张红婴;钟珂;刘加平
【摘 要】以上海地区的建筑围护结构传热过程为研究背景,在分析太阳辐射作用下围护结构热平衡关系的基础上,采用数值模拟方法,讨论了太阳辐射吸收系数对4种不同朝向围护结构冬季和夏季外表面温度和太阳辐射全天净得热量的影响.结果表明:减小屋顶、东墙和西墙的太阳辐射吸收系数有利于降低建筑夏季供冷能耗,提高南墙外表面吸收系数能明显降低冬季供暖能耗;南墙采用吸收系数较高的粉刷材料将有利于降低供热供冷总能耗和外饰面造价,除南墙外其他朝向外表面应选用吸收系数较低的反射隔热涂料,且其经济性与建筑高度和窗墙比有关.%Based on energy balance of building exterior surfaces with different solar absorption coefficients,the heat transfer processes of building envelopes in the Shanghai area are studied by numerical simulations.The time series of the temperature of building exterior surfaces with four different orientations and the daily net heat gain due to solar radiation of the building envelopes are analyzed on winter and summer solstices by using the simulation data.The results show that the reducing of solar radiation absorption coefficients of the roof,eastern and western exterior surfaces are beneficial to conserve the summer cooling energy consumption.In contrast,the absorption coefficients of the exterior surface of southern wall can obviously reduce energy consumption in winter.Moreover,taking aim at reducing the annual energy consumption and the annual cost of coating,the exterior surface of southern wall should employ the common painting with higher absorption coefficient,while the best option of solar radiation absorption coefficient for the other facades are solar reflective coatings with lower absorption coefficient,and its economic effectiveness is determined by the height and window-to-wall ratios of building.
【期刊名称】《东华大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(043)002
【总页数】8页(P266-273)
【关键词】太阳辐射;吸收系数;供热能耗;供冷能耗;建筑外饰面
【作 者】张红婴;钟珂;刘加平
【作者单位】东华大学环境科学与工程学院,上海201620;江西理工大学建筑与测绘工程学院,江西赣州341000;东华大学环境科学与工程学院,上海201620;西安建筑科技大学建筑学院,陕西西安710055
【正文语种】中 文
【中图分类】电动比例调节阀TU832.1
太阳辐射吸收系数决定围护结构对照射到其表面上的太阳辐射能的吸收程度.增大太阳辐射吸收系数, 能提高围护结构外表面对太阳辐射能的吸收量, 从而降低建筑冬季供暖能耗, 但同时会提高夏季供冷能耗.我国长江下游地区的气候为冬季寒冷、夏季炎热, 为使建筑全年供热和供冷综合能耗达到最低, 应该综合考虑冬、夏季建筑围护结构外表面对太阳辐射能的吸收情况, 优化建筑对太阳辐射能的利用.
关于在不同吸收系数下, 太阳辐射对围护结构的热作用, 近年来已有不少相关研究.如文献[1]用离散传输辐射模型(DTRM)模拟了在太阳辐射作用下, 庭院式建筑外表面吸收系数对外表面温度及热岛强度的影响.文献[2]研究了热反射隔热涂料对夏季房间降温效果的影响.文献[3]
用热网络动态模型研究了建筑表面颜、表面粗糙度和表面材料等与吸收系数有关的因素对围护结构表面温度变化的影响.文献[4]研究了热湿气候条件下围护结构外表面颜对室内温度的影响.
上述这些研究主要集中在吸收系数对围护结构表面温度和室内温度影响等方面.关于太阳辐射吸收系数对供暖和供冷能耗的影响, 以及不同吸收系数的经济成本与空调全年能耗的相关性的研究较少.为此, 本文将利用数学分析和数值模拟的方法, 以长江下游地区的典型代表城市上海的气候条件为背景, 分析计算太阳辐射吸收系数对围护结构太阳辐射净得热量的影响, 并在此基础上分析不同高度和窗墙比的建筑在不同吸收系数的外饰面方案下的冬季供热能耗和夏季供冷能耗, 为优化选择围护结构外表面太阳辐射吸收系数，以及达到建筑节能和节约外饰面费用的目的提供理论依据.西罗园五小
1.1 物理模型
我国的长江下游地区气候变化一致性较高, 年均温度为14～18 ℃[5], 其中, 上海地区年均气温为16 ℃, 人口数量和密度以及建筑体量均较大, 因此, 本文以上海地区(东经121.5°, 北纬31.2°)的冬季和夏季典型气候条件为模拟和讨论背景.考虑到计算工作量和计算对象实用性
的要求, 建筑模型外形尺寸设为10 m×10 m×10 m(长×宽×高).在数值计算中, 不考虑室内空气流动和内隔墙传热的影响, 仅计算外围护结构的传热过程, 建筑模型如图1所示.
由于室外气流运动产生的对流效应对建筑散热影响很大, 因此, 必须保证建筑周围流场模拟结果的准确性.文献[6]指出, 对于单体建筑, 顶部边界为5H (H为目标建筑的高度), 侧边界为5H, 入口边界和建筑物之间的距离应使建筑物迎风面处的风流流场平滑, 出口边界大于10H时, 可以满足流场模拟计算准确性的要求.为此, 计算域设为163.82 m×114 m×60 m (长×宽×高), 如图1所示.
1.2 工况设置和材料物性参数选择
兰兰过桥教案文献[7]的研究表明, 不同的建筑外饰面材料具有不同的太阳辐射吸收性能.模拟计算围护结构外表面在涂覆反射隔热涂料、普通白涂料和普通水泥砂浆情况下的不稳态传热过程, 并分别将其设置为工况1(Case 1)、工况2(Case 2)和工况3(Case 3).为了研究太阳辐射单一因素对围护结构不稳态传热的影响, 将建筑围护结构外表面完全不吸收太阳辐射能(外表面吸收系数为0)的不稳态传热计算设置为基准工况, 记为工况0(Case 0).中华人民共和国住房和城乡建设部建科[2002]209号文规定“高层建筑外墙涂料的使用寿命不低于10 a”，因此, 选
取涂料的使用寿命为10 a.涂覆反射隔热涂料、普通白涂料和普通水泥砂浆的建筑围护结构外表面10 a内的平均吸收系数[8](ρ)如表1所示.
假设: 垂直围护结构外表面方向上的建筑材料是均匀的, 屋顶和墙面的其他物性参数以及厚度相同, 地面的所有物性参数均相同.围护结构和地面的物性参数和厚度[9]列于表2中，其中, δ为材料厚度, ρs为材料密度, λ为材料的导热系数, cp为材料的热容.
1.3 计算方法和数学模型
本文采用有限容积法离散控制方程, 对离散方程的差分采用二阶迎风格式.压力速度耦合方式采用SIMPLE格式, 靠近壁面区域采用标准壁面函数法[10].用非稳态法进行计算, 时间步长为90 s.
在数值模拟中采用Fluent 6.3.26作为基本程序.假设环境空气为不可压缩黏性常物性流体.为获得简洁明确的结果, 认为计算过程中的环境风速及风向不变, 即建筑周围流场稳定.不考虑建筑散热对周围流场的影响, 流场控制方程详见文献[11].辐射和传热控制方程详见文献[12-14].
1.4 边界条件和初始条件
考虑到建筑附近地面反射的太阳辐射对围护结构外表面的影响, 将距离建筑外缘20 m范围内的地面设为可以反射和吸收太阳辐射.冬季和夏季室外气温ta分别采用冬季和夏季典型日的实测结果[15], 冬季和夏季围护结构各朝向外表面的太阳辐射强度I分别采用冬至日和夏至日晴朗天气数据, 如图2所示.围护结构内表面由于空调的作用, 其温度保持恒定, 冬季设为16 ℃, 夏季设为25 ℃.土壤底层温度保持恒定, 冬季为7.8 ℃, 夏季为20 ℃.
上海地区为季风区, 冬季主导风向为西北风, 夏季主导风向为东南风, 风速范围通常为0～7 m/s, 其中小于1 m/s时的风频率达16.6%[16].由于风速较小时建筑对流散热量较小, 吸收系数对建筑得热和传热的影响更为明显, 因此, 本文随后的讨论将以风速1 m/s作为代表性风速.
计算域入口和出口分别设置为速度入口和速度出口, 其上下面设置为无滑移壁面, 左右面设置为对称面.计算域内太阳高度和方向信息由Fluent软件自带的程序进行计算.
为获得具有实际意义的结果, 这里对物理模型做了以下简化和假设:
荔波县朝阳高铁隧道透水事件
(1)设计算开始时刻, 系统热环境已达到了平衡;
(2)假设空气对于太阳辐射是透明体, 而建筑外表面和地面对于太阳辐射是不透明的.
1.5 模型验证
上述数学模型的正确性验证采用文献[17]提供的数据.文献[17]对太阳辐射作用下西班牙vigo地区(西经8.72°, 北纬42.24°)的一处混凝土建筑的南外墙温度t随时间τ的变化进行了实测和模拟.本文用文献[17]提供的实测细节, 采用上述数学模型和计算方法进行数值模拟.本文的数值计算结果与文献[17]的模拟和实测结果的比较如图3所示.
从图3中可以看出, 本文用数值模拟计算得到的南墙温度和实测温度吻合很好, 在大部分时间里甚至要优于文献[17]的模拟值.因此, 本文建立的计算流体动力学(CFD)模型在计算太阳辐射和建筑物的传热方面是可靠的, 可以用于后续的研究.
2.1 围护结构外表面温度以及辐射温度增量分析
选取代表性的两个朝向来说明吸收系数对冬季和夏季围护结构外表面温度的影响, 如图4所示.
要练惊人艺从图4可以看出, 无论冬季还是夏季, 屋顶和南墙外表面的温度随辐射吸收系数的增大而增大, 但不同季节辐射吸收系数对围护结构外表面温度的影响程度不同, 如夏季不同吸收系数对应南墙外表面温度随时间的变化曲线几乎重合, 而在冬季区别很大(见图4(a)).屋顶外表面温度在冬季和夏季受吸收系数的影响都很大.另外, 由图4还可以看到, 相对于无太阳辐射的理想情况(ρ =0), 围护结构吸收太阳能后表面温度增高, 其中, 南墙外表面因太阳辐射的增温幅度在冬季大于夏季, 屋顶则相反.
为了详细分析不同朝向围护结构表面辐射吸收系数对外表面温度的影响, 定义围护结构外表面辐射温度增量(tmnτ)为
式中: tmnτ 为太阳辐射吸收系数为ρm、朝向为n时、τ时刻围护结构外表面的温度, 其中, 下标m表示模拟工况, m=1, 2, 3分别表示工况为Case 1, Case 2, Case 3, 下标n表示围护结构朝向, n=1, 2, 3和4, 依次表示屋顶、南墙、东墙和西墙; t0nτ 为吸收系数为ρ0(工况为Case 0)、朝向为n时、τ时刻围护结构外表面的温度.太极图解
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