合肥地区太阳辐射对围护结构传热影响研究

程海峰，刘 凯，胡 宁（安徽建筑大学　环境与能源工程学院，安徽合肥　230022）



合肥地区太阳辐射对围护结构传热影响研究

程海峰，刘 凯，胡 宁
（安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥230022）

摘要：本文主要研究合肥地区夏季太阳辐射引起的热量通过东西向外围护结构向室内的传递情况，利用DB模拟分别得到东西向外壁面温度变化趋势，结合实测数据分析了西晒造成室内过热的原因，并提出采取西向外建筑遮阳措施减少热量向室内的传递，定性分析了其节能效果。

关键词：太阳辐射；遮阳；外壁面温度

0　引　言

我国建筑能耗占社会总能耗的30%左右［1］，其中采暖和空调占建筑能耗60-70%左右［2］，可见采暖和空调能耗是建筑物能耗的主要影响因子，其主要影响因素有太阳辐射、窗墙比、围护结构、室内温度、人员密度、照度标准、设备功率及其新风指标［3］等，夏季太阳辐射量较大，一部分通过外窗等透明结构直接进入室内，提高室内表面和空气温度，这也是室内得热的主要部分，另一部分通过外围护结构的传热影响室内热环境［4］，所以降低太阳辐射是建筑节能的重要一环，郑海晨［5］王欢［6］等提出利用内外遮阳降低透过窗户的辐射量，本文重点分析辐射热通过西向外围护结构向室内的传递情况，分析西晒造成室内持续高温的原因，并提出合理的解决方法。

1　外围护结构基本构造

太阳辐射得热一种表现形式是与建筑外表面进行光热转换，提高外表面温度，增加外围护结构由外向内的导热量［7］，而建筑表面温度及围护结构蓄热能力和传热过程因构造特征和材质不同而异，本文选用合肥地区节能65%的围护结构作为研究对象，内层选用煤矸石空心砖，外层选用保温装饰一体化材料—罗宝板，中间层为空气薄层，其中罗宝板核心层为硬泡聚氨酯，硬泡聚氨酯参数为密度ρ≥30kg/ m³，导热系数λ≤ 0.024W/（m·k）；围护结构的传热系数k=0.49W/（m²·k），其示意图见图1。

图1　围护结构示意图

2　模拟结果分析

太阳辐射通过光热转换提高外围护结构外表面温度，一方面外表面与周围空气通过对流方式换热，另一方面通过导热方式提高外围护结构内表面温度，内壁面辐射温度的升高引起室内空气温度的提高，本文利用Designbuilder能耗模拟软件得到东西向外表面温度，进而分析研究向室内传热情况。

为研究外围护结构外表面温度的变化趋势，本文选取“典型月”中的一般天气和极端天气两种情况分析。一般天气的确定方法是：结合当地气候特点，选取合肥地区典型气象年的典型月份（7月份），根据GB50736-2012规定，合肥地区室外干球温度35℃，湿球温度28.1℃为空调室外设计参数，在“典型月”中选取与其最为接近的一天。选取“典型月”中室外空气平均温度最高的一天作为极端天气。

图2、3分别为模拟得到的一般天气和极端天气下东西墙体外表面温度。

图2　一般天气下外表面温度变化

图3　极端天气下外表面温度变化

从模拟结果可以看出，夜间各墙体表面温度变化趋势相同且温差不大，当太阳直射时各表面温度变化趋势相同，但出现峰值的时间不同，东墙壁面温度峰值出现在9：00到10：00之间，最高温度为43℃；西墙温度峰值出现在16：00 到17：00之间，最高温度达到49℃；南墙峰值出现在13：00到14：00之间，最高温度达到38℃。东墙和西墙外壁面温度高于南墙温度，且西墙峰值温度比东墙峰值温度高6℃左右，高温持续时间更长。极端天气下外表面温度峰值更加明显，图3是统计得到的在典型月内的极端天气下的墙体外表面温度变化情况。

可以看出，极端天气下西墙高温峰值达到60℃左右，且在各外表面中高温持续时间最长，在极端天气下东墙温度最高在54℃，东西墙体壁温相差6℃；极端天气南墙峰值温度在45℃，与西墙峰值温度相差15℃，与东墙温度相差9℃，低于东西墙体壁面峰值温度；接收太阳辐射量的大小决定了壁面温度的高低［4］，南向外表面温度低于其它各面的原因是所接收的辐射量较少，利用《中国建筑热环境分析专用数据集》［8］统计合肥地区南向外表面的辐射量变化，见图4。

图4　全年南立面辐射量变化

可以看出，南向外表面太阳辐射量先减小后增加，在夏季最小，冬季最大。虽然夏季太阳辐射强度很大，但是在正午太阳高度角较大，照射到南向立面的辐射量较少，大部分辐射量分照射到顶部。从图3可知，极端天气下顶部外表面峰值温度为57℃，与西墙外表面峰值相当，比南墙温度高10℃左右，由此可知，正午时间顶部接收的辐射量远大于南墙接收辐射量。

3　实测数据与模拟数据对比

为验证模拟结果的准确性，笔者选取合肥市某建筑物外围护结构作实测，实验设备如图5所示。

图5　实测实验设备

通过实验仪器测得典型月的逐日逐时外壁面温度，一般天气和极端天气下外表面温度变化趋势见图6、图7。

图6　一般天气下外表面温度变化

图7　极端天气下外表面温度变化

从实测结果可知，室外温度在16：00达到最大，下午时段室外空气温度总体高于上午时段，东、西墙体外表面温差在极端天气和一般天气两种情况下均较大，为10℃左右；将模拟结果与实测数据对比发现，各壁面温度变化趋势和峰值与实测数据基本吻合，峰值出现的时段与实测数据相差不大。

实测和模拟结果显示外围护结构外表面温度最高的是西向外表面，且最高温度达到60℃左右，较高的外壁温度与内壁形成较大温差，此时室外空气温度较高，在34℃左右，外壁面与周围空气存在较小的对流和辐射换热，主要以向室内导热为主，到达内表面的热量提高内表面温度，通过表面对流换热和辐射提高室内空气温度，最终造成室内过热的现象。东向外围护结构外表面上的太阳辐射得热，一部分与周围空气和周围空间进行对流换热和辐射散热，另一部分热量蓄存于围护结构内部，且墙体蓄热延迟了向室内传热的时间，蓄热期间向室内传热量较少；虽然实测数据可知东向外表面温度也较高，最大可达到55℃左右，但墙体的蓄热过程在很大程度上较少了向室内传热量，且较低的室外环境温度与外表面形成较大温差，加大了向周围环境的辐射散热。

4　西向外遮阳节能效果分析

为降低室内得热量，一般采取建筑内遮阳或建筑外遮阳的措施 ；建筑内遮阳主要是减少太阳通过窗户直射到室内的热量，建筑外遮阳一方面降低了太阳直射到室内产生的热量，另一方面也在一定程度上减小了外围护结构受太阳直射的热量，但两种方式都不能最大限度的降低得热量。

目前大部分建筑一般不孤立存在，在建筑物东、西侧都会存在其它建筑物，西向外建筑通过自身遮挡太阳直射东侧建筑西墙，这样就较大的降低了建筑室内得热量。合理的间距可以使房间在冬季接收最大辐射量，同时夏季避免太阳辐射峰值时直射西面墙体。

笔者选取合肥市某建筑楼层高度60米处的某房间西墙作为测试点，测试点在15点时被西南45度方向、高度为105m处建筑物遮挡，测试点与遮挡建筑物东墙的水平距离为32m左右，并对测试点处的温度进行采集。图8是一般天气下测试点在西向外建筑遮阳及未采取遮阳措施时温度变化情况。

图8　 一般天气下西墙外表面温度变化

由图8可以看出在15：00左右测试点在西向外建筑遮阳后外壁温度呈急剧下降趋势，在未遮阳情况下外壁温

度继续持续上升，到16：00左右外壁温度在两种情况下温差达到最大，为13℃左右；西侧建筑阻止太阳辐射无法直射测试点，测试点处温度降至37℃，此时内外壁温差较小，导热热阻一定，因此传热量较少，而测试点在未遮阳时温度达到50℃，与内壁温差较大，传热量较大，通过在两种情况下西墙外表面温度变化情况分析知，采取西向外建筑遮阳节能效果明显。

6　结论

（1）夏季西墙外表面温度最高，为60℃左右，峰值出现在16：00左右；东墙次之，达到54℃，峰值出现在9：00左右；南墙最小，峰值为45℃，出现在13：00左右；

（2）西晒造成室内过热的原因是壁面温度高，与室内空气温差大，墙体本身存在蓄热，主要以墙体传热为主；

（3）采用西向外建筑遮阳，壁温下降明显，传热量减小，节能效果明显。

参考文献

［1］李莹莹，廖胜明，饶政华.高层办公建筑能耗影响因素的研究［J］.建筑热能通风空调，2013.32（3）：23-25.

［2］王慧想，张伟捷.建筑空调能耗与城市热岛效应［J］.河北建筑科技学院学报，2004，21（1）：23-27.

［3］廖珍，程继梅，徐坚.商场建筑能耗主要影响因素及节能分析［J］.节能技术，2001，19（107）：17-20.

［4］张继良.传统民居建筑热过程研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2006.

［5］郑海晨.绿色建筑的围护结构节能策略［J］.建筑节能，2008，36（207）：30-32.

［6］王欢，曹馨雅，陈婷，等.内外遮阳及建筑外窗对空调负荷的影响［J］.建筑节能，2009，37（226）：27-30.

［7］王甲春，阎培渝.外墙外保温系统对室内温度和湿度影响［J］.低温建筑技术，2004，98（2）：80-81.

［8］宋芳婷，江亿.中国建筑热环境分析专用气象数据集［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

［9］李谟彬，郭德平.夏热冬冷地区建筑遮阳设计优化［J］.建筑科学，2014，30（12）：93-97.

［10］GB50736-2012民用建筑供暖通风与空气调解涉及［S］.北京：中国建筑工艺出版社，2012.

Research into the Effect Ofradiationon Heat Transfer Through Walls: A Case Study of Hefei

CHENG Haifeng，LIU Kai，HU Ning
（School of Environment and Energy Engineering，Anhui Jianzhu University，Hefei，230022，China）

Abstract：The heat transfer in the wall Envelope caused by solar radiation in Hefei in summer was studied in this paper. DB simulation has been used to get the variation trend of east-west outer surface temperature， Combining with the measured data， the cause of indoor overheat resulted by western exposure has been analyzed， then the Western architecturalshading outward measures to reduce the transfer ofheat to the indoor was put forward， and the energy saving effect of the shade wasqualitativelyanalyzed.

Keywords：solarradiation ；shadow ；outersurfacetemperature

作者简介：程海峰（1966- ），男，教授级高级工程师，主要研究方向为暖通空调系统优化与建筑节能。

基金项目：国家科技支撑计划课题（2011BAJ03B04）；安徽省教育厅产学研重点项目（KJ2011A068）

收稿日期：2015-06-29

DOI:10.11921/j.issn.2095-8382.20160210

中图分类号：TU201.5

文献标识码：A

文章编号：2095-8382（2016）02-047-04