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建筑物日影作用下不同类型下垫面表面温度的实验研究
摘要 住区微气候对于建筑室内冷热负荷,空调设备的运行状况以及居住的舒适性有很大的影响,下垫面的性质是影响住区微气候的重要因素之一。本文通过实验研究了水泥地面,裸土以及草坪三种典型下垫面表面温度在一天中随时间的变化。尤其对于在住区微环境中广泛存在的日影响效应进行了针对性实验。得出结论:在相同气象条件下不同下垫面表面温度有很大差异,下垫面的绿化能够有效改善了局部微气候;夏季的日影响效应对于下垫面表面温度来说起主导作用,影响下垫面表面温度的其他因素相对可以忽略不计,从而为建立简化的日影作用下的下垫面物理模型提供了实验依据。
  
关键词 微气候 下垫面 日影 实验


一、前言
  
  在新世纪,能源和环境两大问题越来越为人们所关注。建筑物以及保障其内部人工环境的设备怎样在保证健康和舒适的条件下,做到降低能耗、保护环境,长期以来一直是专家们研究讨论的话题。
  建筑物能耗在最近很多年一直是暖通空调界研究的热点问题之一,学者们提出了很多建筑物热特性计算的模型和方法,然而如何给出对于负荷计算非常重要的室外边界条件,目前还没有很好的办法,然而如何给出对于负荷计算非常重要的室外边界条件,目前还没有很好的办法,目前沿用的城市尺度的气候参数方法,精确性远低于目前非常细致的建筑物模型。建筑周围的微气候研究有助于对于准确进行建筑物室内冷热负荷计算,优化空调设备的运行管理[1]。Www.11665.cOm
  从另一方面来看,随着人们对于居住舒适性的要求的提高,越来越多的人们对于环境的关心已经不仅仅局限于城市尺度,而开始着眼于居住环境周围的微环境的舒适性。合理规划建筑小区,改善局部微气候,提高提高住区微环境的舒适性已经受到众多建筑师和规划师的重视。然而,由于学科间的差异,这些研究多停留在要领研究和定性研究的层次,没有进行定量的分析计算和实验,显得说服力不足[2][3]
  由于上述的原因,住区微气候研究作为气象,建筑以及暖通空调等多学科交叉的一个研究领域,正日益受到人们的重视。影响住区微气候的因素很多,除空气温度、风速、太阳辐射、小区布局、人为排放热等因素外[4],下垫面作为住区微环境的一个重要组成部分,不同类型的下垫面对于微气候影响很大。另外,在住区微环境中,由于建筑物比较密集,建筑物的日影面积比例常常很大,而且日影响部分的表面温度与非日影响部分差异很大,这也会在一定程度上改变下垫面上方空气场的温度分布,进而影响住区的微气候。由于正下垫面以及建筑物在下垫面上的日影响对于住区微气候研究的重要性,本文从建筑物的尺度出发,在2000年夏季设计并进行了不同下垫面表面温度的测定实验,得到不同下垫面表面温度在一天中的分布,考察不同类型下垫面表面温度的不同。尤其对于在住区微环境下非常普遍的日影现象,进行了针对性实验设计。实验结果为建立简化的住区微环境下非常普遍的日影现象,进行了针对性实验设计。实验结果为建立简化的住区微环境下垫面热物理模型以及模拟计算的时间步长的选择提供参考,也为住区微气候模拟计算提供实验数据检验的基础。
  
二、实验描述
  
  1.实验目的   
  对于不同类型的下垫面,由于其表面黑度、蓄热能力、含水量、甚至蒸腾作用,其表面温度在相同的上方气流状况以及天气状况下有很大的不同。而住区微气候的研究中,所关心的正是下垫面表面的温度对于住区热环境的影响,下垫面以下部分的温度分布相对次要。取得建筑物尺度的不同下垫面表面温度在一天中的分布的第一手实验数据,为相应的微气候模拟计算和下垫面的物理模型的建立提供参考实验,是本实验进行的主要目的之一。
  由于在有太阳直射的时候,尤其是夏季(这也是住区热环境最恶劣季节之一),太阳辐射得热是下垫面热平衡中所占比例很大一个组成部分,正确处理日影效应对于下垫面模型的建立和准确性意义重大;在住区微环境中,由于建筑物比较密集,建筑物在太阳直射的情况下在下垫面上会形成面积比例比较大的阴影;因此,由于下垫面是住区微环境的一个重要组成部分,还由于日影响对于下垫面温度的影响显著并且所占面积比例比较大,处理好日影效应对准确模拟住区微气候有其特殊的意义。研究日影区域和非日影区域区域一致性,以及不同下垫面表面温度对于日影移动的跟随性,是本实验的第二个目的。
  由于下垫面的蓄热能力比微环境中空气场的蓄热能力要大的多,在进行非稳态模拟计算时,选择合适的下垫面计算的时间步长对于计算的准确性非常重要,通过实验研究,对时间步长的选择提供实验依据,是这次实验的另一目的。
  
  2.实验时间地点   
  实验时间:2000年6月3日~10日
  根据实验目的,需要找到3种典型合适的实验的下垫面,它应有如下特点:
  (1)下垫面性质单一,面积比较大;
  (2)人为排放热少;
  (3)附近有高大建筑物,并且建筑物立面比较单一(考虑阴影效应);
  根据上面对于实验场所的要求,我们分别选取清华大学理学院大楼前广场,清华大学化学馆西侧土地,清华大学理学院报告厅北侧草坪作为砖砌、裸土以及草坪三种区微环境种典型的下垫面的实验场所。
  
  3 测量参数及测点布置   
  记录下垫面表面温度的测试仪器是清华同方股份有限公司生产的rhlog智能型温度自记仪。该自记仪能定时对目标环境温度进行自动测量,并把测量结果保存在内部的存储器中。测温使用热敏电阻型温度测头,测头由一根引线引出,测头外加装防水塑封。它的记录温度的范围-20~+75℃,精度为±0.3℃(25℃时)。
  在测量砖砌地面温度时,将测头紧贴地面,外面用一薄层白色膏将其固定。并把白色石膏外面染成下垫面的颜色,以求其物性与下垫面一致。在测量裸土表面温度时,用地面很薄一层裸土将测头覆盖,使测头紧贴地面,并保证测量结果表面温度。实验所在草坪被管理的很好,经常被修剪,草高较低,一般在10cm以下,我们在实际测量中,所测草坪温度是草坪下部接近土壤表面的温度。测头紧贴土壤表面放置.
  在测量空气温度时,我们在每个温度测头外加装了一个直径9mm、长45mm的铜管,防止太阳辐射对温度测头的影响。铜管下部有通风孔,以保证空气通畅[5]。并且在铜管外面用锡箔纸做成圆锥形的小罩子进一步加强辐射影响。
  
三、实验结果及其分析
  
  1.砖砌下垫面实验
  测量日天气晴好,正午最大辐射值约为836w/m2,日平均风速在1.5m/s左右。我们主要使用建筑东侧的砖砌下垫面进行分析,图1中各条曲线代表不同的测点,从图中可以看出,砖砌下垫面在一天中的温度变化很大,温度在中午13:30左右开始出现阴景前达到最高点,达到50℃,该下垫面从下午13:30左右开始出现阴影前达到最高点,达到50℃,该下垫面从下午13:30开始,逐渐出现阴影区域,由于失去主要热源太阳直射,测点温度迅速下降,曲线的变化剧烈而迅速。在下午15:30左右,曲线变化趋势趋缓,从此时刻至第2天凌晨,温度一直平衡下降,在太阳升起前达到最小值约为20℃。昼夜温差达到30℃之多。砖砌下垫面白天温度远远高于空气温度,夜间又低于空气温度,昼夜温差很大,体现出砖砌下垫面蓄热能力差的特性,对于微气候是很不利的。
            
                        图1 砖砌下垫面表面温度
  
  从图2中可以看出西侧7个测点的温度曲线非常接近,而这7个测点的阴影历史状况是不相同的,这就间接说明对于阴影区域和非阴影区域的基本假设之一是成立的,即阴影区域温度和非阴影区域温度主要由当前是否属于阴影区域决定,而与其他因素关系不大。
           
                  图2 砖砌下垫面日影与非日影表面温度比较图
  
  下面我们进一步对阴影区域和非阴影区域内部各点的温度的一致性进行详细讨论。从图3中可以看到14个测点的温度情况,图中从左到右依次为1号到14号测点的温度曲线图。从1号到14号测点在与建筑东墙垂直的一条线上,各个测点间距0.6m,并随测点号增大而距离建筑越远。因此,在下午的时候,随着时间的推移,阴影区域变得越来越大,其影子的边界距离建筑越来越远,先是覆盖了号较小的测点,然后是较大的测,最后测点全部都在阴影区域内。上图记录了这一日影区域移动的过程。在13:00的时候各个测点都在阴影区域之内,这时各个测点的温度非常一致,各点温度与平均温度最大相差不超过3℃,基本上在1℃左右。这说明了非阴影区域内温度的一致性。在13:30~14:50是阴影边界在测点范围内移动的阶段。请注意14:00的曲线,1~6号测点在阴影内,7~14点在阴影外。图中阴影外的各点温度惊人的一致,并且与前一时刻的温度相比变化也很小。这说明阴影区域对于非阴影区域的温度影响很小。这也可以从理论上解释,两区域的换热只通过两者之间的一条"线"互相换热,换热面积很小,而导热本向所占热流比例也很小。所以,非阴影区域的温度大小不受与阴影边界的远近影响。而从14:15的曲线也可以看到相近的结果,只是点1~8而不是1~6在阴影区域里罢了。在16:00和20:00的两条曲线中可以看出阴影区域温度的一致性。图中所有点都处于阴影区域之内,而各点的温度差异小于0.5℃,这说明在夏季有日影效应的情况下,日影效应对于砖砌下垫面表面温度来说起主导作用,影响下垫面表面温度的其他因素相对可以忽略不计。
             
                    图3 日影移动对砖砌下垫面表面温度的影响图
  
  从图中可以清楚的看到阴影移动对于砖砌下垫面温度的影响。在13:30分测点1首先进入阴影,而在14:40最后一个测点13进入阴影。图中可以看到各个测点逐一进入阴影后温度下降的过程。从中可以看出,由阴影区域向非阴影区域过渡的过程相当的迅速,只有不到一个小时,这说明砖砌下垫面的蓄热较弱,对于以1小时为时间步长的下垫面温度计算来说,其达到本时刻温度的稳定过程很快,可以认为1小时后当前的状况已经不直接受1小时前的影响,说明在进行下垫面模拟计算的时候,所选取的时间步长不宜短于1小时 。
  从以上分析可以得出以下结论:
  砖砌下垫面非日影区域内的温度与日影区域内温度之间的差异远远大于这两个区域内温度的差异。在进行下垫面模拟计算的时候,如果进行日影区域内温度一致性假设,选取的时间步长不宜小于1小时。
  

  2. 裸土表面温度实验   
  测量日天气晴好,正午最大辐射值约为836w/m2,日平均风速在1.5m/s左右。图中各条曲线代表不同的测点。从图4中可以看出,日影时刻出现在早晨10:40之前。温度在中午13:30左右达到最高点,最高值的出现早于砖砌下垫面。最高温度达到57℃,而在下午18:00左右的时候就已经下降到32℃了。仅半天的温差就达到28℃。其日振幅和时间滞后的特性都说明,在夏季,裸土下垫面相对于砖砌下垫面来说,其蓄热能力更差。
  从图4中可以看出各个测点的温度曲线不象砖砌下垫面那样接近,这是因为裸土下垫面并不是非常规则,各处性质不能保证象人工砖砌下垫面一样一致。但是各点温度与平均值间的温差也在5℃之下。这一温差相对于阴影区域与非阴影区域间多达20℃的温差来说是可以忽略的。
           
                      图4 裸土下垫面表面温度图
  
  与对于砖砌下垫面的讨论相同,从图5中各个测点的温度情况对日影移动的响应状况可以看出,日影效应是影响裸土表面温度的最重要的因素。并且可以认为,由于日影移动造成的下垫面表面温度的变化在一小时内可以近似认为结束,这一数据可以作为于裸土下垫面的模拟计算的步长选择的参考。
           
                    图5 日影移动对裸土下垫面表面温度的影响图
  
  3. 草坪表面温度实验结果   
  测量日天气晴好,正午最大辐射值约为800w/m2,日平均风速在1.5m/s左右。所选取的测量区域是在建筑的西侧和北侧,因此阴影边界在测点附近移过的时间主要集中在上午和中午。图6中各条曲线代表不同的测点。
           
                       图6 草坪下垫面表面温度图
  
  从图中可以看到草坪的蓄热能力较强,最高温度在中午12:30左右达到,晚于砖砌下垫面和裸土下垫面。
  而且日振幅很小,与空气温度很接近,没有出现其他下垫面那样在辐射高的时候温度高达五六十度的情况,总温度波动在28℃以下。在夜间可以看出,草坪温度要低于空气温度,仍然与白天一样冷却空气。
  在凌晨的时候部分测点出现了一个突然下降的过程。估计可能是由于结露的原因从图中一样进行像砖砌下垫面和裸土下垫面类似的分析,可以得出日影对于表面温度起主导作用的结论,这里就不再赘述了。
  
五、结论
  
  砖砌地面,裸土和草坪是住区微环境中最主要的下垫面,本文以建筑物的尺度,对这三种不同下垫面进行了表面温度的测定实验,得到不同下垫面表面温度在一天中的分布通过分析实验数据,得到以下具体结论:
  1. 下垫面的绿化在夏季能够有效降低下垫面表面温度,从而改善局部微气候;
  2.下垫面表面温度对日影移动的响应过程长短与下垫面种类有关,砖砌地面和裸土下垫面的响应时间要短于草坪下垫面,不同下垫面的响应时间一般都短于1小时。
  3. 夏季建筑物的日影效应对于下垫面表面温度起主导作用,影响下垫面表面温度的其他因素相对可以忽略不计,在建立下垫面模型的时候,可以假设下垫面某点的温度由该点是否处于建筑物日影中决定,而与该点位置或其他因素无关,从而大大简化住区微环境下垫面模型。
  
  
参考文献
  
  1 李莹,建筑群及单栋建筑周围空气温度的理论和实验研究:[硕士论文]
  2 刘平等,城市住区人民环境生态设计,城市环境与城市生态,2000-8
  3 马晓茜等,建筑热微气候节能设计的软件与硬件,低温建筑技术,1995(3)
  4 林波荣等,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,暖通空调制冷2000年学术年会论文集
  5 狄洪发等,夏季草坪区域湿温度实验研究与分析,暖通空调制冷2000年学术年会论文集
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  •  更新时间:2011-03-17 19:15:04  作者:佚名 [标签: 建筑物 影作 类型 面表 温度 ]
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