太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨

1、太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨         06-07-04 16:45:00     作者：王菲 肖勇全    编辑：凌月仙仙摘要：介绍了建筑群温度变化的数学模型,并利用该模型模拟了济南某小区在四种不同工况下，太阳辐射作用引起的温升情况，对不同建筑密度、下垫面材料、自然通风风速的影响进行了比较。结果表明改变下垫面条件，加强自然通风可改善“城市热岛”效应。 关键词：室外热环境 热岛效应 CTTC模型 太阳辐射 0 引言随着人

2、类生活水平及节能要求的提高，人们在关注室内环境的同时，也开始关注与生活息息相关的室外微气候。所谓微气候是指在建筑周围地面上及屋面、墙面、窗台等特定地点的风、阳光、辐射、气温与湿度条件1。室外微气候是人类直接感受到的室外气候,其与建筑物的耗能相关，在城市环境中，由于大量建筑材料的应用、绿化带的减少，以及人为放热等因素的加和作用，形成了与周边郊区气候迥然不同的城区气候，也称为都市气候的“热岛”现象。城市“热岛”现象严重改变了生态环境和建筑物的能耗量及热反映。若能在建筑规划阶段，正确预测建筑室外微环境的空气温度，避免出现过高的“热岛”现象或“冷岛”现象，使建筑获得最佳的节能效果，将使规划不仅能从美观

3、上而且能从舒适度上使用户获得满意，达到人与自然的完美统一。室外气温是气候要素的一个重要因素，它与建筑能耗及人的舒适度紧密相关，太阳是地球获得热量的最重要能源，气温主要受太阳辐射的影响。在不同的建筑群中，由于建筑布局、风速、下垫面材料、绿化率等条件的不同，太阳辐射所引起的该地区的温升效果也不同。本文以CTTC模型为基础，模拟了不同建筑群吸收太阳辐射所引起的温升,并对其进行了比较。为合理规划减少能耗及改善微环境提供了参考意见。1 数学模型1.1 建筑群空气温度模型该模型以气象站测得的逐时气温为基础来预测城市地区建筑群温度的变化,并把特定地点的温度视为几个单独因素作用的叠加，用公式表示为2： (1)

4、式中：为所研究地点的空气温度，即建筑群空气温度，；为建筑群温度变化的基础温度，经实验确定为郊区的日平均温度，；为建筑群所吸收的太阳辐射热引起的空气温升，； 为对天空的长波辐射引起的空气温降，。1.2 太阳辐射引起的温升效果水平地面所接受的太阳辐射热是引起建筑群温度变化的主要因素。假定城市覆盖层所吸收的太阳辐射热释放给空气，并服从指数衰减规律，Swaid和Hoffman给出温升变化的公式：(2)式中： 为下垫面对太阳辐射的吸收率，例如，沥青道路为0.800.95,土壤0.600.95；为综合换热系数,；为计算时刻，h；为单位面积上太阳直射辐射强度的平均步长变化，； CTTC为建筑群的热时间常数,

5、h。参数的计算在现代城市的建设中，由于使用了一些建筑材料，例如混凝土和沥青，而大大改变了城市地区的热平衡。它们不仅改变了原有的自然景观，而且能在较短的时间内储存比同体积土壤更多的能量。由于这些密封性很强的材料代替了原来的植物带，下雨天不容易留住水分，因此水分蒸发吸热及植物蒸腾作用吸热均减小了。参数反映了结构的蓄热能力和透热能力，它具有时间的量纲，称为“热时间常数”。因此，预测模型也常称为CTTC模型，它的值可通过将所有活动面的热时间常数加权平均获得： CTTCgroundCTTCwall （3）式中：相对于小区面积的建筑面积；相对于小区面积的外墙面积；CTTCground地板的热时间常数，约为

6、8h；CTTCwall墙壁的热时间常数，约为6h。CTTC模型认为建筑群接受到的太阳辐射是造成建筑群温度波动的主要因素，对建筑群热环境有决定性的影响。.由于在建筑小区中，建筑物投下阴影，对太阳光形成了遮挡作用，并且这种遮挡效果在一天中随着太阳高度角的改变而发生变化。因此有必要对太阳辐射强度进行修正，求出平均的太阳辐射强度。公式如下所示： (4) 式中:时间时无遮挡的太阳直射辐射强度，；时间时的遮挡面积率。综合热交换系数包含了辐射和对流的共同作用,对流热交换系数主要与沿下垫面的风速有关。城市地区的风速往往比空旷地区的风速要小。城市覆盖层下表面平均的综合热交换系数可由下式计算3： (5) 其中：

7、(6) 式中：低温表面的发射率(；辐射热交换系数，平均表面温度为20时，的值为0.57;对流热交换系数，；为下垫面附近的风速，。2 计算区域的确定城市多是由许多高高低低的建筑物和纵横交错的街道或建筑物间的空地组成，纵横交错的街道或建筑物间的空地即为“城市峡谷”。我们所关心的往往是楼顶以下，峡谷内空气体的空气温度，并用集总参数的方法来研究，即不考虑峡谷空气体温度的差异。 3 模型计算城市热岛效应对城市环境的影响是害多利少，从城市建设和发展的角度来看，应控制和减小日趋严重化的热岛现象，改善城市的热湿环境。城市的不断发展，建筑物密度、高度的不断增大,人工铺装的路面、广场越来越多,这个立体化的下垫面能

8、够比郊区吸收更多的太阳辐射能,它是形成热岛效应的基本条件4。本文模拟采用的气象数据来自清华大学开发的Medpha软件，该软件可以模拟全国197个城市(地区)的各种类型逐时气象数据。济南市位于经度116.98o，纬度36.68o。7月21日的平均温度为26.36,最高气温34.21,最低气温19.21。该日的太阳辐射强度从6：00至18：00如表1所示：表1 济南7月21日太阳辐射强度表 时刻 6：007：008：009：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：0017：0018：00直射辐射 213.6 417.7 607.9 771.3 896.7 975.5 1002.4 975.5 896.7 771.3 607.9 417.7213.6本文根据济南7月21日的气象资料，对济南某小区4种工况进行了模拟计算