太陽(yáng)輻射對(duì)不同建筑群產(chǎn)生溫升效果的探討

太陽(yáng)輻射對(duì)不同建筑群產(chǎn)生溫升效果的探討

摘要介紹了建筑群溫度變化的數(shù)學(xué)模型,并利用該模型模擬了濟(jì)南某小區(qū)在四種不同工況下，太陽(yáng)輻射作用引起的溫升情況，對(duì)不同建筑密度、下墊面材料、自然通風(fēng)風(fēng)速的影響進(jìn)行了比較。結(jié)果表明改變下墊面條件，加強(qiáng)自然通風(fēng)可改善“城市熱島”效應(yīng)。

關(guān)鍵詞室外熱環(huán)境熱島效應(yīng)CTTC模型太陽(yáng)輻射

0引言

隨著人類生活水平及節(jié)能要求的提高，人們?cè)陉P(guān)注室內(nèi)環(huán)境的同時(shí)，也開始關(guān)注與生活息息相關(guān)的室外微氣候。所謂微氣候是指在建筑周圍地面上及屋面、墻面、窗臺(tái)等特定地點(diǎn)的風(fēng)、陽(yáng)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,其與建筑物的耗能相關(guān)，在城市環(huán)境中，由于大量建筑材料的應(yīng)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(qū)氣候迥然不同的城區(qū)氣候，也稱為都市氣候的“熱島”現(xiàn)象。城市“熱島”現(xiàn)象嚴(yán)重改變了生態(tài)環(huán)境和建筑物的能耗量及熱反映。若能在建筑規(guī)劃階段，正確預(yù)測(cè)建筑室外微環(huán)境的空氣溫度，避免出現(xiàn)過高的“熱島”現(xiàn)象或“冷島”現(xiàn)象，使建筑獲得最佳的節(jié)能效果，將使規(guī)劃不僅能從美觀上而且能從舒適度上使用戶獲得滿意，達(dá)到人與自然的完美統(tǒng)一。室外氣溫是氣候要素的一個(gè)重要因素，它與建筑能耗及人的舒適度緊密相關(guān)，太陽(yáng)是地球獲得熱量的最重要能源，氣溫主要受太陽(yáng)輻射的影響。在不同的建筑群中，由于建筑布局、風(fēng)速、下墊面材料、綠化率等條件的不同，太陽(yáng)輻射所引起的該地區(qū)的溫升效果也不同。本文以CTTC模型為基礎(chǔ)，模擬了不同建筑群吸收太陽(yáng)輻射所引起的溫升,并對(duì)其進(jìn)行了比較。為合理規(guī)劃減少能耗及改善微環(huán)境提供了參考意見。

1數(shù)學(xué)模型

建筑群空氣溫度模型

該模型以氣象站測(cè)得的逐時(shí)氣溫為基礎(chǔ)來預(yù)測(cè)城市地區(qū)建筑群溫度的變化,并把特定地點(diǎn)的溫度視為幾個(gè)單獨(dú)因素作用的疊加，用公式表示為

(1)

式中：為所研究地點(diǎn)的空氣溫度，即建筑群空氣溫度，℃；為建筑群溫度變化的基礎(chǔ)溫度，

經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定為郊區(qū)的日平均溫度，℃；為建筑群所吸收的太陽(yáng)輻射熱引起的空氣溫升，℃；為對(duì)天空的長(zhǎng)波輻射引起的空氣溫降，℃。

太陽(yáng)輻射引起的溫升效果

水平地面所接受的太陽(yáng)輻射熱是引起建筑群溫度變化的主要因素。假定城市覆蓋層所吸收的太陽(yáng)輻射熱釋放給空氣，并服從指數(shù)衰減規(guī)律，Swaid和Hoffman給出溫升變化的公式

(2)

式中：為下墊面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率，例如，瀝青道路為~,土壤~；為綜合換熱系數(shù),；為計(jì)算時(shí)刻，h；為單位面積上太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度的平均步長(zhǎng)變化，；CTTC為建筑群的熱時(shí)間常數(shù),h。

參數(shù)的計(jì)算

在現(xiàn)代城市的建設(shè)中，由于使用了一些建筑材料，例如混凝土和瀝青，而大大改變了城市地區(qū)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(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存比同體積土壤更多的能量。由于這些密封性很強(qiáng)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(fā)吸熱及植物蒸騰作用吸熱均減小了。參數(shù)反映了結(jié)構(gòu)的蓄熱能力和透熱能力，它具有時(shí)間的量綱，稱為“熱時(shí)間常數(shù)”。因此，預(yù)測(cè)模型也常稱為CTTC模型，它的值可通過將所有活動(dòng)面的熱時(shí)間常數(shù)加權(quán)平均獲得

CTTCground＋CTTCwall

式中：－相對(duì)于小區(qū)面積的建筑面積；－相對(duì)于小區(qū)面積的外墻面積；CTTCground－地板的熱時(shí)間常數(shù)，約為8h；CTTCwall－墻壁的熱時(shí)間常數(shù)，約為6h。單位面積上太陽(yáng)直射平均輻射強(qiáng)度的計(jì)算

CTTC模型認(rèn)為建筑群接受到的太陽(yáng)輻射是造成建筑群溫度波動(dòng)的主要因素，對(duì)建筑群熱環(huán)境有決定性的影響。..由于在建筑小區(qū)中，建筑物投下陰影，對(duì)太陽(yáng)光形成了遮擋作用，并且這種遮擋效果在一天中隨著太陽(yáng)高度角的改變而發(fā)生變化。因此有必要對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度進(jìn)行修正，求出平均的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。公式如下所示

(4)

式中:－時(shí)間時(shí)無遮擋的太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度，；－時(shí)間時(shí)的遮擋面積率。

紊流熱交換系數(shù)的計(jì)算

綜合熱交換系數(shù)包含了輻射和對(duì)流的共同作用,對(duì)流熱交換系數(shù)主要與沿下墊面的風(fēng)速有關(guān)。城市地區(qū)的風(fēng)速往往比空曠地區(qū)的風(fēng)速要小。城市覆蓋層下表面平均的綜合熱交換系數(shù)可由下式計(jì)算

(5)

其中：(6)

式中：－低溫表面的發(fā)射率(；－輻射熱交換系數(shù)，平均表面溫度為20℃時(shí)，的值為;－對(duì)流熱交換系數(shù)，；為下墊面附近的風(fēng)速，。

2計(jì)算區(qū)域的確定

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

3模型計(jì)算

城市熱島效應(yīng)對(duì)城市環(huán)境的影響是害多利少，從城市建設(shè)和發(fā)展的角度來看，應(yīng)控制和減小日趨嚴(yán)重化的熱島現(xiàn)象，改善城市的熱濕環(huán)境。城市的不斷發(fā)展，建筑物密度、高度的不斷增大,人工鋪裝的路面、廣場(chǎng)越來越多,這個(gè)立體化的下墊面能夠比郊區(qū)吸收更多的太陽(yáng)輻射能,它是形成熱島效應(yīng)的基本條件。本文模擬采用的氣象數(shù)據(jù)來自清華大學(xué)開發(fā)的Medpha軟件，該軟件可以模擬全國(guó)197個(gè)城市(地區(qū))的各種類型逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)。濟(jì)南市位于經(jīng)度，緯度。7月21日的平均溫度為℃,最高氣溫℃,最低氣溫℃。該日的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度從6：00至18：00如表1所示表1濟(jì)南7月21日太陽(yáng)輻射強(qiáng)度表

時(shí)刻6：007：008：009：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：0017：0018：00

直射輻射

本文根據(jù)濟(jì)南7月21日的氣象資料，對(duì)濟(jì)南某小區(qū)4種工況進(jìn)行了模擬計(jì)算,并對(duì)太陽(yáng)輻射引起的空氣溫升情況進(jìn)行了比較。具體4種工況如表2所示表2模擬工況表

下墊面吸收率風(fēng)速/(m/s)小區(qū)建筑密度/座

工況19

工況26

工況39

工況49

計(jì)算結(jié)果

根據(jù)編制的程序?qū)?種工況模擬,計(jì)算的結(jié)果得到了白天6:00至18:00太陽(yáng)輻射引起的溫升大小。基準(zhǔn)溫度?。吩?1日的平均溫度，為℃?？傮w看來,其增長(zhǎng)幅度情況是符合空氣溫度變化趨勢(shì)的。

(1)建筑密度的影響

工況1代表建筑密度較大的小區(qū)，共有9座建筑，工況2代表建筑密度較小的小區(qū)，共有6座建筑。圖1對(duì)這兩種工況進(jìn)行了比較。

圖1建筑密度對(duì)太陽(yáng)輻射引起溫升的影響

可以看出，白天太陽(yáng)輻射對(duì)建筑密度小的小區(qū)的溫升作用要大于對(duì)建筑密度大的小區(qū)。這種差異從早晨6：00開始逐步變大，到下午3：00左右達(dá)到最大，然后又逐漸變小。形成這種差異的原因是建筑密度小的小區(qū)下墊面接受到的太陽(yáng)輻射較多。

下墊面的影響

工況1代表下墊面吸收率較高的小區(qū)，平均吸收率為。工況2代表下墊面吸收率較低的小區(qū)，平均吸收率為。圖2對(duì)這兩種工況進(jìn)行了比較。

圖3下墊面吸收率對(duì)太陽(yáng)輻射引起溫升的影響

可以看出，太陽(yáng)輻射對(duì)下墊面吸收率小的小區(qū)的溫升作用要小于吸收率大的小區(qū)。這種差異也是從早晨6：00開始逐漸變大，下午3：00左右達(dá)到最大，然后逐漸變小。吸收率小的下墊面吸收的太陽(yáng)輻射熱較少，因此它通過對(duì)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(yáng)輻射熱并不全部釋放到空氣中，部分熱量用于蒸騰作用、光合作用及水分蒸發(fā)，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如下表所示表3幾種下墊面的吸收率

道路混凝土磚石土壤(黑濕)沙漠草水

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風(fēng)速的影響

工況1代表風(fēng)速較大時(shí)的小區(qū)，風(fēng)速為3m/s,工況4代表風(fēng)速較小時(shí)的小區(qū)，風(fēng)速為/s。圖3對(duì)這兩種工況進(jìn)行了比較。

圖3風(fēng)速對(duì)太陽(yáng)輻射引起溫升的影響

可以看出，風(fēng)速越大，太陽(yáng)輻射引起的空氣溫升越小，其變化趨勢(shì)與前兩種情況相同。風(fēng)速越大，對(duì)流作用越強(qiáng)，同時(shí)由風(fēng)帶走的熱量也越多?？梢?，風(fēng)速有助于減弱建筑群的“熱島效應(yīng)”。此結(jié)論與國(guó)內(nèi)外很多研究結(jié)果相符。根據(jù)Sundborg對(duì)瑞典烏薩拉城鄉(xiāng)氣溫對(duì)比與當(dāng)?shù)貧庀髼l件關(guān)系的觀測(cè)和分析得出的回歸方程、Emonds對(duì)德國(guó)波恩城市熱島的回歸方程的熱島強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式來看,風(fēng)速與熱島強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān),風(fēng)速越大,建筑群溫度越接近氣象站溫度。根據(jù)周等的研究,我國(guó)北京地區(qū)不同季節(jié)熱島消失的臨界風(fēng)速是不同的,冬季熱島強(qiáng)度最強(qiáng),熱島消失的臨界風(fēng)速也最大,夏季的熱島強(qiáng)度在四季中是最弱的,熱島消失的臨界風(fēng)速也是最小的。

4結(jié)論

CTTC模型能反映太陽(yáng)輻射引起建筑群空氣溫升的真實(shí)趨勢(shì)。通過模擬結(jié)果比較可以得出的結(jié)論有

小區(qū)建筑密度較小時(shí)，接受的太陽(yáng)輻射較充足，由此引起的小區(qū)溫升較大。

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

通過合理布置小區(qū)建筑物，加強(qiáng)小區(qū)的自然通風(fēng)，可有利于市區(qū)的熱量散失到郊區(qū)，從而有效改善小區(qū)熱島效應(yīng)。

5不足與展望

小區(qū)熱環(huán)境由很多因素共同決定。本文主要探討了太陽(yáng)輻射對(duì)溫升的影響，它是影響小區(qū)熱環(huán)境的最重要因素。本模擬是主要針對(duì)夏季某一天的工況進(jìn)行的模擬計(jì)算，采用的氣象數(shù)據(jù)來自30年累計(jì)的結(jié)果，故無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但本模擬采用的是國(guó)外比較成熟的模型，故模擬結(jié)果是有參考價(jià)值的。

本文只考慮了“峽谷”下墊面所接受的太陽(yáng)輻射熱，而未考慮“峽谷”兩側(cè)所接受的輻射熱，有待進(jìn)一步改進(jìn)。小區(qū)熱環(huán)境由太陽(yáng)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(duì)熱環(huán)境起主導(dǎo)作用的太陽(yáng)輻射對(duì)溫度的影響，有待對(duì)影響熱環(huán)境的其它因素進(jìn)行探討。

參