吳琦琦，胡瑩，黃志甲

（安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243032）

0 引言

太陽(yáng)輻射是影響建筑物熱環(huán)境的重要因素之一。入射到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的太陽(yáng)輻射能被圍護(hù)結(jié)構(gòu)吸收和反射，影響建筑墻體外表面溫度、傳遞到建筑室內(nèi)的熱量、建筑空調(diào)能耗以及室內(nèi)環(huán)境的舒適度[1-2]。降低建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)輻射量的吸收是降低建筑夏季得熱和空調(diào)負(fù)荷[3-4]的重要措施。

目前，針對(duì)降低建筑外墻對(duì)太陽(yáng)輻射量吸收的研究主要集中在新型隔熱材料開(kāi)發(fā)和采用不同建筑外飾面材料。關(guān)于新型隔熱材料的研究，一般在反射隔熱涂料中加入新材料改變反射隔熱材料組分、占比等[5]，以提高隔熱保溫性和反射性能[6-7]，同時(shí)改善反射隔熱涂料的耐污性、節(jié)能性、耐久性和輻射能力[8-9]。對(duì)于建筑外飾面材料的研究，由于現(xiàn)代建筑外飾面材料種類(lèi)繁多，如涂料、飾面磚、石材、金屬幕墻等，而不同外飾面材料表面粗糙度、材質(zhì)和顏色等[10]都會(huì)影響材料表面反射率進(jìn)而影響建筑室內(nèi)外熱環(huán)境，一些學(xué)者通過(guò)改變不同外飾面材料探究其熱工性能對(duì)建筑空調(diào)負(fù)荷、室內(nèi)外溫度、節(jié)能、能耗等影響進(jìn)行研究[11]。在不同氣候區(qū)的建筑設(shè)計(jì)中，利用建筑外飾面材料的熱工性能，可降低建筑采暖、空調(diào)能耗，并通過(guò)理論和模擬方式驗(yàn)證改變外飾面材料熱工性能降低空調(diào)負(fù)荷，同時(shí)改善了室內(nèi)熱環(huán)境[4]。炎熱地區(qū)采用淺色外飾面減弱墻體對(duì)太陽(yáng)輻射量的吸收達(dá)到隔熱效果，文獻(xiàn)[12]通過(guò)實(shí)測(cè)證明在最大太陽(yáng)輻射時(shí)，采用黑色外飾面比白色外飾面材料內(nèi)部空氣溫度最大高約12 ℃。

從建筑外表面看，徽州傳統(tǒng)民居建筑色彩均由黑白兩色組成，加上歲月的侵蝕，形成獨(dú)特的藝術(shù)審美效果。同時(shí)還有節(jié)能，改善熱舒適性等作用。本文通過(guò)建立建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)鳠崮Ｐ?，得到影響建筑外墻表面溫度的主要影響因素，并針?duì)該影響因素在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)下對(duì)傳統(tǒng)徽州民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度影響進(jìn)行分析。

1 研究方法

1.1 靜態(tài)分析

為了研究建筑外墻表面溫度隨反射比和太陽(yáng)輻射量變化的規(guī)律，進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。將圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、風(fēng)速、室外溫度等參數(shù)設(shè)置為定值，建立建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面熱平衡方程，進(jìn)而研究反射比和太陽(yáng)輻射量的大小對(duì)建筑外墻表面溫度的影響。

1.1.1 數(shù)學(xué)模型

建筑使用反射涂層是指該涂層對(duì)太陽(yáng)輻射有較高的反射率[13]，其中主要的表現(xiàn)形式是降低了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度以及室內(nèi)溫度[14]。由于室內(nèi)采用了空調(diào)制冷，室內(nèi)的溫度保持恒定，因此主要是表現(xiàn)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度的降低。

為了得到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度的表達(dá)式，引入建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面熱平衡方程進(jìn)行分析，即建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面吸收的熱量等于長(zhǎng)波輻射換熱熱量、外表面對(duì)流換熱熱量以及外表面向室內(nèi)傳遞的熱量之和，如式（1）所示：

式中：ρ——建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面太陽(yáng)輻射反射比；

I——太陽(yáng)輻射照度，W/m2；

ε——長(zhǎng)波發(fā)射率；

Tw，out——建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度，℃；

Tsky——天空輻射溫度，℃；

hc——建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

Ta——室外空氣溫度，℃；

Kw-a——建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面至室內(nèi)空氣的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

Tn——室內(nèi)空氣溫度，℃；

由于長(zhǎng)波輻射換熱量占整個(gè)熱平衡的比例相對(duì)較小[15]，可忽略長(zhǎng)波輻射的作用。

根據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》在典型工況下對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)要求，夏季建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)流換熱系數(shù)hc=19 W/（m2·K）。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面至室內(nèi)空氣的傳熱系數(shù)Kw-a與圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)Kw和內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)hl有關(guān)，見(jiàn)式（2）：

式中：hl——建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱系數(shù)，取8.7 W/（m2·K）；

Kw——建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，取1.5 W/（m2·K）

由式（1）、式（2）得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外表面溫度：

由于夏季室內(nèi)采用空調(diào)制冷，則假設(shè)室內(nèi)溫度為26 ℃，屋面的傳熱系數(shù)為2.415 W/（m2·K），墻體的傳熱系數(shù)為1.5 W/（m2·K），室外平均空氣溫度為35 ℃。

在設(shè)定的條件下，建筑外墻外表面溫度T是太陽(yáng)輻射反射比和太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度的函數(shù)，見(jiàn)式（4）：

在太陽(yáng)輻射照度為定值時(shí)，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻反射比的大小決定了建筑外墻對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率，反射比ρ 越高時(shí)，外表面的溫度越低，導(dǎo)致傳入室內(nèi)的熱量越低，從而達(dá)到節(jié)能的效果。

1.1.2 靜態(tài)分析方案

假設(shè)熱量從圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)魅胧覂?nèi)的過(guò)程中，熱流保持不變，且室內(nèi)外溫度為恒定值，外表面溫度Tw，out與內(nèi)表面溫度Tw，in存在式（5）的關(guān)系：通過(guò)式（1）、式（2）和式（5）可得到外墻表面溫度與反射比成線性關(guān)系，且外墻表面溫度隨著反射比的增加而降低。

在假設(shè)條件下，建筑外墻表面反射比由0到1之間變化，而太陽(yáng)輻射照度在100～1100 W/m2；同時(shí)研究反射比從0～1且以200 W/m2為間隔的太陽(yáng)輻射照度從100～1100 W/m2間變化對(duì)建筑外墻表面溫度的影響。

1.2 動(dòng)態(tài)分析

為了驗(yàn)證不同反射比對(duì)外墻表面溫度的影響，徽州建筑選擇不同反射比的外飾面材料如表1所示?；罩菝窬邮覂?nèi)采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)空調(diào)，全天溫度設(shè)置為26 ℃，其他參數(shù)保持不變，對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)夏季典型日外墻表面溫度采用能耗模擬EnergyPlus進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。由于傳統(tǒng)徽州民居粉磚黛瓦的特點(diǎn)，因此選取石膏和石灰粉刷墻體表面，在徽州地區(qū)瓷磚和淺色飾面磚也常用作為建筑外飾面材料，隔熱涂料在現(xiàn)在使用較多，因此本文選取這些外飾面材料對(duì)外墻表面溫度影響進(jìn)行分析。GB 50176—2016和GB 25261—2018《建筑用反射隔熱涂料》對(duì)選取的建筑涂料的太陽(yáng)輻射吸收率規(guī)定如表1所示。當(dāng)太陽(yáng)輻射到建筑墻體外表面時(shí)，由于墻體是不透明材料，則建筑墻體外表面只存在太陽(yáng)輻射能量吸收與反射現(xiàn)象。

表1 規(guī)范對(duì)外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)的規(guī)定

1.2.1 物理模型及驗(yàn)證

本文以黃山市屯溪區(qū)的氣候?yàn)檠芯勘尘?。利用建模軟件建立單個(gè)房間，并簡(jiǎn)化建筑模型進(jìn)行模擬計(jì)算。該建筑坐北朝南，徽州民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)為1.5 W/（m2·K），屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為2.415 W/（m2·K），地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1.887 W/（m2·K），室外空氣流速為1.5 m/s，氣象數(shù)據(jù)選用屯溪典型氣象年數(shù)據(jù)。

由于徽州民居的墻體呈現(xiàn)粉磚黛瓦的特點(diǎn)，且為了提高模擬的準(zhǔn)確性，對(duì)于建筑模型采用石灰粉刷墻面，且該模型在未設(shè)置空調(diào)的狀態(tài)下模擬和徽州民居實(shí)測(cè)南面外墻表面溫度進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，對(duì)比的時(shí)間是7月23日～7月26日。

采用統(tǒng)計(jì)學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)差均方根誤差CV（RMSE）來(lái)評(píng)價(jià)模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果之間的一致性[16]，模擬和實(shí)測(cè)的南外墻體表面溫度如圖1所示。

圖1 外墻表面溫度實(shí)測(cè)結(jié)果和模擬結(jié)果對(duì)比

從圖1可以看出，模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近，通過(guò)計(jì)算得到CV（RMSE）為5.65%，符合ASHRAE規(guī)定的模擬精度CV小于25%的要求[17]，所以，可認(rèn)為該模型是準(zhǔn)確可用的。

1.2.2 動(dòng)態(tài)分析方案

室外溫度與水平方向太陽(yáng)輻射的變化密切相關(guān)，夏季水平方向太陽(yáng)輻射與室外溫度的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，室外溫度處于升溫狀態(tài)；在下午時(shí)隨著太陽(yáng)輻射的降低，室外溫度處于降溫狀態(tài)；當(dāng)太陽(yáng)輻射消失時(shí)，室外的溫度一直處于降低的狀態(tài)。

圖2 夏季水平方向太陽(yáng)輻射照度與室外溫度的關(guān)系

2 結(jié)果分析

2.1 靜態(tài)分析

假設(shè)室外平均空氣溫度為35 ℃，由式（1）、式（5）可得建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度、熱流與太陽(yáng)光反射比和太陽(yáng)輻射照度之間的關(guān)系見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 外墻表面溫度與太陽(yáng)光反射比和輻射照度之間的關(guān)系

圖4 熱流與太陽(yáng)光反射比和輻射照度之間的關(guān)系

由圖3、圖4可見(jiàn)，太陽(yáng)輻射照度為定值時(shí)，建筑外墻表面溫度與熱流隨著反射比的變化呈線性關(guān)系。當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為100 W/m2且反射率由0增大到1時(shí)，外墻表面溫度由39.4 ℃降低到34.4 ℃，降低了5 ℃；熱流由17.1 W/m2到10.8 W/m2，降低6.3 W/m2。當(dāng)太陽(yáng)輻射照度為1100 W/m2，反射率由0增大到1時(shí)，外墻表面溫度由88.7 ℃降低到34.4 ℃，降低了54.3 ℃；熱流由80.3 W/m2減小到10.8 W/m2，減小了69.5 W/m2。隨著太陽(yáng)輻射照度的增大，反射比的大小對(duì)建筑外墻表面溫度和熱流影響越顯著。所以太陽(yáng)輻射照度較大的位置越適合使用具有較高反射比的外飾面材料來(lái)降低外墻表面溫度，減少進(jìn)入室內(nèi)的熱負(fù)荷。

2.2 動(dòng)態(tài)分析

不同朝向的建筑外墻太陽(yáng)輻射照度不同，同時(shí)不同的外墻外飾面材料的反射比不同，因此，反射的太陽(yáng)輻射量不同，導(dǎo)致建筑不同朝向的外墻表面溫度不同。

圖5是夏季在不同朝向時(shí)，不同外飾面的外墻一天中外表面最大與最小的溫度差值。

圖5 夏季不同朝向室外墻體表面溫差

由圖5可見(jiàn)，在夏季，徽州民居最大外墻表面溫度差值發(fā)生在西面墻，其次是南面墻。當(dāng)反射比為0.5的飾面磚西面墻溫差為16.98 ℃，南面墻溫差為11.55 ℃；而反射比為0.85的隔熱涂料西面墻溫差為12.03 ℃，南面墻溫差為10.13 ℃。因此在建筑動(dòng)態(tài)分析中分析不同外飾面材料反射比對(duì)建筑南西面墻表面溫度的影響。

圖6、圖7分別是建筑南、西面墻體熱流和外表面溫度變化模擬值。

圖6 南面墻體熱流和外表面溫度變化

圖7 西面墻體熱流和外表面溫度變化

由圖6、圖7可見(jiàn)，隨著太陽(yáng)輻射照度的增大，不同太陽(yáng)光反射比外飾面的熱流和外墻表面溫度相差較明顯，反射比越大的外飾面反射熱量越多，建筑外表面溫度降低越大，進(jìn)入室內(nèi)的熱量就越少，減少室內(nèi)熱負(fù)荷越多。在沒(méi)有太陽(yáng)輻射時(shí)，反射比的大小對(duì)熱流與外表面溫度沒(méi)有影響，只受室內(nèi)外氣溫的影響，則熱流和外墻表面溫度的相差較小。當(dāng)外墻由表面反射比為0.50的淺色飾面磚上升到反射比為0.85的隔熱涂料時(shí)，其南面墻的熱流峰值降低了4.95 W/m2，外表面溫度峰值降低了1.96 ℃；西面墻的熱流峰值降低了16.2 W/m2，外表面溫度峰值降低了5.52 ℃。則說(shuō)明外飾面材料反射比的變化能顯著提高外墻的防熱效果。西面墻體外表面最高溫度和熱流均高于南墻，則西面墻的傳熱對(duì)室內(nèi)熱舒適性影響比南面墻要大，因此，加強(qiáng)西外墻隔熱就很重要。

2.3 空調(diào)能耗影響分析

在夏季，不同外飾面對(duì)建筑單位面積空調(diào)能耗的影響見(jiàn)表2。

從表2可以看出，隨著外飾面材料反射比的增大，夏季單位面積空調(diào)能耗逐漸在降低。當(dāng)外墻由表面反射比為0.50的淺色飾面磚上升到反射比為0.85的隔熱涂料時(shí)，在整個(gè)夏季單位面積空調(diào)能耗降低39.66%。建筑外表面材料反射比改變對(duì)建筑空調(diào)能耗的影響較大，從而對(duì)建筑起到節(jié)能作用。

表2 不同外飾面材料對(duì)夏季空調(diào)能耗的影響

3 結(jié)論

（1）當(dāng)太陽(yáng)輻射照度為定值時(shí)，建筑外墻外表面溫度和熱流隨反射比的變化呈線性關(guān)系。同時(shí)太陽(yáng)輻射照度越大，反射比大小對(duì)建筑外墻表面溫度和傳入室內(nèi)熱流影響越顯著。

（2）反射比越大的外飾面，外墻表面反射太陽(yáng)輻射量越多，進(jìn)入室內(nèi)熱流和外表面溫度峰值就越低。在建筑四個(gè)不同朝向中，太陽(yáng)輻射對(duì)西面墻的影響最大，當(dāng)反射比由0.50的淺色飾面磚上升到0.85的隔熱涂料，西面墻體熱流和外墻表面溫度峰值分別下降16.2 W/m2和5.52 ℃，所以加強(qiáng)建筑西面墻體隔熱很重要。

（3）建筑外飾面反射比越高，吸收的熱量越少，減少空調(diào)負(fù)荷，降低了空調(diào)能耗，當(dāng)外由反射比為0.50的淺色飾面磚上升到反射比為0.85的隔熱涂料時(shí)，整個(gè)夏季單位面積空調(diào)能耗降低39.66%，達(dá)到了節(jié)能的作用。