太陽輻射對不同建築群產生溫升效果的探討

論文類別:工學論文 > 工程建築論文
論文作者: 王菲 肖勇全
上傳時間:2006/7/4 16:45:00

摘要:介紹了建築群溫度變化的數學模型,並利用該模型模擬了濟南某小區在四種不同工況下,太陽輻射作用引起的溫升情況,對不同建築密度、下墊面材料、自然通風風速的影響進行了比較。結果表明改變下墊面條件,加強自然通風可改善“城市熱島”效應。

關鍵詞:室外熱環境 熱島效應 CTTC模型 太陽輻射

0 引言

  隨著人類生活水平及節能要求的提高,人們在關註室內環境的同時,也開始關註與生活息息相關的室外微氣候。所謂微氣候是指在建築周圍地面上及屋面、墻面、窗臺等特定地點的風、陽光、輻射、氣溫與濕度條件[1]。室外微氣候是人類直接感受到的室外氣候,其與建築物的耗能相關,在城市環境中,由於大量建築材料的應用、綠化帶的減少,以及人為放熱等因素的加和作用,形成了與周邊郊區氣候迥然不同的城區氣候,也稱為都市氣候的“熱島”現象。城市“熱島”現象嚴重改變了生態環境和建築物的能耗量及熱反映。若能在建築規劃階段,正確預測建築室外微環境的空氣溫度,避免出現過高的“熱島”現象或“冷島”現象,使建築獲得最佳的節能效果,將使規劃不僅能從美觀上而且能從舒適度上使用戶獲得滿意,達到人與自然的完美統一。室外氣溫是氣候要素的一個重要因素,它與建築能耗及人的舒適度緊密相關,太陽是地球獲得熱量的最重要能源,氣溫主要受太陽輻射的影響。在不同的建築群中,由於建築布局、風速、下墊面材料、綠化率等條件的不同,太陽輻射所引起的該地區的溫升效果也不同。本文以CTTC模型為基礎,模擬了不同建築群吸收太陽輻射所引起的溫升,並對其進行了比較。為合理規劃減少能耗及改善微環境提供了參考意見。

1 數學模型

1.1 建築群空氣溫度模型

  該模型以氣象站測得的逐時氣溫為基礎來預測城市地區建築群溫度的變化,並把特定地點的溫度視為幾個單獨因素作用的疊加,用公式表示為[2]

   太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨 (1)

  式中:太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨為所研究地點的空氣溫度,即建築群空氣溫度,℃;太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨為建築群溫度變化的基礎溫度,

  經實驗確定為郊區的日平均溫度,℃;太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨為建築群所吸收的太陽輻射熱引起的空氣溫升,℃; 太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨為對天空的長波輻射引起的空氣溫降,℃。

1.2 太陽輻射引起的溫升效果

  水平地面所接受的太陽輻射熱是引起建築群溫度變化的主要因素。假定城市覆蓋層所吸收的太陽輻射熱釋放給空氣,並服從指數衰減規律,Swaid和Hoffman給出溫升變化的公式:

  太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨            (2)    

  式中: 太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨為下墊面對太陽輻射的吸收率,例如,瀝青道路為0.80~0.95,土壤0.60~0.95;太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨為綜合換熱系數,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為計算時刻,h太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨為單位面積上太陽直射輻射強度的平均步長變化,太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨CTTC為建築群的熱時間常數,h

1.2.1 太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨參數的計算

  在現代城市的建設中,由於使用了一些建築材料,例如混凝土和瀝青,而大大改變了城市地區的熱平衡。它們不僅改變了原有的自然景觀,而且能在較短的時間內儲存比同體積土壤更多的能量。由於這些密封性很強的材料代替了原來的植物帶,下雨天不容易留住水分,因此水分蒸發吸熱及植物蒸騰作用吸熱均減小了。太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨參數反映了結構的蓄熱能力和透熱能力,它具有時間的量綱,稱為“熱時間常數”。因此,預測模型也常稱為CTTC模型,它的值可通過將所有活動面的熱時間常數加權平均獲得:

   太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨CTTCground太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨CTTCwall (3)

  式中:太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨-相對於小區面積的建築面積;太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨-相對於小區面積的外墻面積;CTTCground-地板的熱時間常數,約為8h;CTTCwall-墻壁的熱時間常數,約為6h

1.2.2 單位面積上太陽直射平均輻射強度的計算

  CTTC模型認為建築群接受到的太陽輻射是造成建築群溫度波動的主要因素,對建築群熱環境有決定性的影響。..由於在建築小區中,建築物投下陰影,對太陽光形成了遮擋作用,並且這種遮擋效果在一天中隨著太陽高度角的改變而發生變化。因此有必要對太陽輻射強度進行修正,求出平均的太陽輻射強度。公式如下所示:

   太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨 (4)

  式中:太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨-時間太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨時無遮擋的太陽直射輻射強度,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-時間太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨時的遮擋面積率。

1.2.3 紊流熱交換系數的計算

  綜合熱交換系數包含了輻射和對流的共同作用,對流熱交換系數主要與沿下墊面的風速有關。城市地區的風速往往比空曠地區的風速要小。城市覆蓋層下表面平均的綜合熱交換系數可由下式計算[3]

  太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨 (5)

  其中: 太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨(6)

  式中:太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨-低溫表面的發射率(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-輻射熱交換系數,平均表面溫度為20℃時,太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨的值為0.57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-對流熱交換系數,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為下墊面附近的風速,太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨

2 計算區域的確定

  城市多是由許多高高低低的建築物和縱橫交錯的街道或建築物間的空地組成,縱橫交錯的街道或建築物間的空地即為“城市峽谷”。我們所關心的往往是樓頂以下,峽谷內空氣體的空氣溫度,並用集總參數的方法來研究,即不考慮峽谷空氣體溫度的差異。

3 模型計算

  城市熱島效應對城市環境的影響是害多利少,從城市建設和發展的角度來看,應控制和減小日趨嚴重化的熱島現象,改善城市的熱濕環境。城市的不斷發展,建築物密度、高度的不斷增大,人工鋪裝的路面、廣場越來越多,這個立體化的下墊面能夠比郊區吸收更多的太陽輻射能,它是形成熱島效應的基本條件[4]。本文模擬采用的氣象數據來自清華大學開發的Medpha軟件,該軟件可以模擬全國197個城市(地區)的各種類型逐時氣象數據。濟南市位於經度116.98o,緯度36.68o。7月21日的平均溫度為26.36℃,最高氣溫34.21℃,最低氣溫19.21℃。該日的太陽輻射強度從6:00至18:00如表1所示:

表1 濟南7月21日太陽輻射強度表

時刻   6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00

直射輻射 213.6  417.7 607.9 771.3  896.7  975.5 1002.4  975.5  896.7  771.3  607.9  417.7 213.6

  本文根據濟南7月21日的氣象資料,對濟南某小區4種工況進行了模擬計算,並對太陽輻射引起的空氣溫升情況進行了比較。具體4種工況如表2所示:

表2 模擬工況表

    下墊面吸收率太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨  風速太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨/(m/s)  小區建築密度/座

工況1       0.74      3.0      9

工況2       0.74      3.0      6

工況3       0.64      3.0      9

工況4       0.74      2.5      9

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3.1 計算結果

  根據編制的程序對4種工況模擬,計算的結果得到了白天6:00至18:00太陽輻射引起的溫升大小。基準溫度取7月21日的平均溫度,為26.36℃。總體看來,其增長幅度情況是符合空氣溫度變化趨勢的。

  (1) 建築密度的影響

  工況1代表建築密度較大的小區,共有9座建築,工況2代表建築密度較小的小區,共有6座建築。圖1對這兩種工況進行了比較。

  可以看出,白天太陽輻射對建築密度小的小區的溫升作用要大於對建築密度大的小區。這種差異從早晨6:00開始逐步變大,到下午3:00左右達到最大,然後又逐漸變小。形成這種差異的原因是建築密度小的小區下墊面接受到的太陽輻射較多。

  (2)下墊面的影響

  工況1代表下墊面吸收率較高的小區,平均吸收率為0.74。工況2代表下墊面吸收率較低的小區,平均吸收率為0.64。圖2對這兩種工況進行了比較。

  可以看出,太陽輻射對下墊面吸收率小的小區的溫升作用要小於吸收率大的小區。這種差異也是從早晨6:00開始逐漸變大,下午3:00左右達到最大,然後逐漸變小。吸收率小的下墊面吸收的太陽輻射熱較少,因此它通過對流及輻射作用釋放到空氣中的熱量較少,引起的溫升小。值得指出的是這種比較不包括草地、水景、樹木等下墊面。草坪等下墊面吸收的太陽輻射熱並不全部釋放到空氣中,部分熱量用於蒸騰作用、光合作用及水分蒸發,這部分熱量被消耗掉是這些下墊面可以起到降溫作用的主要原因。幾種下墊面的吸收率太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨如下表所示:

表3 幾種下墊面的吸收率

道路(瀝青)  混凝土   磚     石    土壤(黑濕)    沙漠    草    水

0.8~0.95  0.65~0.9  0.6~0.8  0.65~0.8  0.6~0.95  0.55~0.8  0.74~0.84  0.9~097

  (3) 風速的影響

  工況1代表風速較大時的小區,風速為3m/s,工況4代表風速較小時的小區,風速為2.5m/s。圖3對這兩種工況進行了比較。

  可以看出,風速越大,太陽輻射引起的空氣溫升越小,其變化趨勢與前兩種情況相同。風速越大,對流作用越強,同時由風帶走的熱量也越多。可見,風速有助於減弱建築群的“熱島效應”。此結論與國內外很多研究結果相符。根據Sundborg對瑞典烏薩拉城鄉氣溫對比與當地氣象條件關系的觀測和分析得出的回歸方程、Emonds對德國波恩城市熱島的回歸方程的熱島強度經驗公式來看,風速與熱島強度呈負相關,風速越大,建築群溫度越接近氣象站溫度。根據周等的研究,我國北京地區不同季節熱島消失的臨界風速是不同的,冬季熱島強度最強,熱島消失的臨界風速也最大,夏季的熱島強度在四季中是最弱的,熱島消失的臨界風速也是最小的[4]

4 結論

  CTTC模型能反映太陽輻射引起建築群空氣溫升的真實趨勢。通過模擬結果比較可以得出的結論有:

  (1)小區建築密度較小時,接受的太陽輻射較充足,由此引起的小區溫升較大。

  (2)盡量使用對太陽光吸收率較小的淺色建築材料,避免采用對太陽光吸收率較大的瀝青、混凝土來鋪裝全部地面。

  (3)通過合理布置小區建築物,加強小區的自然通風,可有利於市區的熱量散失到郊區,從而有效改善小區熱島效應。

5 不足與展望

  小區熱環境由很多因素共同決定。本文主要探討了太陽輻射對溫升的影響,它是影響小區熱環境的最重要因素。本模擬是主要針對夏季某一天的工況進行的模擬計算,采用的氣象數據來自30年累計的結果,故無法進行實驗驗證。但本模擬采用的是國外比較成熟的模型,故模擬結果是有參考價值的。

  本文只考慮了“峽谷”下墊面所接受的太陽輻射熱,而未考慮“峽谷”兩側所接受的輻射熱,有待進一步改進。小區熱環境由太陽輻射、天空可見度、綠化和水景及人為熱共同決定,本文僅探討了對熱環境起主導作用的太陽輻射對溫度的影響,有待對影響熱環境的其它因素進行探討。

參考文獻

  1.馬克斯 T A·,莫裏斯.建築物·氣候·能量. 北京:中國建築工業出版社, 1990
  2.Swaid H, Hoffman M E, Energy and Buildings, 1997,25: 41-49.
  3.M.M.Elnahls, Williamson T.J, Energy and Buildings, 1990,14: 313 –324.
  4. 宋德萱. 建築環境控制學. 南京:東南大學出版社, 2002

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