太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)對(duì)建筑物全年空調(diào)能耗的影響

張紅嬰, 鐘 珂, 劉加平

(1. 東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海201620; 2. 江西理工大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院, 江西 贛州341000; 3.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院, 陜西 西安 710055)

太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)對(duì)建筑物全年空調(diào)能耗的影響

張紅嬰1, 2, 鐘 珂1, 劉加平3

(1. 東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海201620; 2. 江西理工大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院, 江西 贛州341000; 3.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院, 陜西 西安 710055)

以上海地區(qū)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱過(guò)程為研究背景, 在分析太陽(yáng)輻射作用下圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱平衡關(guān)系的基礎(chǔ)上, 采用數(shù)值模擬方法, 討論了太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)對(duì)4種不同朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)冬季和夏季外表面溫度和太陽(yáng)輻射全天凈得熱量的影響.結(jié)果表明: 減小屋頂、東墻和西墻的太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)有利于降低建筑夏季供冷能耗, 提高南墻外表面吸收系數(shù)能明顯降低冬季供暖能耗; 南墻采用吸收系數(shù)較高的粉刷材料將有利于降低供熱供冷總能耗和外飾面造價(jià), 除南墻外其他朝向外表面應(yīng)選用吸收系數(shù)較低的反射隔熱涂料, 且其經(jīng)濟(jì)性與建筑高度和窗墻比有關(guān).

太陽(yáng)輻射; 吸收系數(shù); 供熱能耗; 供冷能耗; 建筑外飾面

太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)決定圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)照射到其表面上的太陽(yáng)輻射能的吸收程度.增大太陽(yáng)輻射吸收系數(shù), 能提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)太陽(yáng)輻射能的吸收量, 從而降低建筑冬季供暖能耗, 但同時(shí)會(huì)提高夏季供冷能耗.我國(guó)長(zhǎng)江下游地區(qū)的氣候?yàn)槎竞洹⑾募狙谉? 為使建筑全年供熱和供冷綜合能耗達(dá)到最低, 應(yīng)該綜合考慮冬、夏季建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)太陽(yáng)輻射能的吸收情況, 優(yōu)化建筑對(duì)太陽(yáng)輻射能的利用.

關(guān)于在不同吸收系數(shù)下, 太陽(yáng)輻射對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱作用, 近年來(lái)已有不少相關(guān)研究.如文獻(xiàn)[1]用離散傳輸輻射模型(DTRM)模擬了在太陽(yáng)輻射作用下, 庭院式建筑外表面吸收系數(shù)對(duì)外表面溫度及熱島強(qiáng)度的影響.文獻(xiàn)[2]研究了熱反射隔熱涂料對(duì)夏季房間降溫效果的影響.文獻(xiàn)[3]用熱網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模型研究了建筑表面顏色、表面粗糙度和表面材料等與吸收系數(shù)有關(guān)的因素對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度變化的影響.文獻(xiàn)[4]研究了熱濕氣候條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面顏色對(duì)室內(nèi)溫度的影響.

上述這些研究主要集中在吸收系數(shù)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度和室內(nèi)溫度影響等方面.關(guān)于太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)對(duì)供暖和供冷能耗的影響, 以及不同吸收系數(shù)的經(jīng)濟(jì)成本與空調(diào)全年能耗的相關(guān)性的研究較少.為此, 本文將利用數(shù)學(xué)分析和數(shù)值模擬的方法, 以長(zhǎng)江下游地區(qū)的典型代表城市上海的氣候條件為背景, 分析計(jì)算太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)輻射凈得熱量的影響, 并在此基礎(chǔ)上分析不同高度和窗墻比的建筑在不同吸收系數(shù)的外飾面方案下的冬季供熱能耗和夏季供冷能耗, 為優(yōu)化選擇圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)，以及達(dá)到建筑節(jié)能和節(jié)約外飾面費(fèi)用的目的提供理論依據(jù).

1 方法與驗(yàn)證

1.1 物理模型

我國(guó)的長(zhǎng)江下游地區(qū)氣候變化一致性較高, 年均溫度為14～18 ℃[5], 其中, 上海地區(qū)年均氣溫為16 ℃, 人口數(shù)量和密度以及建筑體量均較大, 因此, 本文以上海地區(qū)(東經(jīng)121.5°, 北緯31.2°)的冬季和夏季典型氣候條件為模擬和討論背景.考慮到計(jì)算工作量和計(jì)算對(duì)象實(shí)用性的要求, 建筑模型外形尺寸設(shè)為10 m×10 m×10 m(長(zhǎng)×寬×高).在數(shù)值計(jì)算中, 不考慮室內(nèi)空氣流動(dòng)和內(nèi)隔墻傳熱的影響, 僅計(jì)算外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱過(guò)程, 建筑模型如圖1所示.

圖1 建筑模型和計(jì)算域Fig.1 Building model and the computational domain

由于室外氣流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的對(duì)流效應(yīng)對(duì)建筑散熱影響很大, 因此, 必須保證建筑周圍流場(chǎng)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性.文獻(xiàn)[6]指出, 對(duì)于單體建筑, 頂部邊界為5H(H為目標(biāo)建筑的高度), 側(cè)邊界為5H, 入口邊界和建筑物之間的距離應(yīng)使建筑物迎風(fēng)面處的風(fēng)流流場(chǎng)平滑, 出口邊界大于10H時(shí), 可以滿足流場(chǎng)模擬計(jì)算準(zhǔn)確性的要求.為此, 計(jì)算域設(shè)為163.82 m×114 m×60 m (長(zhǎng)×寬×高), 如圖1所示.

1.2 工況設(shè)置和材料物性參數(shù)選擇

文獻(xiàn)[7]的研究表明, 不同的建筑外飾面材料具有不同的太陽(yáng)輻射吸收性能.模擬計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面在涂覆反射隔熱涂料、普通白色涂料和普通水泥砂漿情況下的不穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程, 并分別將其設(shè)置為工況1(Case 1)、工況2(Case 2)和工況3(Case 3).為了研究太陽(yáng)輻射單一因素對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)態(tài)傳熱的影響, 將建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面完全不吸收太陽(yáng)輻射能(外表面吸收系數(shù)為0)的不穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算設(shè)置為基準(zhǔn)工況, 記為工況0(Case 0).中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建科[2002]209號(hào)文規(guī)定“高層建筑外墻涂料的使用壽命不低于10 a”，因此, 選取涂料的使用壽命為10 a.涂覆反射隔熱涂料、普通白色涂料和普通水泥砂漿的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面10 a內(nèi)的平均吸收系數(shù)[8](ρ)如表1所示.

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面吸收系數(shù)(折射指數(shù)χ=1.0)

假設(shè): 垂直圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面方向上的建筑材料是均勻的, 屋頂和墻面的其他物性參數(shù)以及厚度相同, 地面的所有物性參數(shù)均相同.圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地面的物性參數(shù)和厚度[9]列于表2中，其中,δ為材料厚度,ρs為材料密度,λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù),cp為材料的熱容.

表2 模擬工況的材料厚度及物性參數(shù)

1.3 計(jì)算方法和數(shù)學(xué)模型

本文采用有限容積法離散控制方程, 對(duì)離散方程的差分采用二階迎風(fēng)格式.壓力速度耦合方式采用SIMPLE格式, 靠近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法[10].用非穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行計(jì)算, 時(shí)間步長(zhǎng)為90 s.

在數(shù)值模擬中采用Fluent 6.3.26作為基本程序.假設(shè)環(huán)境空氣為不可壓縮黏性常物性流體.為獲得簡(jiǎn)潔明確的結(jié)果, 認(rèn)為計(jì)算過(guò)程中的環(huán)境風(fēng)速及風(fēng)向不變, 即建筑周圍流場(chǎng)穩(wěn)定.不考慮建筑散熱對(duì)周圍流場(chǎng)的影響, 流場(chǎng)控制方程詳見(jiàn)文獻(xiàn)[11].輻射和傳熱控制方程詳見(jiàn)文獻(xiàn)[12-14].

1.4 邊界條件和初始條件

考慮到建筑附近地面反射的太陽(yáng)輻射對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的影響, 將距離建筑外緣20 m范圍內(nèi)的地面設(shè)為可以反射和吸收太陽(yáng)輻射.冬季和夏季室外氣溫ta分別采用冬季和夏季典型日的實(shí)測(cè)結(jié)果[15], 冬季和夏季圍護(hù)結(jié)構(gòu)各朝向外表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度I分別采用冬至日和夏至日晴朗天氣數(shù)據(jù), 如圖2所示.圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面由于空調(diào)的作用, 其溫度保持恒定, 冬季設(shè)為16 ℃, 夏季設(shè)為25 ℃.土壤底層溫度保持恒定, 冬季為7.8 ℃, 夏季為20 ℃.

(a) 冬季

(b) 夏季圖2 室外溫度和各方向輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化Fig.2 Time series of outdoor air temperatures and radiation intensity for different orientations

上海地區(qū)為季風(fēng)區(qū), 冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng), 夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng), 風(fēng)速范圍通常為0～7 m/s, 其中小于1 m/s時(shí)的風(fēng)頻率達(dá)16.6%[16].由于風(fēng)速較小時(shí)建筑對(duì)流散熱量較小, 吸收系數(shù)對(duì)建筑得熱和傳熱的影響更為明顯, 因此, 本文隨后的討論將以風(fēng)速1 m/s作為代表性風(fēng)速.

計(jì)算域入口和出口分別設(shè)置為速度入口和速度出口, 其上下面設(shè)置為無(wú)滑移壁面, 左右面設(shè)置為對(duì)稱面.計(jì)算域內(nèi)太陽(yáng)高度和方向信息由Fluent軟件自帶的程序進(jìn)行計(jì)算.

為獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果, 這里對(duì)物理模型做了以下簡(jiǎn)化和假設(shè):

(1)設(shè)計(jì)算開(kāi)始時(shí)刻, 系統(tǒng)熱環(huán)境已達(dá)到了平衡;

(2)假設(shè)空氣對(duì)于太陽(yáng)輻射是透明體, 而建筑外表面和地面對(duì)于太陽(yáng)輻射是不透明的.

1.5 模型驗(yàn)證

上述數(shù)學(xué)模型的正確性驗(yàn)證采用文獻(xiàn)[17]提供的數(shù)據(jù).文獻(xiàn)[17]對(duì)太陽(yáng)輻射作用下西班牙vigo地區(qū)(西經(jīng)8.72°, 北緯42.24°)的一處混凝土建筑的南外墻溫度t隨時(shí)間τ的變化進(jìn)行了實(shí)測(cè)和模擬.本文用文獻(xiàn)[17]提供的實(shí)測(cè)細(xì)節(jié), 采用上述數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)值模擬.本文的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[17]的模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果的比較如圖3所示.

圖3 南墻溫度數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果的比較Fig.3 Comparisons of simulated south wall surface temperatures with the results in literature

從圖3中可以看出, 本文用數(shù)值模擬計(jì)算得到的南墻溫度和實(shí)測(cè)溫度吻合很好, 在大部分時(shí)間里甚至要優(yōu)于文獻(xiàn)[17]的模擬值.因此, 本文建立的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模型在計(jì)算太陽(yáng)輻射和建筑物的傳熱方面是可靠的, 可以用于后續(xù)的研究.

2 結(jié)果與討論

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度以及輻射溫度增量分析

選取代表性的兩個(gè)朝向來(lái)說(shuō)明吸收系數(shù)對(duì)冬季和夏季圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度的影響, 如圖4所示.

(a) 南墻

(b) 屋頂圖4 不同輻射吸收系數(shù)時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度逐時(shí)值Fig.4 Time series of building exterior surface temperatures with different solar absorption coefficients

從圖4可以看出, 無(wú)論冬季還是夏季, 屋頂和南墻外表面的溫度隨輻射吸收系數(shù)的增大而增大, 但不同季節(jié)輻射吸收系數(shù)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度的影響程度不同, 如夏季不同吸收系數(shù)對(duì)應(yīng)南墻外表面溫度隨時(shí)間的變化曲線幾乎重合, 而在冬季區(qū)別很大(見(jiàn)圖4(a)).屋頂外表面溫度在冬季和夏季受吸收系數(shù)的影響都很大.另外, 由圖4還可以看到, 相對(duì)于無(wú)太陽(yáng)輻射的理想情況(ρ=0), 圍護(hù)結(jié)構(gòu)吸收太陽(yáng)能后表面溫度增高, 其中, 南墻外表面因太陽(yáng)輻射的增溫幅度在冬季大于夏季, 屋頂則相反.

為了詳細(xì)分析不同朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面輻射吸收系數(shù)對(duì)外表面溫度的影響, 定義圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面輻射溫度增量(tmnτ)為

Δtmnτ=tmnτ-t0nτ

(9)

式中:tmnτ為太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)為ρm、朝向?yàn)閚時(shí)、τ時(shí)刻圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的溫度, 其中, 下標(biāo)m表示模擬工況,m=1, 2, 3分別表示工況為Case 1, Case 2, Case 3, 下標(biāo)n表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)朝向,n=1, 2, 3和4, 依次表示屋頂、南墻、東墻和西墻;t0nτ為吸收系數(shù)為ρ0(工況為Case 0)、朝向?yàn)閚時(shí)、τ時(shí)刻圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的溫度.

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果, 不同季節(jié)不同朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面輻射溫度增量的逐時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示.

圖5 不同輻射吸收系數(shù)時(shí)各方向外表面輻射溫度增量Fig.5 Temperature increment of the exterior surface due to solar radiation with different absorption coefficients

從圖5可以看出, 由于冬季南墻外表面獲得的太陽(yáng)輻射能最大, 因此, 冬季南墻外表面輻射溫度增量最大值和平均值大于其他朝向外表面輻射溫度增量.另外, 由圖5還可以看到, 由于冬季太陽(yáng)高度角小于夏季, 南墻在冬季的外表面輻射溫度增量明顯大于夏季, 而其他朝向則相反.由此表明, 采用較大吸收系數(shù)的外飾面材料在大幅度提高南墻冬季太陽(yáng)能利用率的同時(shí), 不會(huì)造成夏季太陽(yáng)輻射得熱過(guò)大, 但是在其他朝向, 冬季和夏季關(guān)于太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)的理想值則恰好相反.

2.2 單位面積圍護(hù)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)輻射凈得熱通量

圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面吸收的太陽(yáng)輻射能, 一部分傳到圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部, 一部分由于對(duì)流散熱作用散發(fā)到室外.因此, 通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)飨驀o(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱量(qtmnτ)計(jì)算如式(10)所示.

qtmnτ=ρm(Idnτ+Irnτ)-(αc+αr)(tmnτ-taτ)

(10)

式中:ρm為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的太陽(yáng)輻射吸收系數(shù);Idnτ、Irnτ為τ時(shí)刻到達(dá)n朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的太陽(yáng)直射輻射、散射輻射強(qiáng)度, W/m2;tmnτ為τ時(shí)刻n朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度, ℃;taτ為τ時(shí)刻室外空氣溫度, ℃;αc、αr為對(duì)流熱交換系數(shù)、長(zhǎng)波輻射換熱系數(shù).等式左邊、等式右邊第一項(xiàng)和第二項(xiàng), 分別為吸收系數(shù)為ρm、朝向?yàn)閚時(shí)、τ時(shí)刻單位面積圍護(hù)結(jié)構(gòu)由外表面?zhèn)魅雵o(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱量、吸收的太陽(yáng)能、散發(fā)到室外的熱量通量, W/m2.

用Δqtmnτ表示太陽(yáng)輻射單一因素作用而使圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面增加的傳熱通量, 計(jì)算式為

Δqtmnτ=qtmnτ-qt0nτ

(11)

式中:qtmnτ為吸收系數(shù)為ρm(m=1, 2, 3)、朝向?yàn)閚時(shí)、τ時(shí)刻圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的傳熱通量;qt0nτ為吸收系數(shù)為0、朝向?yàn)閚時(shí)、τ時(shí)刻圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的傳熱通量.

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果以及式(10)和(11), 可得不同吸收系數(shù)時(shí), 不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面太陽(yáng)輻射凈得熱通量隨吸收系數(shù)的逐時(shí)變化情況, 如圖6所示.圖6中傳熱量為正時(shí), 表示傳熱方向?yàn)閺膰o(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)傳向內(nèi)側(cè), 傳熱量為負(fù)時(shí)傳熱方向相反.

(a) 屋頂 (b) 南墻

(c) 東墻 (d) 西墻圖6 不同輻射吸收系數(shù)時(shí)各朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)輻射凈得熱通量隨時(shí)間變化Fig.6 Time series of net heat gain flux of solar radiation of building envelopes for different solar absorption coefficients

從圖6可以看出, 圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面日出后吸收太陽(yáng)輻射能, 日落后將吸收的部分能量散發(fā)到室外大氣中.由于太陽(yáng)高度角和方向角的緣故, 夏季屋頂、東墻和西墻的晝間太陽(yáng)輻射凈得熱通量大于冬季, 而冬季南墻太陽(yáng)輻射凈得熱通量卻遠(yuǎn)大于夏季.并且, 由于夏季日出時(shí)長(zhǎng)大于冬季, 因此各朝向夏季圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面太陽(yáng)輻射得熱時(shí)長(zhǎng)大于冬季, 而散熱時(shí)長(zhǎng)短于冬季.

2.3 單位面積圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面太陽(yáng)輻射全天凈得 熱總量

單位面積圍護(hù)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)輻射全天凈得熱總量(ΔQtmn)為

(12)

單位面積不同朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)輻射全天凈得熱總量如圖7所示.

圖7 不同輻射吸收系數(shù)時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)輻射全天凈得熱總量Fig.7 Daily net heat gain of solar radiation of building envelopes with different solar absorption coefficients

從圖7中可以看出: 南墻冬季太陽(yáng)輻射凈得熱總量和其受吸收系數(shù)影響的程度都明顯大于夏季, 提高南墻外表面輻射吸收系數(shù)對(duì)供暖能耗的降低作用將大于對(duì)夏季供冷能耗的提高作用, 即利大于弊; 屋頂、東墻和西墻的夏季太陽(yáng)輻射凈得熱總量遠(yuǎn)大于冬季, 并且受輻射吸收系數(shù)的影響大, 顯然降低這些朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的輻射吸收系數(shù)對(duì)減小夏季供冷能耗有重要意義.

圖8給出了不同吸收系數(shù)和朝向的圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面全天太陽(yáng)輻射凈得熱總量與完全無(wú)太陽(yáng)輻射時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)鳠峥偭拷^對(duì)值的比(ΔQtmn/|Qt0n|).

圖8 不同輻射吸收系數(shù)時(shí)外表面太陽(yáng)輻射凈得熱總量與無(wú)輻射時(shí)傳熱總量的絕對(duì)值比Fig.8 Ratios of daily net heat gain of solar radiation of exterior surfaces with different solar absorption coefficients to the absolute value of daily heat transfer of exterior surfaces without solar radiation

圖8可以看出(Qtmn/|Qt0n|在冬季可達(dá)3.8以上, 在夏季甚至高達(dá)10.0(除了南墻), 可以認(rèn)為, 降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面輻射吸收系數(shù)可以大幅度減小夏季供冷能耗, 但同時(shí)會(huì)增加供暖能耗.但是, 外飾面涂料的輻射吸收系數(shù)越小, 價(jià)格越貴.因此, 建筑外飾面是否需要采用價(jià)格較高的高反射系數(shù)飾面涂料, 應(yīng)結(jié)合冬季供熱和夏季供冷能耗綜合考慮.

3 外表面涂料經(jīng)濟(jì)性分析

(13)

式中:nh和nr為全年供暖、供冷天數(shù), d; ΔQtmn, h和ΔQtmn, r分別為供暖季和供冷季模擬計(jì)算所得太陽(yáng)輻射凈得熱量.

上海地區(qū)供暖季由于吸收太陽(yáng)輻射而減少的圍護(hù)結(jié)構(gòu)單位面積供暖費(fèi)用(ch)為

(14)

式中:pg為上海地區(qū)天然氣價(jià)格, 取3.05元/m3;ηg為天然氣熱效率, 取0.93;qg為天然氣熱值, 取38.5 MJ/m3.

上海地區(qū)供冷季由于太陽(yáng)輻射作用而增加的圍護(hù)結(jié)構(gòu)單位面積供冷費(fèi)用(cr)為

(15)

式中:pe為上海地區(qū)夏季電費(fèi)價(jià)格, 取1.145元/(kW·h);E為夏季空調(diào)能效比, 取3.1.

各朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)由于吸收太陽(yáng)能而增加的空調(diào)費(fèi)用∑c=ch+cr, 則∑c為全年由于吸收太陽(yáng)輻射能而凈增加的建筑環(huán)境調(diào)控費(fèi)用.不同吸收系數(shù)時(shí), 各朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)由于吸收太陽(yáng)輻射能而凈增加的空調(diào)費(fèi)用如圖9所示.其中, 空調(diào)費(fèi)用值為正時(shí), 表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)吸收太陽(yáng)輻射能后, 空調(diào)費(fèi)用增加; 空調(diào)費(fèi)用值為負(fù)時(shí), 表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)吸收太陽(yáng)輻射能后, 空調(diào)費(fèi)用減小.

注： 屋頂,ρ1=0.52,ρ2=0.74,ρ3=0.86; 外墻,ρ1=0.48,ρ2=0.65, ρ3=0.73

圖9 不同輻射吸收系數(shù)時(shí)由于太陽(yáng)輻射增加的空調(diào)費(fèi)用

Fig.9 Annual incremental cost of air conditioning due to solar radiation with different solar absorption coefficients

從圖9可以看出, 所有朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面因吸收太陽(yáng)能而減少的冬季供熱費(fèi)用均小于增加的夏季制冷費(fèi)用, 另外, 除南墻外, 吸收系數(shù)越小, 全年因吸收太陽(yáng)能而凈增加的建筑環(huán)境調(diào)控費(fèi)用(即∑c)越小.盡管吸收系數(shù)較小的外飾面涂料價(jià)格較高, 但圖9數(shù)據(jù)表明, 有可能通過(guò)降低空調(diào)費(fèi)用來(lái)補(bǔ)償為此額外付出的材料費(fèi).

圖9表明, 南墻采用高吸收系數(shù)的普通水泥砂漿飾面材料時(shí), 全年供暖供冷能耗最低, 可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低建筑能耗和外飾面造價(jià)的目標(biāo).因此, 僅需要對(duì)屋頂、東墻和西墻的外飾面方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià).為此, 對(duì)以下5種方案進(jìn)行分析:

方案0#屋頂和東西墻均采用價(jià)格低廉的普通水泥砂漿處理;

方案1#屋頂和東西墻均采用反射隔熱涂料;

方案2#屋頂采用反射隔熱涂料, 東西墻采用普通白色涂料;

方案3#屋頂采用普通白色涂料, 東墻和西墻采用反射隔熱涂料;

方案4#屋頂和東西墻均采普通白色涂料.

本文采用費(fèi)用年值的方法對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面涂覆工程進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià), 以普通水泥砂漿處理的費(fèi)用作為基準(zhǔn), 在此基礎(chǔ)上, 再涂覆普通白色涂料和反射隔熱涂料所增加的圍護(hù)結(jié)構(gòu)單位面積費(fèi)用年值增量Δcv如表3所示.

上述方案的的經(jīng)濟(jì)性與建筑體型和窗墻比有關(guān), 為此, 本文針對(duì)兩種不同平面形狀(長(zhǎng)×寬=24 m×24 m， 48 m×12 m)的建筑, 分析不同高度(用H表示, m)和窗墻比(用ε表示)時(shí)各方案外表面涂料的經(jīng)濟(jì)性.

表3 涂料類型與涂覆工程費(fèi)用年值增量的關(guān)系

相對(duì)于方案0#, 采用方案1#～4#每年凈節(jié)約的總費(fèi)用ΔCn表示為

ΔCn= (Cr, n-Cr, 0)+(Ch, n-Ch, 0)-

(ΔCv, n-ΔCv, 0)

(16)

式中:Ch、Cr和ΔCv分別為圍護(hù)結(jié)構(gòu)吸收因太陽(yáng)輻射而減少的冬季供熱總費(fèi)用、增加的夏季供冷總費(fèi)用、圍護(hù)結(jié)構(gòu)涂覆工程費(fèi)用年值總增量, 萬(wàn)元/a， 且Ch、Cr、ΔCv分別等于ch、cr、Δcv乘以圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積； 下標(biāo)0和n(n=1, 2, 3, 4)表示涂覆方案.等式右邊第一、二項(xiàng)之和為采用第n套方案時(shí)全年節(jié)約的供暖供冷費(fèi), 其第三項(xiàng)表示涂覆工程的年均增加成本.

圖10給出了上述兩種平面形狀建筑在不同高度(H)和窗墻比(ε)時(shí), 各外飾面方案全年節(jié)約的費(fèi)用ΔCn.

(a) 建筑平面尺寸24 m×24 m

(b) 建筑平面尺寸48 m×12 m圖10 不同涂料選擇方案每年凈節(jié)約的費(fèi)用Fig.10 Annual cost savings of different selection scheme of building coating

從圖10可以看出, 上述兩種平面形狀的建筑在高度等于0 m時(shí), ΔCn均大于0, 表明屋頂采用吸收系數(shù)較低的涂料而付出的額外費(fèi)用, 可以通過(guò)減少供暖和供冷能耗而得到補(bǔ)償.東墻和西墻采用反射隔熱涂料時(shí)(方案1#和3#), 單位面積外表面由于吸收系數(shù)下降而減少的空調(diào)費(fèi)用大于采用此種外飾面材料而增加的費(fèi)用, 因此ΔCn隨高度的增加而迅速升高, 隨窗墻比的增大而明顯減小.但東墻和西墻采用普通白色涂料時(shí)(方案2#和4#), ΔCn隨建筑高度的增加和窗墻比的減小稍有下降, 表明東西墻采用此種吸收系數(shù)的涂料時(shí), 由于吸收系數(shù)減小而節(jié)約的全年空調(diào)費(fèi)用不足以補(bǔ)償外飾面材料的額外費(fèi)用.

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以上海為長(zhǎng)江下游地區(qū)代表城市, 分析計(jì)算了太陽(yáng)輻射單一因素作用下, 輻射吸收系數(shù)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)態(tài)傳熱的影響, 主要結(jié)論如下:

(1) 由于吸收系數(shù)越大, 圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面將獲得更多的太陽(yáng)輻射能, 因此, 圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度以及由于太陽(yáng)輻射的溫度增量隨吸收系數(shù)的增大而增大.

(2) 冬季南墻太陽(yáng)輻射凈得熱總量受吸收系數(shù)影響的程度遠(yuǎn)大于夏季, 因此, 提高南墻外表面輻射吸收系數(shù)對(duì)于減小冬季供暖能耗有重要意義; 夏季屋頂、東西墻太陽(yáng)輻射凈得熱總量受吸收系數(shù)影響的程度大于冬季, 因此減小屋頂、東墻和西墻外表面的輻射吸收系數(shù)有利于降低夏季制冷能耗.

(3) 南墻使用輻射吸收系數(shù)較高的普通水泥砂漿飾面材料將能同時(shí)實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能和節(jié)約外飾面費(fèi)用的目標(biāo).除南墻外的其他朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面使用高反射系數(shù)涂料而付出的額外費(fèi)用可以通過(guò)減小建筑能耗而得到補(bǔ)償, 并且其經(jīng)濟(jì)效益隨建筑高度增加而上升, 窗墻比的增大而減小.

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(責(zé)任編輯: 徐惠華)

Effect of Solar Absorption Coefficient on Annual Energy Consumption of Air-Conditioning in Building

ZHANGHongying1, 2,ZHONGKe1,LIUJiaping3

(1.School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China; 2.School of Architectural and Survey & Map Engineering, Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000, China; 3.School of Architecture, Xi’an University of Architecture & Technology, Xi’an 710055, China)

Based on energy balance of building exterior surfaces with different solar absorption coefficients, the heat transfer processes of building envelopes in the Shanghai area are studied by numerical simulations. The time series of the temperature of building exterior surfaces with four different orientations and the daily net heat gain due to solar radiation of the building envelopes are analyzed on winter and summer solstices by using the simulation data. The results show that the reducing of solar radiation absorption coefficients of the roof, eastern and western exterior surfaces are beneficial to conserve the summer cooling energy consumption.In contrast, the absorption coefficients of the exterior surface of southern wall can obviously reduce energy consumption in winter. Moreover, taking aim at reducing the annual energy consumption and the annual cost of coating, the exterior surface of southern wall should employ the common painting with higher absorption coefficient, while the best option of solar radiation absorption coefficient for the other facades are solar reflective coatings with lower absorption coefficient, and its economic effectiveness is determined by the height and window-to-wall ratios of building.

solar radiation; absorption coefficient; energy consumption for heating; energy consumption for cooling; building coating

1671-0444 (2017)02-0266-08

2016-03-31

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478098)；上海市教委科技創(chuàng)新重點(diǎn)資助項(xiàng)目(13ZZ054)

張紅嬰(1972—)，女，江西鉛山人，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)槭覂?nèi)空氣品質(zhì)和建筑節(jié)能. E-mail: zhanghongying2@sina.com

TU 832.1

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