太阳辐射下建筑外微气候的实验研究--建筑外表面温度分布及气流特征

    STUDY ON SOLAR RADIATION EFFECTS ON THE MICROCLIMATE
    OF BUILDING ENVELOPE：THE CHARACTERISTICS OF
    EXTERNAL SURFACE TEMPERATURE AND AIRFLOW
   

    0 引言
    伴随着空调的迅猛发展而引发的能源短缺、环境污染，以及病态建筑综合症等问题，使得在当今社会可持续发展和舒适健康日益成为建筑和空调系统设计的热点。基于解决上述问题，建立"绿色居住建筑体系"已经达成共识。目前各方面的学者都在积极探讨建筑的可持续发展之路。有学者提出"低能耗健康建筑"的概念[1]，意为充分利用自然能源的被动式供热空调建筑，它能提供人们生活和生产需要的建筑环境，保证人体的卫生和健康，同时具有节能建筑的特点。自然通风和小区绿化等就体现了这种思想。（参考《建筑中文网》）
    在夏季炎热地区，自然通风是人们主要采用的住宅降温手段。建筑设计怎样来促进建筑物的自然通风和降低室温长期以来一直是研究讨论的话题，然而从目前的研究来看，多数考虑的是通风进入室内后的流动，而建筑外气流的形成、形式及对室内热环境的影响却很少涉及；尽管有学者在20世纪50年代就发现了太阳辐射下建筑热外表面的上升热气流对自然通风的诱导作用以当阳面与背阴面空气温差的可利用性，指出了在炎热干燥地区对无风燥热天气下通风的意义[2]，但却很少有人能从建筑热环境的角度出发，研究建筑外微气候如建筑外不同位置不同表面的温度分布，夜间长波辐射以及空气的气流形式等建筑周围热环境的特性，考虑其对小区热环境及室内热环境的影响并引入到实际的建筑设计中。
    实际上，正是由于目前人们对人居热环境的动态特征的研究方兴未艾，许多研究分析结果尚处于试探性阶段，才使得人们尽管在不断深刻意识到人居热环境重要性的同时，却不知从何入手、真正与建筑设计相结合并付诸工程实践中。从这一点上讲，对建筑外各表面微气候的相关动态参数进行现场观测及基础理论分析，研究其规律并在此基础上探讨如何结合小区布局和建筑设计以改善人居环境，不失为一项有意义的工作。
   
    1 建筑外微气候的实验研究
    微气候指的是在建筑物周围地面及屋面、墙面、窗台等特定地点的风、阳光、辐射、气温与湿度条件[3]。由于微气候形成因素复杂难以给出简单的数学描述，因而以实验研究作为工作的入手。为了解太阳辐射下建筑外热环境的规律，特选择了一座典型多层板楼进行现场测试。
    1.1 建筑描述
    实验建筑（24#）为北京地区一南北朝向的5层宿舍楼，整体结构为长方体。建筑周围布局如图1所示。各层的层高约3m，东西外墙尺寸为12.6m×15.4m；每层楼层的东西朝向都分别有一阳台，无外窗；测点所对应的房间为4人一间的宿舍，宿舍内分别有一台电视和计算机，此外并无其它较大热源，室内负荷相对比较稳定。外墙材料为370mm厚的加气混凝土砌块，两面抹有厚度为20mm的浅灰色石灰砂浆，外墙表面粘有碎石。如图2所示。
   
    图1 建筑布局 图2测点布置
    Fig.1 Building complex Fig.2 Measuring point arrangement
   
    1.2 实验测量参数及仪表
    1)温度
    西墙各层表面上各布置了一个测点，共5个测点（第一周在东墙外表面同样地布置了测点并监测其温度随高度的变化）；室内相应布置了监测外墙内表面温度及空气温度的测点；此外还监测了室外的空气温度、路面及草坪温度等相关参数。室外温度的测量根据文献中的建议考虑了防止太阳辐射[4]。温度的测量采用RHLOG温度自记仪，每20min记录一次，共记录约20d。RHLOG温度自记仪由清华同方设计生产，仪器精度为±0.2℃，具体布置如图2所示。
    2) 辐照度
    测量西向垂直面上的辐照度，以分析太阳辐射对建筑外墙外表面温度沿垂直方向上的分布的影响，采用DFY-2型天空辐射表进行测量，每20min记录一次。该天空辐射表经中国国家气象局标定，仪器的灵敏度为8.86μv/W·m2)，年稳定性为±2%。
    3) 环境风速及上升气流速度
    采用热线风速仪测量外墙表面的贴附上升气流风速并与环境风速进行比较。上升气流的测点为五层离外墙约5cm处；环境风速测点离建筑外墙表面约1.5m。每隔20min人工读一次数。热线风速仪的测量范围为0.05～30m/s，误差为测量值的±5%。
   

    0:00～12:00
    dT/℃

    12:00～20:00
    dT/℃

    20:00～24:00
    dT/℃

    最高墙温
    /℃

    环境风速
    /m·s-1

    日最大辐照度
    /S·m-2

    气候情况

    0.66
    0.91
    0.84
    2.05
    1.07
    0.91
    0.63
    0.61

    0.52
    2.11
    1.64
    3.20
    1.55
    1.71
    1.58
    2.24

    0.63
    1.32
    1.16
    1.95
    0.72
    1.20
    0.98
    1.51

    30.13
    38.76
    38.54
    50.85
    38.90
    0.85
    41.05
    46.06

   
   
    ＜1
    ＜1
   
    1
    ＞2
    ＞2

   
   
    426.4
    546.8
   
    652.4
    374.6
    514.6

    阴有阵雨
    晴转阴
    多云间阴
    晴
    阴雨
    晴
    多云
    晴