太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨

太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨

摘要介绍了建筑群温度变化的数学模型,并利用该模型模拟了济南某小区在四种不同工况下，太阳辐射作用引起的温升情况，对不同建筑密度、下垫面材料、自然通风风速的影响进行了比较。结果表明改变下垫面条件，加强自然通风可改善“城市热岛”效应。

关键词室外热环境热岛效应CTTC模型太阳辐射

0引言

随着人类生活水平及节能要求的提高，人们在关注室内环境的同时，也开始关注与生活息息相关的室外微气候。所谓微气候是指在建筑周围地面上及屋面、墙面、窗台等特定地点的风、阳光、辐射、气温与湿度条件[1]。室外微气候是人类直接感受到的室外气候,其与建筑物的耗能相关，在城市环境中，由于大量建筑材料的应用、绿化带的减少，以及人为放热等因素的加和作用，形成了与周边郊区气候迥然不同的城区气候，也称为都市气候的“热岛”现象。城市“热岛”现象严重改变了生态环境和建筑物的能耗量及热反映。若能在建筑规划阶段，正确预测建筑室外微环境的空气温度，避免出现过高的“热岛”现象或“冷岛”现象，使建筑获得最佳的节能效果，将使规划不仅能从美观上而且能从舒适度上使用户获得满意，达到人与自然的完美统一。室外气温是气候要素的一个重要因素，它与建筑能耗及人的舒适度紧密相关，太阳是地球获得热量的最重要能源，气温主要受太阳辐射的影响。在不同的建筑群中，由于建筑布局、风速、下垫面材料、绿化率等条件的不同，太阳辐射所引起的该地区的温升效果也不同。本文以CTTC模型为基础，模拟了不同建筑群吸收太阳辐射所引起的温升,并对其进行了比较。为合理规划减少能耗及改善微环境提供了参考意见。

1数学模型

建筑群空气温度模型

该模型以气象站测得的逐时气温为基础来预测城市地区建筑群温度的变化,并把特定地点的温度视为几个单独因素作用的叠加，用公式表示为

(1)

式中：为所研究地点的空气温度，即建筑群空气温度，℃；为建筑群温度变化的基础温度，

经实验确定为郊区的日平均温度，℃；为建筑群所吸收的太阳辐射热引起的空气温升，℃；为对天空的长波辐射引起的空气温降，℃。

太阳辐射引起的温升效果

水平地面所接受的太阳辐射热是引起建筑群温度变化的主要因素。假定城市覆盖层所吸收的太阳辐射热释放给空气，并服从指数衰减规律，Swaid和Hoffman给出温升变化的公式

(2)

式中：为下垫面对太阳辐射的吸收率，例如，沥青道路为~,土壤~；为综合换热系数,；为计算时刻，h；为单位面积上太阳直射辐射强度的平均步长变化，；CTTC为建筑群的热时间常数,h。

参数的计算

在现代城市的建设中，由于使用了一些建筑材料，例如混凝土和沥青，而大大改变了城市地区的热平衡。它们不仅改变了原有的自然景观，而且能在较短的时间内储存比同体积土壤更多的能量。由于这些密封性很强的材料代替了原来的植物带，下雨天不容易留住水分，因此水分蒸发吸热及植物蒸腾作用吸热均减小了。参数反映了结构的蓄热能力和透热能力，它具有时间的量纲，称为“热时间常数”。因此，预测模型也常称为CTTC模型，它的值可通过将所有活动面的热时间常数加权平均获得

CTTCground＋CTTCwall

式中：－相对于小区面积的建筑面积；－相对于小区面积的外墙面积；CTTCground－地板的热时间常数，约为8h；CTTCwall－墙壁的热时间常数，约为6h。单位面积上太阳直射平均辐射强度的计算

CTTC模型认为建筑群接受到的太阳辐射是造成建筑群温度波动的主要因素，对建筑群热环境有决定性的影响。..由于在建筑小区中，建筑物投下阴影，对太阳光形成了遮挡作用，并且这种遮挡效果在一天中随着太阳高度角的改变而发生变化。因此有必要对太阳辐射强度进行修正，求出平均的太阳辐射强度。公式如下所示

(4)

式中:－时间时无遮挡的太阳直射辐射强度，；－时间时的遮挡面积率。

紊流热交换系数的计算

综合热交换系数包含了辐射和对流的共同作用,对流热交换系数主要与沿下垫面的风速有关。城市地区的风速往往比空旷地区的风速要小。城市覆盖层下表面平均的综合热交换系数可由下式计算

(5)

其中：(6)

式中：－低温表面的发射率(；－辐射热交换系数，平均表面温度为20℃时，的值为;－对流热交换系数，；为下垫面附近的风速，。

2计算区域的确定

城市多是由许多高高低低的建筑物和纵横交错的街道或建筑物间的空地组成，纵横交错的街道或建筑物间的空地即为“城市峡谷”。我们所关心的往往是楼顶以下，峡谷内空气体的空气温度，并用集总参数的方法来研究，即不考虑峡谷空气体温度的差异。

3模型计算

城市热岛效应对城市环境的影响是害多利少，从城市建设和发展的角度来看，应控制和减小日趋严重化的热岛现象，改善城市的热湿环境。城市的不断发展，建筑物密度、高度的不断增大,人工铺装的路面、广场越来越多,这个立体化的下垫面能够比郊区吸收更多的太阳辐射能,它是形成热岛效应的基本条件。本文模拟采用的气象数据来自清华大学开发的Medpha软件，该软件可以模拟全国197个城市(地区)的各种类型逐时气象数据。济南市位于经度，纬度。7月21日的平均温度为℃,最高气温℃,最低气温℃。该日的太阳辐射强度从6：00至18：00如表1所示表1济南7月21日太阳辐射强度表

时刻6：007：008：009：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：0017：0018：00

直射辐射

本文根据济南7月21日的气象资料，对济南某小区4种工况进行了模拟计算,并对太阳辐射引起的空气温升情况进行了比较。具体4种工况如表2所示表2模拟工况表

下垫面吸收率风速/(m/s)小区建筑密度/座

工况19

工况26

工况39

工况49

计算结果

根据编制的程序对4种工况模拟,计算的结果得到了白天6:00至18:00太阳辐射引起的温升大小。基准温度取７月21日的平均温度，为℃。总体看来,其增长幅度情况是符合空气温度变化趋势的。

(1)建筑密度的影响

工况1代表建筑密度较大的小区，共有9座建筑，工况2代表建筑密度较小的小区，共有6座建筑。图1对这两种工况进行了比较。

图1建筑密度对太阳辐射引起温升的影响

可以看出，白天太阳辐射对建筑密度小的小区的温升作用要大于对建筑密度大的小区。这种差异从早晨6：00开始逐步变大，到下午3：00左右达到最大，然后又逐渐变小。形成这种差异的原因是建筑密度小的小区下垫面接受到的太阳辐射较多。

下垫面的影响

工况1代表下垫面吸收率较高的小区，平均吸收率为。工况2代表下垫面吸收率较低的小区，平均吸收率为。图2对这两种工况进行了比较。

图3下垫面吸收率对太阳辐射引起温升的影响

可以看出，太阳辐射对下垫面吸收率小的小区的温升作用要小于吸收率大的小区。这种差异也是从早晨6：00开始逐渐变大，下午3：00左右达到最大，然后逐渐变小。吸收率小的下垫面吸收的太阳辐射热较少，因此它通过对流及辐射作用释放到空气中的热量较少，引起的温升小。值得指出的是这种比较不包括草地、水景、树木等下垫面。草坪等下垫面吸收的太阳辐射热并不全部释放到空气中，部分热量用于蒸腾作用、光合作用及水分蒸发，这部分热量被消耗掉是这些下垫面可以起到降温作用的主要原因。几种下垫面的吸收率如下表所示表3几种下垫面的吸收率

道路混凝土砖石土壤(黑湿)沙漠草水

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风速的影响

工况1代表风速较大时的小区，风速为3m/s,工况4代表风速较小时的小区，风速为/s。图3对这两种工况进行了比较。

图3风速对太阳辐射引起温升的影响

可以看出，风速越大，太阳辐射引起的空气温升越小，其变化趋势与前两种情况相同。风速越大，对流作用越强，同时由风带走的热量也越多。可见，风速有助于减弱建筑群的“热岛效应”。此结论与国内外很多研究结果相符。根据Sundborg对瑞典乌萨拉城乡气温对比与当地气象条件关系的观测和分析得出的回归方程、Emonds对德国波恩城市热岛的回归方程的热岛强度经验公式来看,风速与热岛强度呈负相关,风速越大,建筑群温度越接近气象站温度。根据周等的研究,我国北京地区不同季节热岛消失的临界风速是不同的,冬季热岛强度最强,热岛消失的临界风速也最大,夏季的热岛强度在四季中是最弱的,热岛消失的临界风速也是最小的。

4结论

CTTC模型能反映太阳辐射引起建筑群空气温升的真实趋势。通过模拟结果比较可以得出的结论有

小区建筑密度较小时，接受的太阳辐射较充足，由此引起的小区温升较大。

尽量使用对太阳光吸收率较小的浅色建筑材料，避免采用对太阳光吸收率较大的沥青、混凝土来铺装全部地面。

通过合理布置小区建筑物，加强小区的自然通风，可有利于市区的热量散失到郊区，从而有效改善小区热岛效应。

5不足与展望

小区热环境由很多因素共同决定。本文主要探讨了太阳辐射对温升的影响，它是影响小区热环境的最重要因素。本模拟是主要针对夏季某一天的工况进行的模拟计算，采用的气象数据来自30年累计的结果，故无法进行实验验证。但本模拟采用的是国外比较成熟的模型，故模拟结果是有参考价值的。

本文只考虑了“峡谷”下垫面所接受的太阳辐射热，而未考虑“峡谷”两侧所接受的辐射热，有待进一步改进。小区热环境由太阳辐射、天空可见度、绿化和水景及人为热共同决定，本文仅探讨了对热环境起主导作用的太阳辐射对温度的影响，有待对影响热环境的其它因素进行探讨。

参