太陽輻射下建筑外微氣候的實驗研究--建筑外表面溫度分布及氣流特征

1、太陽輻射下建筑外微氣候的實驗研究-建筑外表面溫度分布及氣流特征         05-12-25 16:46:00     作者：佚名    編輯：studa9ngnsSTUDY ON SOLAR RADIATION EFFECTS ON THE MICROCLIMATEOF BUILDING ENVELOPE：THE CHARACTERISTICS OFEXTERNAL SURFACE TEMPERATURE AND AIRFLOW&

2、#160; 摘要：通過一段時間內(nèi)對某棟典型多層板樓建筑外微氣候相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測，總結(jié)其規(guī)律如下：1）在太陽強輻射時間內(nèi)，不同朝向的外墻外表面溫度隨高度分布的情況不同，西向外墻表面溫度隨高度變化幅度最大，其外表面垂直溫度的最大溫差一般可在2以上，標準偏差約在0.6以上；2）多數(shù)時間內(nèi)（主要為下午2點左右至次日凌晨），西墻外表面溫度以1層最高；3）建筑熱外表面可產(chǎn)生誘導上升熱氣流。并在綜合分析了了如太陽輻射、對流換熱等影響因素不同作用效果的基礎(chǔ)上給出了合理的解釋。關(guān)鍵詞：微氣候；建筑；太陽輻射；長波輻射；溫度分布；輻照度Abstract:In this study, the externa

3、l microclimate parameters of a typical multistoried building were measured during a period of time. Time results could be concluded as follows: 1) During the sunshine period, the vertical distribution of external surface temperature on different orientations of buildings differs from one another, an

4、d the max discrepancy of vertical temperature appears on the external surface of west oriented wall, whose max differences of the vertical temperature are above 2 and the standard deviation of the temperature is above 0.6; 2) Most of the time (from 2 p.m. to the next dawn),the external surface tempe

5、rature of the lowest floor wall faced west is higher than others; 3) The rising of induced airflow on the building's heated external surface has been examined. Based on the combined analysis of different affecting factors such as solar radiation, long wave radiation and convection, a reasonable

6、explanation is presented.Keywords: microclimate; buildings; solar radiation; long-wave radiation; temperature distribution; irradiance 0 引言伴隨著空調(diào)的迅猛發(fā)展而引發(fā)的能源短缺、環(huán)境污染，以及病態(tài)建筑綜合癥等問題，使得在當今社會可持續(xù)發(fā)展和舒適健康日益成為建筑和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的熱點?；诮鉀Q上述問題，建立"綠色居住建筑體系"已經(jīng)達成共識。目前各方面的學者都在積極探討建筑的可持續(xù)發(fā)展之路。有學者提出"低能耗健康建筑"的概念

7、1，意為充分利用自然能源的被動式供熱空調(diào)建筑，它能提供人們生活和生產(chǎn)需要的建筑環(huán)境，保證人體的衛(wèi)生和健康，同時具有節(jié)能建筑的特點。自然通風和小區(qū)綠化等就體現(xiàn)了這種思想。在夏季炎熱地區(qū)，自然通風是人們主要采用的住宅降溫手段。建筑設(shè)計怎樣來促進建筑物的自然通風和降低室溫長期以來一直是研究討論的話題，然而從目前的研究來看，多數(shù)考慮的是通風進入室內(nèi)后的流動，而建筑外氣流的形成、形式及對室內(nèi)熱環(huán)境的影響卻很少涉及；盡管有學者在20世紀50年代就發(fā)現(xiàn)了太陽輻射下建筑熱外表面的上升熱氣流對自然通風的誘導作用以當陽面與背陰面空氣溫差的可利用性，指出了在炎熱干燥地區(qū)對無風燥熱天氣下通風的意義2，但卻很少有人能從

8、建筑熱環(huán)境的角度出發(fā)，研究建筑外微氣候如建筑外不同位置不同表面的溫度分布，夜間長波輻射以及空氣的氣流形式等建筑周圍熱環(huán)境的特性，考慮其對小區(qū)熱環(huán)境及室內(nèi)熱環(huán)境的影響并引入到實際的建筑設(shè)計中。實際上，正是由于目前人們對人居熱環(huán)境的動態(tài)特征的研究方興未艾，許多研究分析結(jié)果尚處于試探性階段，才使得人們盡管在不斷深刻意識到人居熱環(huán)境重要性的同時，卻不知從何入手、真正與建筑設(shè)計相結(jié)合并付諸工程實踐中。從這一點上講，對建筑外各表面微氣候的相關(guān)動態(tài)參數(shù)進行現(xiàn)場觀測及基礎(chǔ)理論分析，研究其規(guī)律并在此基礎(chǔ)上探討如何結(jié)合小區(qū)布局和建筑設(shè)計以改善人居環(huán)境，不失為一項有意義的工作。1 建筑外微氣候的實驗研究微氣候指的是

9、在建筑物周圍地面及屋面、墻面、窗臺等特定地點的風、陽光、輻射、氣溫與濕度條件3。由于微氣候形成因素復(fù)雜難以給出簡單的數(shù)學描述，因而以實驗研究作為工作的入手。為了解太陽輻射下建筑外熱環(huán)境的規(guī)律，特選擇了一座典型多層板樓進行現(xiàn)場測試。1.1 建筑描述實驗建筑（24#）為北京地區(qū)一南北朝向的5層宿舍樓，整體結(jié)構(gòu)為長方體。建筑周圍布局如圖1所示。各層的層高約3m，東西外墻尺寸為12.6m×15.4m；每層樓層的東西朝向都分別有一陽臺，無外窗；測點所對應(yīng)的房間為4人一間的宿舍，宿舍內(nèi)分別有一臺電視和計算機，此外并無其它較大熱源，室內(nèi)負荷相對比較穩(wěn)定。外墻材料為370mm厚的加氣混凝土砌塊，兩面

10、抹有厚度為20mm的淺灰色石灰砂漿，外墻表面粘有碎石。如圖2所示。圖1 建筑布局 圖2測點布置Fig.1 Building complexFig.2 Measuring point arrangement1.2 實驗測量參數(shù)及儀表1)溫度西墻各層表面上各布置了一個測點，共5個測點（第一周在東墻外表面同樣地布置了測點并監(jiān)測其溫度隨高度的變化）；室內(nèi)相應(yīng)布置了監(jiān)測外墻內(nèi)表面溫度及空氣溫度的測點；此外還監(jiān)測了室外的空氣溫度、路面及草坪溫度等相關(guān)參數(shù)。室外溫度的測量根據(jù)文獻中的建議考慮了防止太陽輻射4。溫度的測量采用RHLOG溫度自記儀，每20min記錄一次，共記錄約20d。RHLOG溫度自記儀由清華

11、同方設(shè)計生產(chǎn)，儀器精度為±0.2，具體布置如圖2所示。2) 輻照度測量西向垂直面上的輻照度，以分析太陽輻射對建筑外墻外表面溫度沿垂直方向上的分布的影響，采用DFY-2型天空輻射表進行測量，每20min記錄一次。該天空輻射表經(jīng)中國國家氣象局標定，儀器的靈敏度為8.86v/W·m2)，年穩(wěn)定性為±2%。3) 環(huán)境風速及上升氣流速度采用熱線風速儀測量外墻表面的貼附上升氣流風速并與環(huán)境風速進行比較。上升氣流的測點為五層離外墻約5cm處；環(huán)境風速測點離建筑外墻表面約1.5m。每隔20min人工讀一次數(shù)。熱線風速儀的測量范圍為0.0530m/s，誤差為測量值的±5%

12、。     05-12-25 16:46:00     作者：佚名    編輯：studa9ngns2.測試結(jié)果綜述2.1外墻表面溫度規(guī)律溫度記錄結(jié)果表明，一段時間內(nèi)建筑外墻外表面溫度沿垂直方向存在變化，并且由于朝向的不同其溫差的大小及波動幅度也不同。如圖3所示（如無特別的說明，文中所提到的溫差均指外墻表面垂直方向的最大溫差，即以表面溫度的最大值減去最小值而得）。 圖3 不同朝向外墻表面垂直方向溫差的變化Fig.3 Comparison between temperature

13、 differences of the vertical surface at different orientation如圖3所示，東墻外表面垂直方向的溫差一般都比較小，除了在早上由于陽光照射到東外墻各層的時間不同而導致溫差較大（約在2以上）外，此后其溫差則基本保持在1以下；而西墻外表面垂直方向的溫差在很長時間內(nèi)都在1.52以上，只在夜間才可能低于1。一段時間內(nèi)西墻外表面垂直溫度變化的標準偏差值如圖4所示。從圖中可看出，在中午至傍晚一段時間內(nèi)，西墻外表面溫度的穩(wěn)定波動較大，約在0.6以上，有時則在1以上，而在其余時段內(nèi)側(cè)較小。太陽輻射的影響可見一端。圖 4 西墻外表面垂直溫度變化的標準偏差F

14、ig.4 Standard deviation of the vertical temperaturevariations along the external surface of a west oriented wall如圖5所示，在太陽輻射下西墻的外表面溫度沿垂直方向呈現(xiàn)出一定規(guī)律：即約從下午14：00開始，1層外表面溫度均普遍高于其它各層。這種情況一般可延遲到第二天凌晨5：00左右；而在其余時間內(nèi)，多數(shù)情況下3、4層溫度略高，而2層溫度略低。另外，在不同時段內(nèi)西墻外表面隨高度變化的趨勢不同：在中午到晚上20：00-21：00之間，盡管依然是1層表面溫度最高，但受無規(guī)律外擾的影響，外表面

15、溫度隨高度的分布曲線還是扭曲變化得很厲害。圖5 西墻外表面溫度沿垂直方向的分布Fig.5 Vertical temperature distribution of the external surface of a west oriented wall圖6所示為一段時間內(nèi)西外墻各層外表面溫度之間的溫差變化情況，分別以各層的溫度減去1層溫度而得。由圖可知，一天絕大多數(shù)時間內(nèi)各層之間的溫差都在1.7以上；在下午16：00-17：00后，各層的溫降趨勢則明顯不同；圖中數(shù)據(jù)也表明多數(shù)時間內(nèi)西墻1層外表面的溫度最高。另外，在不同天氣狀況下外墻表面溫度的平均溫差在不同時段也不相同（以西墻為例說明），如表1

16、所示。從表中可以看到，只要不是陰雨天氣，12：00-20：00之間的外墻平均溫差總是較大，在1.6以上；而凌晨以后的溫差較小，一般在1以下；在太陽輻射較強時外墻表面各層之間的平均溫差可保持在3以上。圖6 西墻各層與1層外表面溫度的比較Fig.6 Temperature differences of external surface between 1st floor and others of a west oriented wall表1 不同氣候情況下西墻外表面溫度的平均溫差Table 1 Mean surface temperature differences of west wall at different climate conditions 0:0012:00dT/12:0020:00dT/20:0024:00dT/最高墻溫/環(huán)境風速/m·s-1日最大輻照度/S·m-2氣候情況0.660.910.842.051.070.910.630.61 0.522.111.643.201.551.711.582.24 0.631.321.161.950.721.200.981.51 30.1338.7638.5450.8538.900.8541.0546.06 11122 426.454