| 太阳辐射下建筑围护结构的动态热平衡 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 作者： 发布于：2018/4/9 10:40:16 点击量： | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
太阳辐射下建筑围护结构的动态热平衡
吴美玲
(西安建筑科技大学环境与市政工程学院 陕西 西安710055)
摘 要：在小区微环境的研究中,正确地获得建筑围护结构外表面的温度,并以此作为温度场计算的边界条件是非常重要的。本文区别已往仅考虑太阳辐射的静态方法,建立了一个考虑围护结构蓄热和传热的动态建筑围护结构热平衡模型。并用该模型计算了广州夏季某日某单栋建筑各围护结构外表面的温度。
关 键 词:围护结构 温度 动态热平衡模型
1引言
随着社会的发展,人们在关注室内环境的同时,也将目光转向了室外微环境。研究建筑小区的速度场和温度场,避免局部地区风速过大、过小,温度过高或者过低,以指导规划设计,提高人在微环境中的舒适性,是较有实际意义的一个问题。和室内热环境相比,室外微气候的影响因 素更多，关系更为复杂。除了受到城市上空大气环境影响外,它还与周围的建筑布局、形态、材料以及局部的下垫面属性等多种因素有关。随着计算机技术和数值模拟技术的发展,应用CFD技术来解决实际中的一些流动和传热问题成为可能。通过借助热平衡分析和数值模拟手段,建立太阳辐射下一单栋建筑的热平衡方程,进而采用计算流体力学的方法,模拟出建筑外的温度场情况。本文建立了一个考虑围护结 构蓄热和传热、围护结构外表面向外辐射散热、围护结构外表面吸收天空长波辐射以及外表面吸收周围物体辐射热量的动态模型,并用该模型计算了广州夏季某一日某单栋建筑各围护结构外表面的温度。
2所采取的假设
本文计算时采用了以下假设:
①在同一方向的各个建筑表面上的温度确实存在差异,但这种差异并不大,甚至小于靠近壁面 温度的差异。因此假设认为每个建筑表面的表面温度在每一时刻是均匀一致的,没有水平温差和垂直温差,可作为集总参数来分析和计算。这样对一个建筑表面可仅列出一个方程,减少了方程的个数,这样虽然减小了计算的精确度,但比较降低的精确度和可行性,这种简化是合理的。
②假设模拟日天气是晴朗的。
③模拟的是理想日围护结构外表面的温度,假定模拟日前几天与模拟日的气象参数差别不 大,围护结构外表面温度成周期性变化。
④室内温度的变化幅度相对室外温度来说是非常小的,并且本文所研究的主要是室外的温度 场,因此可假定建筑室内温度恒定不变,此假设带来的误差可忽略。
3数学模型
本文建立的数学模型如式(l)所示:
q1+q3+q5+q4-q2- HG(n)=0 (l )
式 中:
q1为外表面吸收的大气辐射热量,w/m;q2为由于辐射从外表面散出的热量,w/m;q3为外表 面从地面物体吸收的辐射热量,w/m; q4为室外空气到外表面的对流传热量,w/m;q5为外表 面吸收的日射量,w/m;HG(n)为n时刻围护结构向室内的传热得热量。
外表面吸收的大气辐射热量可根据式(2)进行计算:
 (2)式中:
 为外表面的辐射系数; 为外表面对天空的形状系数; 为黑体的辐射常数,5.67W/m2; 为周围空气的绝对温度,K ;e为室外空气水蒸气分压力,mbar;  为云量覆盖比,取0-1,无云时 =0。由于辐射从外表面散出的热量根据式(3)进行计算：
 （3）式中:
 为外表面的绝对温度。外表面从地面物体吸收的辐射热量根据式(4)进行计算:
 （4）式中:
 为地面物体表面辐射系数。室外空气到外表面的对流传热量可根据式(5)进行计算:
 （5）式 中:
 为外表面的对流放热系数。外表面吸收的日射量可根据式(6)进行计算:
 (6)式 中:
 为外表面日射吸收率; 为日射辐射强度,W/m2。围护结构有重型结构和轻型结构之分,重型结构是指必须考虑建筑围护结构蓄热性能的一种结构,而轻型结构是指可忽略围护结构蓄热性能的一种结构。在夏季,由于室内外平均温差并 不大,但波动的幅度却相对较大,两者具有可比性,故必须按非稳态计算法来计算围护结构的 传热。本文采用反应系数法来计算不稳定传热,它可通过程序输人围护结构的特征值而求出不同围护结构的吸热反映系数和放热反映系数,进而求得传热量。
4计算实例
4.1在Gambit建立中模型
首先建立建筑的几何模型
划分网格mesh
设置边界类型
 4.2在FLUENT中求解计算层流流动
4.2.1 FLUENT的参数设置
（1）解算器的设置
表4-1 Fluent解算器参数的设置
Tab.4-1 The settings of Fluent parameter
 辐射模型：
 太阳辐射数据：
参数设置：Do模型，solar caculator地点设置为广州的经纬度，Gmt=+8，时间为6月21日上午10点；入口风速1m/s，温度288K，RNG湍流模型；物体与地面外表面都为耦合传热，空气外壁设为透明。
材料性质：空气：吸收系数1，散射系数0；物体吸收系数0.1，散射系数0；地面：吸收系数0.2，散射系数0
（2）材料属性的设置
类型：空气。密度：1.225
 。运动粘度系数  （3）运行条件的设置
Fluent中运行条件设置如表4-2所示。
表4-2 Fluent中运行条件的设置
Tab.4-2 The settings of Fluent operating conditions
（4）计算精度的设置
计算精度设置如表4-3所示。
表4-3 Fluent中计算精度的设置
Tab.4-3 The settings of Fluent calculation precision
（5）边界条件的设置
① 定义进口Inlet，Inlet定义为流速入口Velocity-inlet，设置入口风速1m/s，温度288K
② 定义出口Outlet，出口为压强出口Pressure Outlet，默认设置；
③ 定义壁面Wall
 （6）开始迭代
设置迭代次数为200，实际比这个更少，迭代收敛时会自动停止。
（7）保存文件
操作：File→Write→Case＆Data…，打开保存文件对话框，点击OK。
4.2.2 太阳辐射下围护结构计算结果及分析
（1）残差检测曲线
入口速度v=1m/s残差监测曲线如图4-4所示。
 图4-4速度v=1m/s残差监测曲线
Fig.4-4 The residual monitoring curve of v=1m/s
（2）各壁面温度等高线图
 5结论
1) 通过此模型可获得建筑围护结构外壁面的温度 ,为进一步评价和改善建筑周围的热环境奠定了基础;
2) 建筑围护结构外壁温与空气温度和太阳辐射有关 。在接受不到太阳直射辐射时, 温度变化与空气温度变化趋势一致, 并且温度与空气温度相差不大。在接受到太阳直射辐射时 ,壁面温升很显著, 且辐照度越大 ,温度越高。这证明了太阳辐射直接加热空气的成分很少, 而是通过先加热固体表面 ,而后通过空气与固体表面的对流作用和吸收固体表面的长波辐射而使空气温度升高的；
3) 比较建筑物四面墙的太阳辐射情况和外壁温情况, 西面墙在下午太阳辐射强度最高、壁温也最高 ,而且此时空气温度也是一天中最高的时刻。因此此时西面墙附近地区的热环境最差。
参考文献：
[1]彦启森,赵庆珠.建筑热过程[M].北京:中国建筑工业出版社, 1996.
[2]YanQisen,Zhao Qingzhu.Thermal processes of building[M].Beijing: Chinese Architecture Industry Press, 1996.
|