輻射吸收率；[L↓]——大氣逆輻照度，W/m2。

[L↓=Cb???Tsky1004] （3）

式中：[Cb]——輻射常數(shù)，取5.67 W/（m2·k4）；[?]——接受輻射的表面對(duì)天空的角系數(shù)，屋頂平面取[?=1]；[Tsky]——天空當(dāng)量溫度，K。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可將[Tsky]簡(jiǎn)化為［14］：

[Tsky=Ta-6] （4）

式中：[Ta]——空氣干球溫度，K。

2.3 下墊面吸收的總輻照度計(jì)算方法

[E=K+LB] （5）

式中：[E]——下墊面吸收的總輻照度，W/m2。

2.4 下墊面長(zhǎng)波輻射輻照度計(jì)算方法

[L=L↑-1-α?L↓] （6）

式中：[L]——下墊面發(fā)射的長(zhǎng)波輻照度，W/m2；[L↑]——下墊面向上的長(zhǎng)波輻照度，W/m2。

3 測(cè)試概況

為了分析不同下墊面輻射熱過(guò)程中的差異，在西安建筑科技大學(xué)選取草地、混凝土、瀝青、鋪面磚4種下墊面分別在2021年7月16日—22日和2022年3月6日—10日進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。其中混凝土下墊面、瀝青下墊面、鋪面磚下墊面為人工下墊面，透水性差；草地為自然下墊面，透水性強(qiáng)。3種人工下墊面中鋪面磚是成塊鋪設(shè)，其下墊面厚度與其他3種下墊面有所差異，圖2為4種不同類(lèi)型下墊面。

測(cè)試目的是為了分析不同下墊面輻射熱交換過(guò)程，因此被測(cè)量的有下墊面接收到的太陽(yáng)輻照度、下墊面反射的太陽(yáng)短波輻射以及下墊面向上的長(zhǎng)波輻射、空氣溫度等。測(cè)試所用測(cè)試儀器如表1所示。

4 不同下墊面輻射熱過(guò)程分析

4.1 不同下墊面吸熱差異分析

下墊面吸收的熱量來(lái)源有兩部分，其中一部分來(lái)源于下墊面吸收的太陽(yáng)短波輻射，另一部分為下墊面吸收的大氣逆輻射。圖3、圖4分別為西安夏季、冬季不同下墊面上方的太陽(yáng)輻照度以及下墊面吸收的太陽(yáng)輻照度變化曲線(xiàn)圖。從圖3、圖4可看出不同下墊面吸收的短波輻照度具有一定的規(guī)律性，其變化趨勢(shì)與太陽(yáng)輻照度變化趨勢(shì)相一致，12：00時(shí)太陽(yáng)輻照度最強(qiáng)，其下墊面吸收的太陽(yáng)輻照度也最多，早上和傍晚太陽(yáng)輻照度變?nèi)?，其吸收的短波輻照度也隨之減少，而夜間無(wú)太陽(yáng)照射，此時(shí)下墊面吸收的短波輻射為零。其次，在同一時(shí)刻不同下墊面的吸收短波輻照度也有不同。下墊面吸收的短波輻照度不同主要是因?yàn)椴煌聣|面的太陽(yáng)短波吸收系數(shù)不一致，吸收系數(shù)越大，下墊面吸收的太陽(yáng)短波輻射越多。

下墊面吸收太陽(yáng)短波輻照度的同時(shí)也在吸收大氣逆輻射。圖5和圖6為西安夏季、冬季不同下墊面接收和吸收的大氣逆輻照度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖。從圖5、圖6可看出，下墊面在白天吸收的大氣逆輻射變化趨勢(shì)波動(dòng)較大，晚上變化較為平緩，在12：00左右達(dá)到最大值，06：00左右吸收大氣逆輻照度最小。

圖7為西安夏季、冬季不同下墊面吸收的總輻射熱作用強(qiáng)度的變化趨勢(shì)圖，從圖7可看出，白天下墊面受到太陽(yáng)輻照度的影響，下墊面吸收的總輻照度作用強(qiáng)度變化趨勢(shì)波動(dòng)

較大，晚上只有大氣逆輻射作用的影響，波動(dòng)較為平緩。其中夏季草地下墊面吸收的總輻照度的日平均值可達(dá)572.40 W/m2，混凝土下墊面吸收的總輻照度的日平均值可達(dá)405.11 W/m2，鋪面磚下墊面吸收的總輻照度的日平均值可達(dá)507.17 W/m2，瀝青下墊面吸收的總輻照度的日平均值可達(dá)497.33 W/m2；冬季草地下墊面吸收的總輻照度的日平均值可達(dá)471.01 W/m2，混凝土下墊面吸收的總輻照度的日平均值可達(dá)426.31 W/m2，鋪面磚下墊面吸收的總輻照度的日平均值可達(dá)428.12 W/m2，

瀝青下墊面吸收的總輻照度的日平均值可達(dá)450.40 W/m2。通過(guò)分析不同下墊面吸收的總輻照度作用強(qiáng)度的日累計(jì)值發(fā)現(xiàn)，對(duì)于水平面總輻射的吸收，不同類(lèi)型下墊面存在顯著差異，且存在顯著的季節(jié)性差異。

下墊面吸收短波輻照度以及大氣逆輻射的大小主要取決于下墊面材料的短波吸收系數(shù)以及長(zhǎng)波吸收率。4種下墊面吸收大氣逆輻照度占總輻照度的65%以上，其中主要原因是下墊面吸收的太陽(yáng)光短波輻射只存在于白天，而下墊面在一天24 h內(nèi)隨時(shí)都可吸收大氣逆輻射。

4.2 不同下墊面熱傳導(dǎo)差異分析

下墊面吸收太陽(yáng)短波輻射和大氣逆輻射使得下墊面地表溫度升高。白天，熱量以熱傳導(dǎo)的方式流向深層地表，以熱量的形式儲(chǔ)存在下墊面中；夜晚，下墊面儲(chǔ)存的熱量以熱傳導(dǎo)的形式流向地表，釋放熱量。圖8為西安夏季、冬季不同下墊面地表熱傳導(dǎo)變化趨勢(shì)圖，從圖8可看出，白天下墊面熱傳導(dǎo)受太陽(yáng)短波輻射影響，變化波動(dòng)大，而晚上太陽(yáng)短波輻射消失，下墊面導(dǎo)熱量變化趨勢(shì)平緩。

從圖8a可看出，夏季4種下墊面白天吸收太陽(yáng)短波輻射以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)入下墊面的熱量從大到小為：鋪面磚gt;草地gt;混凝土gt;瀝青，夜間釋放的熱量從大到小為：混凝土gt;草地gt;瀝青gt;鋪面磚。白天鋪面磚下墊面受太陽(yáng)輻照度作用影響波動(dòng)趨勢(shì)大。從圖8b可看出，4種下墊面在冬季白天以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)入下墊面的熱量從大到小為：草地gt;混凝土gt;瀝青gt;鋪面磚，夜間釋放的熱量從大到小為：鋪面磚gt;草地gt;瀝青gt;混凝土。

不同下墊面在不同季節(jié)儲(chǔ)存的熱量有所差異，通過(guò)分析不同下墊面的儲(chǔ)熱差異，可選擇更合適的下墊面，在下墊面下方布置地埋管換熱器來(lái)利用淺層地表所儲(chǔ)存的太陽(yáng)輻照度產(chǎn)生的熱量，更好地改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境［15］。夏季在儲(chǔ)存熱量的同時(shí)利用冬季儲(chǔ)存的冷量制冷，冬季儲(chǔ)存冷量的同時(shí)利用夏季儲(chǔ)存的熱量制熱，從而更好地通過(guò)下墊面利用太陽(yáng)輻照度資源。

4.3 不同下墊面輻射換熱差異

下墊面吸收大氣逆輻射和太陽(yáng)短波輻射的同時(shí)，下墊面與外界以輻射換熱的形式發(fā)射長(zhǎng)波輻射。圖9為西安夏季、冬季不同下墊面與空氣之間的長(zhǎng)波輻射換熱隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)圖。不同下墊面發(fā)射的長(zhǎng)波輻照度大小與多種因素有關(guān)。因下墊面的高吸收率（低反射率）導(dǎo)致吸收更多太陽(yáng)輻射熱而使其表面溫度升高，這只是造成下墊面高長(zhǎng)波輻射發(fā)射量的原因之一。下墊面的導(dǎo)熱、蓄熱量同樣也會(huì)影響下墊面發(fā)射長(zhǎng)波輻照度。其次，不同下墊面發(fā)射長(zhǎng)波輻射達(dá)到最低值的時(shí)間不一致，下墊面的熱穩(wěn)定性不同。

由圖9a可知，夏季4種下墊面發(fā)射的長(zhǎng)波輻射在12：00—16：00間達(dá)到最高值，這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)白天太陽(yáng)短波照射，下墊面在這段時(shí)間儲(chǔ)存的能量最多，所以下墊面溫度最高，向外發(fā)射的長(zhǎng)波輻照度也就最大。在06：00左右，各下墊面發(fā)射的長(zhǎng)波輻照度最為接近，這是由于下墊面在白天蓄積的熱量在晚上已基本釋放結(jié)束，各下墊面的地表溫度大致相同，所以各下墊面發(fā)射的長(zhǎng)波輻照度最為接近。但4種下墊面發(fā)射的長(zhǎng)波輻射出現(xiàn)最低值的時(shí)間有所不同，草地下墊面在06：00達(dá)到最小值，為425 W/m2；混凝土下墊面在05：40達(dá)到最小值，為401 W/m2；鋪面磚下墊面在05：10達(dá)到最小值，為408 W/m2；瀝青下墊面在05：00達(dá)到最小值，為414 W/m2；根據(jù)4種下墊面發(fā)射長(zhǎng)波輻射最大值與最小值之間的差以及達(dá)到最小值的時(shí)間可得知，夏季4種下墊面中，熱穩(wěn)定性由優(yōu)到劣的次序是草地、瀝青、鋪面磚和混凝土。

由圖9b可知，冬季4種下墊面發(fā)射的長(zhǎng)波輻射在15：00左右達(dá)到最高值。在07：00左右，各下墊面發(fā)射的長(zhǎng)波輻射達(dá)到最低值。草地下墊面在07：20達(dá)到最小值，為314 W/m2；混凝土下墊面在06：20達(dá)到最小值，為320 W/m2；鋪面磚下墊面在07：00達(dá)到最小值，為309 W/m2；瀝青下墊面在05：50達(dá)到最小值，為344 W/m2；冬季4種下墊面中，混凝土下墊面的熱穩(wěn)定性最好，鋪面磚下墊面的熱穩(wěn)定性最差。

在下墊面的輻射熱作用過(guò)程中，下墊面以輻射換熱方式發(fā)生的熱量交換占75%以上，甚至夏季混凝土下墊面通過(guò)輻射換熱方式發(fā)生的熱量交換可達(dá)到89%以上。

通過(guò)輻射換熱來(lái)分析下墊面的穩(wěn)定性，夏季草地下墊面的穩(wěn)定性最好，混凝土下墊面的穩(wěn)定性最差；冬季混凝土的熱穩(wěn)定性最好，鋪面磚的熱穩(wěn)定性最差。因此在室外熱環(huán)境設(shè)計(jì)過(guò)程中，在夏季炎熱的地區(qū)通過(guò)減少混凝土下墊面的使用、增加草地下墊面的布置來(lái)降低太陽(yáng)輻照度對(duì)熱環(huán)境的影響；在冬季寒冷地區(qū)可增加混凝土下墊面的使用、減少鋪面磚下墊面的使用，從而更好地通過(guò)被動(dòng)式手段調(diào)節(jié)建筑室外熱環(huán)境。

5 結(jié) 論

在下墊面熱傳遞過(guò)程中，輻射熱扮演著非常重要的角色，本文以4種典型下墊面為研究對(duì)象，分析不同下墊面在輻射熱過(guò)程中吸熱情況、熱傳遞以及不同下墊面放熱狀況，通過(guò)了解不同下墊面輻射熱的差異，可從下墊面的角度出發(fā)更好地營(yíng)造建筑室內(nèi)外熱環(huán)境，具體結(jié)論如下：

1）下墊面吸收的輻射熱中，大氣逆輻照度占總吸熱量的65%以上，4種下墊面以長(zhǎng)波輻射的形式釋放的熱量均在75%以上。

2）在輻射熱傳遞過(guò)程中以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)入下墊面的熱量最小，夏季4種下墊面中以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)入鋪面磚下墊面的熱量最多，瀝青最??；冬季4種下墊面中以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)入草地下墊面的熱量最多，鋪面磚最小。因此，在不同的下墊面下方布置地埋管換熱器，可更好地節(jié)約能源。

3）下墊面與空氣之間的換熱方式主要以輻射換熱的方式進(jìn)行。在下墊面輻射熱環(huán)境設(shè)計(jì)中，在滿(mǎn)足功能的前提下，在夏季炎熱地區(qū)可適當(dāng)減少混凝土下墊面，在冬季寒冷地區(qū)增加混凝土下墊面的使用。

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ANALYSIS OF DIFFERENCE OF THERMAL ACTION PROCESSES IN URBAN SUBSURFACE

Wen Lijuan，Liu Dalong

（School of Architecture， Xi’an University of Architecture and Technology， Xi’an 710055， China）

Abstract：In order to investigate the differential process of radiant heat action among various urban underlying surfaces， four types of substrates （grass， concrete， paving blocks and asphalt） were selected as research subjects， measurements were conducted on the short-wave radiation intensity reflected by different underlying surfaces， upward long-wave radiation intensity， surface heat flux intensity， air temperature， wind speed and other environmental parameters. The differences in radiant heat transfer process between the different sub-bedding surfaces were analyzed and compared. The results show that atmospheric inverse radiation accounts for more than 65% of the radiant heat absorbed by the underlying surfaces， and all four types of underlying surfaces release more than 75% of the heat in the form of long-wave radiation； the heat transfer between the underlying surfaces and the air is mainly carried out in the form of radiation heat transfer； the thermal stability of grass is the best in summer， and the thermal stability of concrete underlying surfaces is the worst； the thermal stability of concrete is the best in winter， and the thermal stability of paving blocks is the worst.

Keywords：solar building； solar building； underlying surfaces； radiant heat process； heat conduction； radiant heat transfer