太阳辐射吸收系数对建筑物全年空调能耗的影响

张红婴, 钟 珂, 刘加平

(1. 东华大学 环境科学与工程学院, 上海201620; 2. 江西理工大学 建筑与测绘工程学院, 江西 赣州341000; 3.西安建筑科技大学 建筑学院, 陕西 西安 710055)

太阳辐射吸收系数对建筑物全年空调能耗的影响

张红婴1, 2, 钟 珂1, 刘加平3

(1. 东华大学 环境科学与工程学院, 上海201620; 2. 江西理工大学 建筑与测绘工程学院, 江西 赣州341000; 3.西安建筑科技大学 建筑学院, 陕西 西安 710055)

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.

太阳辐射; 吸收系数; 供热能耗; 供冷能耗; 建筑外饰面

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色、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色对室内温度的影响.

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.

1 方法与验证

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.

图1 建筑模型和计算域Fig.1 Building model and the computational domain

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

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、普通白色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、普通白色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.

表1 围护结构外表面吸收系数(折射指数χ=1.0)

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.

表2 模拟工况的材料厚度及物性参数

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 ℃.

(a) 冬季

(b) 夏季图2 室外温度和各方向辐射强度随时间的变化Fig.2 Time series of outdoor air temperatures and radiation intensity for different orientations

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:

(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.

图3 南墙温度数值模拟结果与文献结果的比较Fig.3 Comparisons of simulated south wall surface temperatures with the results in literature

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 结果与讨论

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.

(a) 南墙

(b) 屋顶图4 不同辐射吸收系数时围护结构外表面温度逐时值Fig.4 Time series of building exterior surface temperatures with different solar absorption coefficients

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

Δtmnτ=tmnτ-t0nτ

(9)

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.

根据模拟计算结果, 不同季节不同朝向围护结构外表面辐射温度增量的逐时统计结果如图5所示.

图5 不同辐射吸收系数时各方向外表面辐射温度增量Fig.5 Temperature increment of the exterior surface due to solar radiation with different absorption coefficients

从图5可以看出, 由于冬季南墙外表面获得的太阳辐射能最大, 因此, 冬季南墙外表面辐射温度增量最大值和平均值大于其他朝向外表面辐射温度增量.另外, 由图5还可以看到, 由于冬季太阳高度角小于夏季, 南墙在冬季的外表面辐射温度增量明显大于夏季, 而其他朝向则相反.由此表明, 采用较大吸收系数的外饰面材料在大幅度提高南墙冬季太阳能利用率的同时, 不会造成夏季太阳辐射得热过大, 但是在其他朝向, 冬季和夏季关于太阳辐射吸收系数的理想值则恰好相反.

2.2 单位面积围护结构太阳辐射净得热通量

围护结构外表面吸收的太阳辐射能, 一部分传到围护结构内部, 一部分由于对流散热作用散发到室外.因此, 通过围护结构外表面传向围护结构内部的热量(qtmnτ)计算如式(10)所示.

qtmnτ=ρm(Idnτ+Irnτ)-(αc+αr)(tmnτ-taτ)

(10)

式中:ρm为围护结构外表面的太阳辐射吸收系数;Idnτ、Irnτ为τ时刻到达n朝向围护结构外表面的太阳直射辐射、散射辐射强度, W/m2;tmnτ为τ时刻n朝向围护结构外表面温度, ℃;taτ为τ时刻室外空气温度, ℃;αc、αr为对流热交换系数、长波辐射换热系数.等式左边、等式右边第一项和第二项, 分别为吸收系数为ρm、朝向为n时、τ时刻单位面积围护结构由外表面传入围护结构内部的热量、吸收的太阳能、散发到室外的热量通量, W/m2.

用Δqtmnτ表示太阳辐射单一因素作用而使围护结构外表面增加的传热通量, 计算式为

Δqtmnτ=qtmnτ-qt0nτ

(11)

式中:qtmnτ为吸收系数为ρm(m=1, 2, 3)、朝向为n时、τ时刻围护结构外表面的传热通量;qt0nτ为吸收系数为0、朝向为n时、τ时刻围护结构外表面的传热通量.

根据模拟计算结果以及式(10)和(11), 可得不同吸收系数时, 不同围护结构外表面太阳辐射净得热通量随吸收系数的逐时变化情况, 如图6所示.图6中传热量为正时, 表示传热方向为从围护结构外侧传向内侧, 传热量为负时传热方向相反.

(a) 屋顶 (b) 南墙

(c) 东墙 (d) 西墙图6 不同辐射吸收系数时各朝向围护结构太阳辐射净得热通量随时间变化Fig.6 Time series of net heat gain flux of solar radiation of building envelopes for different solar absorption coefficients

从图6可以看出, 围护结构外表面日出后吸收太阳辐射能, 日落后将吸收的部分能量散发到室外大气中.由于太阳高度角和方向角的缘故, 夏季屋顶、东墙和西墙的昼间太阳辐射净得热通量大于冬季, 而冬季南墙太阳辐射净得热通量却远大于夏季.并且, 由于夏季日出时长大于冬季, 因此各朝向夏季围护结构外表面太阳辐射得热时长大于冬季, 而散热时长短于冬季.

2.3 单位面积围护结构外表面太阳辐射全天净得 热总量

单位面积围护结构太阳辐射全天净得热总量(ΔQtmn)为

(12)

单位面积不同朝向围护结构太阳辐射全天净得热总量如图7所示.

图7 不同辐射吸收系数时围护结构太阳辐射全天净得热总量Fig.7 Daily net heat gain of solar radiation of building envelopes with different solar absorption coefficients

从图7中可以看出: 南墙冬季太阳辐射净得热总量和其受吸收系数影响的程度都明显大于夏季, 提高南墙外表面辐射吸收系数对供暖能耗的降低作用将大于对夏季供冷能耗的提高作用, 即利大于弊; 屋顶、东墙和西墙的夏季太阳辐射净得热总量远大于冬季, 并且受辐射吸收系数的影响大, 显然降低这些朝向围护结构外表面的辐射吸收系数对减小夏季供冷能耗有重要意义.

图8给出了不同吸收系数和朝向的围护结构外表面全天太阳辐射净得热总量与完全无太阳辐射时围护结构外表面传热总量绝对值的比(ΔQtmn/|Qt0n|).

图8 不同辐射吸收系数时外表面太阳辐射净得热总量与无辐射时传热总量的绝对值比Fig.8 Ratios of daily net heat gain of solar radiation of exterior surfaces with different solar absorption coefficients to the absolute value of daily heat transfer of exterior surfaces without solar radiation

图8可以看出(Qtmn/|Qt0n|在冬季可达3.8以上, 在夏季甚至高达10.0(除了南墙), 可以认为, 降低围护结构外表面辐射吸收系数可以大幅度减小夏季供冷能耗, 但同时会增加供暖能耗.但是, 外饰面涂料的辐射吸收系数越小, 价格越贵.因此, 建筑外饰面是否需要采用价格较高的高反射系数饰面涂料, 应结合冬季供热和夏季供冷能耗综合考虑.

3 外表面涂料经济性分析

(13)

式中:nh和nr为全年供暖、供冷天数, d; ΔQtmn, h和ΔQtmn, r分别为供暖季和供冷季模拟计算所得太阳辐射净得热量.

上海地区供暖季由于吸收太阳辐射而减少的围护结构单位面积供暖费用(ch)为

(14)

式中:pg为上海地区天然气价格, 取3.05元/m3;ηg为天然气热效率, 取0.93;qg为天然气热值, 取38.5 MJ/m3.

上海地区供冷季由于太阳辐射作用而增加的围护结构单位面积供冷费用(cr)为

(15)

式中:pe为上海地区夏季电费价格, 取1.145元/(kW·h);E为夏季空调能效比, 取3.1.

各朝向围护结构由于吸收太阳能而增加的空调费用∑c=ch+cr, 则∑c为全年由于吸收太阳辐射能而净增加的建筑环境调控费用.不同吸收系数时, 各朝向围护结构由于吸收太阳辐射能而净增加的空调费用如图9所示.其中, 空调费用值为正时, 表示围护结构吸收太阳辐射能后, 空调费用增加; 空调费用值为负时, 表示围护结构吸收太阳辐射能后, 空调费用减小.

注： 屋顶,ρ1=0.52,ρ2=0.74,ρ3=0.86; 外墙,ρ1=0.48,ρ2=0.65, ρ3=0.73

图9 不同辐射吸收系数时由于太阳辐射增加的空调费用

Fig.9 Annual incremental cost of air conditioning due to solar radiation with different solar absorption coefficients

从图9可以看出, 所有朝向围护结构外表面因吸收太阳能而减少的冬季供热费用均小于增加的夏季制冷费用, 另外, 除南墙外, 吸收系数越小, 全年因吸收太阳能而净增加的建筑环境调控费用(即∑c)越小.尽管吸收系数较小的外饰面涂料价格较高, 但图9数据表明, 有可能通过降低空调费用来补偿为此额外付出的材料费.

图9表明, 南墙采用高吸收系数的普通水泥砂浆饰面材料时, 全年供暖供冷能耗最低, 可以同时实现降低建筑能耗和外饰面造价的目标.因此, 仅需要对屋顶、东墙和西墙的外饰面方案进行经济评价.为此, 对以下5种方案进行分析:

方案0#屋顶和东西墙均采用价格低廉的普通水泥砂浆处理;

方案1#屋顶和东西墙均采用反射隔热涂料;

方案2#屋顶采用反射隔热涂料, 东西墙采用普通白色涂料;

方案3#屋顶采用普通白色涂料, 东墙和西墙采用反射隔热涂料;

方案4#屋顶和东西墙均采普通白色涂料.

本文采用费用年值的方法对围护结构外表面涂覆工程进行经济性评价, 以普通水泥砂浆处理的费用作为基准, 在此基础上, 再涂覆普通白色涂料和反射隔热涂料所增加的围护结构单位面积费用年值增量Δcv如表3所示.

上述方案的的经济性与建筑体型和窗墙比有关, 为此, 本文针对两种不同平面形状(长×宽=24 m×24 m， 48 m×12 m)的建筑, 分析不同高度(用H表示, m)和窗墙比(用ε表示)时各方案外表面涂料的经济性.

表3 涂料类型与涂覆工程费用年值增量的关系

相对于方案0#, 采用方案1#～4#每年净节约的总费用ΔCn表示为

ΔCn= (Cr, n-Cr, 0)+(Ch, n-Ch, 0)-

(ΔCv, n-ΔCv, 0)

(16)

式中:Ch、Cr和ΔCv分别为围护结构吸收因太阳辐射而减少的冬季供热总费用、增加的夏季供冷总费用、围护结构涂覆工程费用年值总增量, 万元/a， 且Ch、Cr、ΔCv分别等于ch、cr、Δcv乘以围护结构面积； 下标0和n(n=1, 2, 3, 4)表示涂覆方案.等式右边第一、二项之和为采用第n套方案时全年节约的供暖供冷费, 其第三项表示涂覆工程的年均增加成本.

图10给出了上述两种平面形状建筑在不同高度(H)和窗墙比(ε)时, 各外饰面方案全年节约的费用ΔCn.

(a) 建筑平面尺寸24 m×24 m

(b) 建筑平面尺寸48 m×12 m图10 不同涂料选择方案每年净节约的费用Fig.10 Annual cost savings of different selection scheme of building coating

从图10可以看出, 上述两种平面形状的建筑在高度等于0 m时, ΔCn均大于0, 表明屋顶采用吸收系数较低的涂料而付出的额外费用, 可以通过减少供暖和供冷能耗而得到补偿.东墙和西墙采用反射隔热涂料时(方案1#和3#), 单位面积外表面由于吸收系数下降而减少的空调费用大于采用此种外饰面材料而增加的费用, 因此ΔCn随高度的增加而迅速升高, 随窗墙比的增大而明显减小.但东墙和西墙采用普通白色涂料时(方案2#和4#), ΔCn随建筑高度的增加和窗墙比的减小稍有下降, 表明东西墙采用此种吸收系数的涂料时, 由于吸收系数减小而节约的全年空调费用不足以补偿外饰面材料的额外费用.

4 结 语

本文以上海为长江下游地区代表城市, 分析计算了太阳辐射单一因素作用下, 辐射吸收系数对围护结构不稳态传热的影响, 主要结论如下:

(1) 由于吸收系数越大, 围护结构外表面将获得更多的太阳辐射能, 因此, 围护结构外表面温度以及由于太阳辐射的温度增量随吸收系数的增大而增大.

(2) 冬季南墙太阳辐射净得热总量受吸收系数影响的程度远大于夏季, 因此, 提高南墙外表面辐射吸收系数对于减小冬季供暖能耗有重要意义; 夏季屋顶、东西墙太阳辐射净得热总量受吸收系数影响的程度大于冬季, 因此减小屋顶、东墙和西墙外表面的辐射吸收系数有利于降低夏季制冷能耗.

(3) 南墙使用辐射吸收系数较高的普通水泥砂浆饰面材料将能同时实现建筑节能和节约外饰面费用的目标.除南墙外的其他朝向围护结构外表面使用高反射系数涂料而付出的额外费用可以通过减小建筑能耗而得到补偿, 并且其经济效益随建筑高度增加而上升, 窗墙比的增大而减小.

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(责任编辑: 徐惠华)

Effect of Solar Absorption Coefficient on Annual Energy Consumption of Air-Conditioning in Building

ZHANGHongying1, 2,ZHONGKe1,LIUJiaping3

(1.School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China; 2.School of Architectural and Survey & Map Engineering, Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000, China; 3.School of Architecture, Xi’an University of Architecture & Technology, Xi’an 710055, China)

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.

solar radiation; absorption coefficient; energy consumption for heating; energy consumption for cooling; building coating

1671-0444 (2017)02-0266-08

2016-03-31

国家自然科学基金资助项目(51478098)；上海市教委科技创新重点资助项目(13ZZ054)

张红婴(1972—)，女，江西铅山人，副教授，博士研究生，研究方向为室内空气品质和建筑节能. E-mail: zhanghongying2@sina.com

TU 832.1

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