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太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨

太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨者:王菲肖勇全

太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨

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)

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0.80~0.95,土壤0.60~0.95;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,h。

1.2.1 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:

CTTC

ground +CTTC

wall

(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;CTTC ground-地板的热时间常数,约为8h;CTTC wall-墙壁的热时间常数,约为6h。

1.2.2 单位面积上太阳直射平均辐射强度的计算

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。

1.2.3 紊流热交换系数的计算

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:(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:

太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨

了比较。具体4种工况如表2所示:

表2 模拟工况表

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3.1 计算结果

根据编制的程序对4种工况模拟,计算的结果得到了白天6:00至18:00太阳辐射引起的温升大小。基准温度取7月21日的平均温度,为26.36℃。总体看来,其增长幅度情况是符合空气温度变化趋势的。

(1) 建筑密度的影响

工况1代表建筑密度较大的小区,共有9座建筑,工况2代表建筑密度较小的小区,共有6座建筑。图1对这两种工况进行了比较。

图1 建筑密度对太阳辐射引起温升的影响

可以看出,白天太阳辐射对建筑密度小的小区的温升作用要大于对建筑密度大的小区。这种差异从早晨6:00开始逐步变大,到下午3:00左右达到最大,然后又逐渐变小。形成这种差异的原因是建筑密度小的小区下垫面接受到的太阳辐射较多。

(2)下垫面的影响

工况1代表下垫面吸收率较高的小区,平均吸收率为0.74。工况2代表下垫面吸收率较低的小区,平均吸收率为0.64。图2对这两种工况进行了比较。

图3 下垫面吸收率对太阳辐射引起温升的影响

可以看出,太阳辐射对下垫面吸收率小的小区的温升作用要小于吸收率大的小区。这种差异也是从早晨6:00开始逐渐变大,下午3:00左右达到最大,然后逐渐变小。吸收率小的下垫面吸收的太阳辐射热较少,因此它通过对流及辐射作用释放到空气中的热量较少,引起的温升小。值得指出的是这种比较不包括草地、水景、树木等下垫面。草坪等下垫面吸收的太阳辐射热并不全部释放到空气中,部分热量用于蒸腾作用、光合作用及水分蒸发,这部分热量被消耗掉是这些下垫面可以起到降温作用的主要原因。几种下垫面的吸收率如下表所示:

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工况1代表风速较大时的小区,风速为3m/s,工况4代表风速较小时的小区,风速为2.5m/s。图3对这两种工况进行了比较。

图3 风速对太阳辐射引起温升的影响

可以看出,风速越大,太阳辐射引起的空气温升越小,其变化趋势与前两种情况相同。风速越大,对流作用越强,同时由风带走的热量也越多。可见,风速有助于减弱建筑群的“热岛效应”。此结论与国内外很多研究结果相符。根据Sundborg对瑞典乌萨拉城乡气温对比与当地气象条件关系的观测和分析得出的回归方程、Emonds对德国波恩城市热岛的回归方程的热岛强度经验公式来看,风速与热岛强度呈负相关,风速越大,建筑群温度越接近气象站温度。根据周等的研究,我国北京地区不同季节热岛消失的临界风速是不同的,冬季热岛强度最强,热岛消失的临界风速也最大,夏季的热岛强度在四季中是最弱的,热岛消失的临界风速也是最小的[4]。

4 结论

CTTC模型能反映太阳辐射引起建筑群空气温升的真实趋势。通过模拟结果比较可以得出的结论有:

(1)小区建筑密度较小时,接受的太阳辐射较充足,由此引起的小区温升较大。

(2)尽量使用对太阳光吸收率较小的浅色建筑材料,避免采用对太阳光吸收率较大的沥青、混凝土来铺装全部地面。

(3)通过合理布置小区建筑物,加强小区的自然通风,可有利于市区的热量散失到郊区,从而有效改善小区热岛效应。

5 不足与展望

小区热环境由很多因素共同决定。本文主要探讨了太阳辐射对温升的影响,它是影响小区热环境的最重要因素。本模拟是主要针对夏季某一天的工况进行的模拟计算,采用的气象数据来自30年累计的结果,故无法进行实验验证。但本模拟采用的是国外比较成熟的模型,故模拟结果是有参考价值的。

本文只考虑了“峡谷”下垫面所接受的太阳辐射热,而未考虑“峡谷”两侧所接受的辐射热,有待进一步改进。小区热环境由太阳辐射、天空可见度、绿化和水景及人为热共同决定,本文仅探讨了对热环境起主导作用的太阳辐射对温度的影响,有待对影响热环境的其它因素进行探讨。

参考文献

1.马克斯 T A?,莫里斯.建筑物?气候?能量. 北京:中国建筑工业出版社, 1990

2.Swaid H, Hoffman M E, Energy and Buildings, 1997,25: 41-49.

3.M.M.Elnahls, Williamson T.J, Energy and Buildings, 1990,14: 313 –324.

4. 宋德萱. 建筑环境控制学. 南京:东南大学出版社, 2002

地源热泵中超强吸水树脂与源土混合作为回填材料的实验研究编辑:凌月仙仙作者:王向岩马伟斌出处:中国论文下载中心日期:2006-7-4 王向岩马伟斌黄远峰龚宇烈孙始财

摘要:超强吸水树脂具有极强的吸水性和良好的热物性能,混合与源土中作为回填材料,制热工况下分别对螺旋盘管、U型管单独运行以及整个系统间歇运行进行了实验测试,详细分析了实验数据,得出系统性能变化曲线。实验结果表明,超强吸水树脂与源土混合作为回填材料,特别是对于螺旋盘管换热器,能够增大地下换热器换热量,提高地源热泵系统的效率和稳定性,适用于干旱、土壤非饱和以及地下水位比较低的地区。

关键词:地源热泵超强吸树脂螺旋盘管 U型管制热系数

0 前言

新能源的研究、开发和利用已经成为世界各个先进国家能源战略的共同目标,浅层地能作为一种可再生绿色新能源,清洁、无污染,以及其巨大的储存量(地表浅层吸收了47%的太阳能,比人类每年利用能量的500倍还要多),已经使得人们认识到了浅层地能的利用价值。能够一机多用的地源热泵系统则在浅层地能应用中日趋活跃,广泛应用于供暖,空调领域中。然而地源热泵系统中埋地换热器受土壤性能影响较大,在连续运行工况下,热泵的冷凝温度和蒸发温度受周围土壤温度变化发生波动而不稳定。为了达到换热效果,目前大多采用垂直U型埋管,这需要钻相当深度的井,费用比较高,占初投资中很大比例。针对这一现状,对螺旋管和U型管在超强吸水树脂与源土混合作为回填材料的情况下,进行了实验研究。

1 超强吸水树脂及回填材料性能描述

超强吸水树脂是一种吸水能力特别强的高分子材料,吸水率为自身的几十至几百倍,甚至千多倍。如Sumika 凝胶S-50的吸水倍率为500~700(g/g),在低温(900C以下)吸水倍率基本不随温度变化;保水能力也非常高,吸水后无论加多大压力也不会脱水,但会随时间慢慢释放水分,且具有良好的蓄热、蓄冷能力[3]。

地源热泵系统中,理论计算以及实验研究表明,回填材料的导热系数K是决定地下换热效果和系统效率的主要因素,常温下,回填物质组成确定以后,对回填材料导热系数起决定作用的是密度和含水率,函数关系可表示为[1]:

K=?(ρ,ω)(1)

ρ——回填材料密度(Kg/m3);

ω——回填材料的含水率(%)

如果把回填材料作为一种能量传递介质考虑,它把自己储存和吸收的能量传给地下换热器以及热循环介质,在这个能量转换过程中,水分起到了能量转换和储存的作用,所以回填材料中含水率的大小对换热器换热效果起着很大的作用。以下按照一定比例在源土中混合超强吸水树脂作为回填材料,并采用螺旋盘管和U型管两种地下换热形式,进行实验研究和分析。

2 试验系统介绍

实验台由地源热泵、地下换热器等组成,主要设备见表1,采暖空调房间面积65m2积,

表1 主要设备表

实验共打井4口,其中1、2号井,换热器形式采用螺旋盘管,井深6.0m,螺旋直径1.0m,螺旋间距200mm ,并设计注水装置[2],具体结构图见图(1);3、4号井采用U型管,井深40.0m,每套螺旋管和U型管均为管径

DN32,壁厚3mm,管长80m的PE管。整个系统见图(2)。

图1 螺旋盘管结构图

图2 实验系统原理图

实验所选地地势相对较高,地下水位比较低(地下8-10米),土壤为非饱和态,回填之前对螺旋盘管打井源土采样测试,土壤密度约为1450Kg/m3 ,土壤含水率约为18%-20%。其中1号井,采用源土回填,2、3、4号井则按照质量比1:1000在源土中混入吸水倍率1:500的Sumika凝胶S-50超强吸水树脂。整个系统中,在热泵冷却水,冷冻水进出口,螺旋盘管和U型管进出口管外壁以及其他不同位置设置k型铜-康铜热电偶36组,1号和2号井热电偶对称布置,具体位置如图(3)

图3 螺旋盘管热电偶布置图

3 试验数据分析

实验台搭建完毕后,测得换热器周围土壤初始平均温度为21.50C, 10月底开始对系统在制冷、制热工况下进行了运行调试。调试完毕,通过注水器向1、2号井中分别注水2m3。由于环境温度影响,首先在制热工况下对系统进行测试。

工况1:12月6日在制热工况下系统连续运行24个小时后,于12月9日至23日期间,夜间平均室外温度100C,开启部分或全部房间门窗,室内温度保持在22-240C,热泵机组热水出水温度设定为最高温500C的条件下,调节各个管路阀门,使每套管井中的流量基本相同(0.8m3/H),分别以U型管和螺旋盘管单独作为地下换热器,各自连续运行7天,每天运行10小时,对所测得数据进行分析比较如下:

图4,图5 为定流量系统运行过程中螺旋盘管不同位置处热电偶温度变化曲线。图4中,混合超强吸水树脂的2号井,出水管外壁温度明显高于1号井,且随运行时间的延长,1号井温度变化大于2号井。

图4 1、2号螺旋盘管进出口外管壁温度

图5 1、2号螺旋盘管不同测点温度

不同位置处热电偶日平均温度显示,距离螺旋盘管外侧600mm处(14#、24#)土壤温度在测试期间,基本没有变化,300mm处(15#、25#),温度变化比较小,如图5,外侧100mm处(16#、26#),土壤温度则随时间变化明显。流量相同的情况下,随测试时间的延长,图4中可以看出,2号吸热量大于1号,周围土壤热量随水分迁移,第四天开始,26#温度降低更加明显, 16#温度变化则比较稳定;距离管内侧250mm(17#、27#)处,因实验前注水,水分渗透,起始温度低于原来土壤温度。运行过程中,17#日平均温度变化小于27#热电偶,图4和图5可以看出源土中混合超强吸水树脂,增大了土壤的导热系数,增强了系统停止期间土壤热恢复性能。

图6为U型管和螺旋盘管单独作为地下换热器时换热器总管进出水温变化曲线。螺旋盘管进、出口水温随时间变化比U型管小。实验测得系统COPs 和压缩机COP平均值,螺旋盘管大于U型管,但两套系统单独运行时,COP数值并不高,且连续下降,如图7。其原因主要是由于单独作为地下换热器,换热面积小,吸热量满足不了系统要求。

图6 地下换热器进出口平均水温图7系统和压缩机制热系数

工况2:12月27日至12月30日,室外平均温度70C,关闭所有门窗,室内温度保持在20-230C, 热泵机组热水出水温度设定为460C,螺旋盘管和U型管作为地下换热器同时运行,压缩机每30分钟开停一次,开停时间比为1:2,间歇性连续运行50小时,取10-40小时之间测试数值,见图8

图8 间歇运行时地下换热器进出口水温

图8显示,间歇运行期间,整个系统比较稳定,地下换热器进、出水温程周期性变化,并随时间延长逐渐降低,系统和压缩机制热系数都比较高,具体见表2。相比之下,其它地区不同形式埋管如天津商学院对单层水平蛇形管冬季取热实验得到单位管长吸热量为14W/ m[4] ,重庆建筑大学对垂直套管得到单位孔深换热量为55. 67W/ m [5]。

4 结论

通过供暖实验表明:超强吸水树脂与源土混合,作为回填材料,在注入少量水的情况下,能够很好地改善土壤的非饱和性,增大源土壤的导热系数,提高了土壤的热恢复性能,很明显地增大了单位管长的吸热量,适合于干旱、土壤非饱和以及地下水位比较低的地区,特别有利于螺旋盘管的应用,可以极大地降低地源热泵系统初投资,值得推广和应用。

[参考文献]

[1] 庄迎春,孙友宏,谢康和.直埋闭式地源热泵回填土性能研究.太阳能学报,2004,25(4):216-220.

[2] Yuehong Bi,Lingen Chen,Chih Wu.Ground Heat Exchanger Temperature Distribution Analysis and Experimental Verification.Apllied Thermeral Engineering,2002,22,183-189.

[3] 邹新禧.超强吸水剂.北京:化学工业出版社:1991年.9.

[4] 高祖锟. 用于供暖的土壤2水热泵系统[J ] . 暖通空调,1995 ,4 ,9 —12.

[5] 刘宪英,王勇,胡鸣明. 地源热泵地下垂直埋管换热器的试验研究[J ]. 重庆建筑大学学报,1999 ,21(5) :21 —26. 转贴于中