王 歡, 仝易麟、2, 樊越勝, 田國記, 王云朋

(1.西安建筑科技大學 建筑設備科學與工程學院, 陜西 西安 710055;2.中色科技股份有限公司, 河南 洛陽 471039)

1 概述

近年來,半透明輕質(zhì)膜結(jié)構(gòu)以其優(yōu)異的材料性能、良好的建筑性能和結(jié)構(gòu)性能引起了人們的廣泛關注。與傳統(tǒng)建筑材料相比,膜建筑材料具有重量輕、柔韌性好、自清潔等優(yōu)點。膜建筑具有工期短、安裝方便、投資小等特點[1],已廣泛用于臨時或半永久性大跨度公共建筑(如體育館)和其他附屬結(jié)構(gòu)(如建筑走廊),在改善生態(tài)環(huán)境和生活環(huán)境方面發(fā)揮了積極作用。

與傳統(tǒng)建筑材料不同,膜建筑材料隔熱性能差[1]。透光率高、太陽熱增益系數(shù)大、隔熱保溫能力差等特性導致膜建筑難以依靠自身熱阻減少室外溫度、太陽輻射等室外熱擾對室內(nèi)熱環(huán)境的影響[2-4]。尤其是在夏季高溫天氣,易出現(xiàn)室內(nèi)溫度過高等現(xiàn)象,嚴重影響工作人員工作效率和儀器的正常使用,制約了膜建筑的發(fā)展。

目前,對膜建筑的研究主要集中在建筑結(jié)構(gòu)和織物膜材料的力學特性方面,關于膜建筑室內(nèi)熱環(huán)境的研究比較少。本文搭建膜建筑室內(nèi)熱環(huán)境測試平臺,在不同太陽輻照度、室外溫度條件下(夏季晴天日、夏季陰天日、冬季晴天日),測試膜建筑室內(nèi)溫度及屋頂內(nèi)外表面溫度的變化。

2 測試內(nèi)容

2.1 測試平臺

膜建筑室內(nèi)熱環(huán)境測試平臺見圖1。膜建筑長2 800 mm、寬1 200 mm,拱形屋頂最高點距地面640 mm。膜材料為表面涂層為PVC、底層涂覆PVDF的聚酯纖維織物膜。膜材料厚約1 mm,對太陽輻射的吸收率為18.5%,透射率為4.9%,反射率為76.6%。膜建筑地面即測試地點所在建筑的屋頂,四周均為膜材料,不設門、窗,室內(nèi)無供暖供冷裝置。

圖1 膜建筑室內(nèi)熱環(huán)境測試平臺

2.2 測試內(nèi)容

為分析不同太陽輻照度、室外溫度條件下膜建筑室內(nèi)熱環(huán)境及膜材料傳熱特點,測試分別在夏季晴天、夏季陰天、冬季晴天進行。測試地點位于西安某建筑屋頂,四周無遮擋。主要測試參數(shù):太陽輻照度、室外溫度、室內(nèi)溫度、各朝向膜內(nèi)外表面溫度。

太陽輻照度、室外溫度采用Vantage Pro2 Plus型小型氣象站記錄。太陽輻照度測量范圍為0～1 800 W/m2,相對誤差為±5%。溫度測量范圍為-40～65 ℃,絕對誤差為±0.5 ℃。小型氣象站放置在膜建筑附近且四周無遮擋的位置,數(shù)據(jù)每隔1 min自動采集1次。室內(nèi)溫度、各朝向膜內(nèi)外表面溫度均采用T型熱電偶進行測量,每隔1 min采用2701型采集儀記錄1次數(shù)據(jù)。

2.3 溫度測點布置

溫度測點布置見圖2。x軸所指方向為北向。溫度測點坐標見表1,忽略屋頂內(nèi)外表面溫度測點的z坐標的差別。屋頂內(nèi)外表面分別布置5個溫度測點,測點R1～R5為屋頂外表面溫度測點,測點R1′～R5′為屋頂內(nèi)表面溫度測點。以地面為起點,沿高度方向每隔128 mm布置1個溫度測點,共布置5個室內(nèi)溫度測點(測點C1～C5)。在進行數(shù)據(jù)處理和分析時,屋頂內(nèi)外表面溫度取相應測點的平均值,室內(nèi)溫度取測點C1～C5的平均值。

表1 溫度測點坐標

圖2 溫度測點布置

3 測試結(jié)果與分析

夏季工況:2021年7月至8月進行了連續(xù)測試,為避免不良天氣對實驗測試的影響,最終選取7月29日、8月10日分別作為夏季晴天日、夏季陰天日。冬季工況:選取2020年1月12日作為冬季晴天日。為方便闡述,將夏季晴天日、夏季陰天日、冬季晴天日統(tǒng)稱為典型日。出于某些原因,冬季晴天日僅獲得白天的測試數(shù)據(jù)。典型日的室外風環(huán)境均為微風環(huán)境。

3.1 典型日太陽輻照度

典型日太陽輻照度隨時間變化見圖3。由圖3可知,夏季晴天日、夏季陰天日的太陽輻射均在6:00開始出現(xiàn)。夏季晴天日,太陽輻照度在13:00達到峰值921 W/m2,平均太陽輻照度為524 W/m2。由于夏季陰天日的天氣狀況不穩(wěn)定,云層厚且多,導致大氣對太陽輻射的削弱作用增強,地面的太陽輻射減弱[5]。因此,與夏季晴天日相比,夏季陰天日的太陽輻照度明顯降低且波動較大,11:00太陽輻照度達到峰值942 W/m2,平均太陽輻照度為265 W/m2。冬季的日照時間比夏季明顯縮短,地面的太陽輻射明顯減弱。冬季晴天日,太陽輻射在8:00開始出現(xiàn)。太陽輻照度在12:00后達到峰值409 W/m2,平均太陽輻照度為141 W/m2。

圖3 典型日太陽輻照度隨時間變化

3.2 室內(nèi)溫度

典型日室內(nèi)外溫度隨時間變化分別見圖4～6。由圖3、4可知,對于夏季晴天日,室內(nèi)溫度變化范圍為22.3～44.8 ℃。白天,室內(nèi)溫度變化趨勢與太陽輻照度變化趨勢基本一致。7:00—12:00,室內(nèi)溫度隨太陽輻照度增大而增大。12:00—14:00,太陽輻照度達到880 W/m2以上,并于13:00達到峰值,隨后(14:00)室內(nèi)溫度也達到峰值44.8 ℃,與太陽輻照度峰值出現(xiàn)時間相比,僅存在1 h的延遲。15:00,室內(nèi)溫度開始下降。夜間,太陽輻射作用消失,室內(nèi)溫度的變化趨勢與室外溫度基本一致,且逐漸與室外空氣溫度接近。由圖4～6可知,夏季陰天日、冬季晴天日,室內(nèi)溫度的變化情況與夏季晴天日相似。

圖4 夏季晴天日室內(nèi)外溫度隨時間變化

圖5 夏季陰天日室內(nèi)外溫度隨時間變化

圖6 冬季晴天日室內(nèi)外溫度隨時間變化

在白天太陽輻照度比較大時,太陽輻照度的影響占主導,膜建筑室內(nèi)熱環(huán)境類似日光溫室。在陰天太陽輻照度比較小以及夜間時,室外溫度的影響占主導。

3.3 屋頂內(nèi)外表面溫度

典型日屋頂內(nèi)外表面溫度隨時間變化分別見圖7～9。由圖3、7可知,對于夏季晴天日,白天屋頂內(nèi)外表面溫度變化趨勢均與太陽輻照度變化趨勢基本一致,且外表面溫度高于內(nèi)表面溫度。從7:00開始,屋頂內(nèi)外表面溫度隨太陽輻照度增大而增大。13:00,太陽輻照度達到峰值,屋頂內(nèi)外表面溫差也達到全天最大值6.1 ℃。14:00,屋頂內(nèi)外表面溫度同時達到峰值,與太陽輻照度峰值出現(xiàn)的時間相比,僅存在1 h的延遲。夜間,太陽輻射作用消失,屋頂內(nèi)外表面溫度均下降,且趨于接近。屋頂表面通過與環(huán)境間的長波輻射以及與周圍空氣間的對流傳熱作用不斷散熱,導致屋頂內(nèi)外表面溫度降低[6]。由圖7～9可知,夏季陰天日、冬季晴天日,屋頂內(nèi)外表面溫度變化情況與夏季晴天日相似。

圖7 夏季晴天日屋頂內(nèi)外表面溫度隨時間變化

圖8 夏季陰天日屋頂內(nèi)外表面溫度隨時間變化

4 結(jié)論

① 對于室內(nèi)溫度:在白天太陽輻照度比較大時,太陽輻照度的影響占主導,膜建筑室內(nèi)熱環(huán)境類似日光溫室。在陰天太陽輻照度比較小以及夜間時,室外溫度的影響占主導。

② 對于屋頂內(nèi)外表面溫度:對于夏季晴天日,白天屋頂內(nèi)外表面溫度變化趨勢均與太陽輻照度變化趨勢基本一致,且外表面溫度高于內(nèi)表面溫度。夜間太陽輻射作用消失,屋頂內(nèi)外表面溫度均下降,且趨于接近。夏季陰天日、冬季晴天日,屋頂內(nèi)外表面溫度變化情況與夏季晴天日相似。