太阳辐射下建筑外微气候的实验研究--建筑外表面温度分布及气流

1、太阳辐射下建筑外微气候的实验研究-建筑外表面温度分布及气流特征 05-12-25 16:46:00 作者：佚名编辑：studa9ngnsSTUDY ON SOLAR RADIATION EFFECTS ON THE MICROCLIMATEOF BUILDING ENVELOPE：THE CHARACTERISTICS OFEXTERNAL SURFACE TEMPERATURE AND AIRFLOW摘要：通过一段时间内对某栋典型多层板楼建筑外微气候相关参数的监测，总结其规律如下：1）在太阳强辐射时间内，不同朝向的外墙外表面温度随高度分布的情况不同，西向外墙表面温度随高度变化幅度最大，其外表

2、面垂直温度的最大温差一般可在2以上，标准偏差约在0.6以上；2）多数时间内（主要为下午2点左右至次日凌晨），西墙外表面温度以1层最高；3）建筑热外表面可产生诱导上升热气流。并在综合分析了了如太阳辐射、对流换热等影响因素不同作用效果的基础上给出了合理的解释。关键词：微气候；建筑；太阳辐射；长波辐射；温度分布；辐照度Abstract:In this study, the external microclimate parameters of a typical multistoried building were measured during a period of time. Time res

3、ults 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, and the max discrepancy of vertical temperature appears on the external surface of west oriented wall, whose m

4、ax 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 temperature of the lowest floor wall faced west is higher than others; 3) The rising of induced airflow on the bu

5、ildings 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 explanation is presented.Keywords: microclimate; buildings; solar radiation; long-wave radiation; temperature dis

6、tribution; irradiance 0 引言伴随着空调的迅猛发展而引发的能源短缺、环境污染，以及病态建筑综合症等问题，使得在当今社会可持续发展和舒适健康日益成为建筑和空调系统设计的热点。基于解决上述问题，建立绿色居住建筑体系已经达成共识。目前各方面的学者都在积极探讨建筑的可持续发展之路。有学者提出低能耗健康建筑的概念1，意为充分利用自然能源的被动式供热空调建筑，它能提供人们生活和生产需要的建筑环境，保证人体的卫生和健康，同时具有节能建筑的特点。自然通风和小区绿化等就体现了这种思想。在夏季炎热地区，自然通风是人们主要采用的住宅降温手段。建筑设计怎样来促进建筑物的自然通风和降低室温长期以来

7、一直是研究讨论的话题，然而从目前的研究来看，多数考虑的是通风进入室内后的流动，而建筑外气流的形成、形式及对室内热环境的影响却很少涉及；尽管有学者在20世纪50年代就发现了太阳辐射下建筑热外表面的上升热气流对自然通风的诱导作用以当阳面与背阴面空气温差的可利用性，指出了在炎热干燥地区对无风燥热天气下通风的意义2，但却很少有人能从建筑热环境的角度出发，研究建筑外微气候如建筑外不同位置不同表面的温度分布，夜间长波辐射以及空气的气流形式等建筑周围热环境的特性，考虑其对小区热环境及室内热环境的影响并引入到实际的建筑设计中。实际上，正是由于目前人们对人居热环境的动态特征的研究方兴未艾，许多研究分析结果尚处于

8、试探性阶段，才使得人们尽管在不断深刻意识到人居热环境重要性的同时，却不知从何入手、真正与建筑设计相结合并付诸工程实践中。从这一点上讲，对建筑外各表面微气候的相关动态参数进行现场观测及基础理论分析，研究其规律并在此基础上探讨如何结合小区布局和建筑设计以改善人居环境，不失为一项有意义的工作。1 建筑外微气候的实验研究微气候指的是在建筑物周围地面及屋面、墙面、窗台等特定地点的风、阳光、辐射、气温与湿度条件3。由于微气候形成因素复杂难以给出简单的数学描述，因而以实验研究作为工作的入手。为了解太阳辐射下建筑外热环境的规律，特选择了一座典型多层板楼进行现场测试。1.1 建筑描述实验建筑（24#）为北京地区

9、一南北朝向的5层宿舍楼，整体结构为长方体。建筑周围布局如图1所示。各层的层高约3m，东西外墙尺寸为12.6m15.4m；每层楼层的东西朝向都分别有一阳台，无外窗；测点所对应的房间为4人一间的宿舍，宿舍内分别有一台电视和计算机，此外并无其它较大热源，室内负荷相对比较稳定。外墙材料为370mm厚的加气混凝土砌块，两面抹有厚度为20mm的浅灰色石灰砂浆，外墙表面粘有碎石。如图2所示。图1 建筑布局 图2测点布置Fig.1 Building complexFig.2 Measuring point arrangement1.2 实验测量参数及仪表1)温度西墙各层表面上各布置了一个测点，共5个测点（第一

10、周在东墙外表面同样地布置了测点并监测其温度随高度的变化）；室内相应布置了监测外墙内表面温度及空气温度的测点；此外还监测了室外的空气温度、路面及草坪温度等相关参数。室外温度的测量根据文献中的建议考虑了防止太阳辐射4。温度的测量采用RHLOG温度自记仪，每20min记录一次，共记录约20d。RHLOG温度自记仪由清华同方设计生产，仪器精度为0.2，具体布置如图2所示。2) 辐照度测量西向垂直面上的辐照度，以分析太阳辐射对建筑外墙外表面温度沿垂直方向上的分布的影响，采用DFY-2型天空辐射表进行测量，每20min记录一次。该天空辐射表经中国国家气象局标定，仪器的灵敏度为8.86v/Wm2)，年稳定性

11、为2%。3) 环境风速及上升气流速度采用热线风速仪测量外墙表面的贴附上升气流风速并与环境风速进行比较。上升气流的测点为五层离外墙约5cm处；环境风速测点离建筑外墙表面约1.5m。每隔20min人工读一次数。热线风速仪的测量范围为0.0530m/s，误差为测量值的5%。 05-12-25 16:46:00 作者：佚名编辑：studa9ngns2.1外墙表面温度规律温度记录结果表明，一段时间内建筑外墙外表面温度沿垂直方向存在变化，并且由于朝向的不同其温差的大小及波动幅度也不同。如图3所示（如无特别的说明，文中所提到的温差均指外墙表面垂直方向的最大温差，即以表面温度的最大值减去最小值而得）。 图3

12、不同朝向外墙表面垂直方向温差的变化Fig.3 Comparison between temperature differences of the vertical surface at different orientation如图3所示，东墙外表面垂直方向的温差一般都比较小，除了在早上由于阳光照射到东外墙各层的时间不同而导致温差较大（约在2以上）外，此后其温差则基本保持在1以下；而西墙外表面垂直方向的温差在很长时间内都在1.52以上，只在夜间才可能低于1。一段时间内西墙外表面垂直温度变化的标准偏差值如图4所示。从图中可看出，在中午至傍晚一段时间内，西墙外表面温度的稳定波动较大，约在0.6以上

13、，有时则在1以上，而在其余时段内侧较小。太阳辐射的影响可见一端。图 4 西墙外表面垂直温度变化的标准偏差Fig.4 Standard deviation of the vertical temperaturevariations along the external surface of a west oriented wall如图5所示，在太阳辐射下西墙的外表面温度沿垂直方向呈现出一定规律：即约从下午14：00开始，1层外表面温度均普遍高于其它各层。这种情况一般可延迟到第二天凌晨5：00左右；而在其余时间内，多数情况下3、4层温度略高，而2层温度略低。另外，在不同时段内西墙外表面随高度变化的

14、趋势不同：在中午到晚上20：00-21：00之间，尽管依然是1层表面温度最高，但受无规律外扰的影响，外表面温度随高度的分布曲线还是扭曲变化得很厉害。图5 西墙外表面温度沿垂直方向的分布Fig.5 Vertical temperature distribution of the external surface of a west oriented wall图6所示为一段时间内西外墙各层外表面温度之间的温差变化情况，分别以各层的温度减去1层温度而得。由图可知，一天绝大多数时间内各层之间的温差都在1.7以上；在下午16：00-17：00后，各层的温降趋势则明显不同；图中数据也表明多数时间内西墙1层

15、外表面的温度最高。另外，在不同天气状况下外墙表面温度的平均温差在不同时段也不相同（以西墙为例说明），如表1所示。从表中可以看到，只要不是阴雨天气，12：00-20：00之间的外墙平均温差总是较大，在1.6以上；而凌晨以后的温差较小，一般在1以下；在太阳辐射较强时外墙表面各层之间的平均温差可保持在3以上。图6 西墙各层与1层外表面温度的比较Fig.6 Temperature differences of external surface between 1st floor and others of a west oriented wall表1 不同气候情况下西墙外表面温度的平均温差Table 1 Mean surface temperature differences of west wall at different climate conditions 0:0012:00dT/12:0020:00dT/20:0024:00dT/最高墙温/环境风速/ms-1日最大辐照度/Sm-2气候情况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 11