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建筑外微氣候研究的論文
摘要：
通過一段時(shí)間內(nèi)對(duì)某棟典型多層板樓建筑外微氣候相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測，總結(jié)其規(guī)律如下：
1）在太陽強(qiáng)輻射時(shí)間內(nèi)，不同朝向的外墻外表面溫度隨高度分布的情況不同，西向外墻表面溫度隨高度變化幅度最大，其外表面垂直溫度的最大溫差一般可在2℃以上，標(biāo)準(zhǔn)偏差約在0.6℃以上；
2）多數(shù)時(shí)間內(nèi)（主要為下午2點(diǎn)左右至次日凌晨），西墻外表面溫度以1層最高；
3）建筑熱外表面可產(chǎn)生誘導(dǎo)上升熱氣流。并在綜合分析了了如太陽輻射、對(duì)流換熱等影響因素不同作用效果的基礎(chǔ)上給出了合理的解釋。
關(guān)鍵詞：微氣候；建筑；太陽輻射；長波輻射；溫度分布；輻照度
引言：
伴隨著空調(diào)的迅猛發(fā)展而引發(fā)的能源短缺、環(huán)境污染，以及病態(tài)建筑綜合癥等問題，使得在當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和舒適健康日益成為建筑和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。基于解決上述問題，建立"綠色居住建筑體系"已經(jīng)達(dá)成共識(shí)。目前各方面的學(xué)者都在積極探討建筑的可持續(xù)發(fā)展之路。有學(xué)者提出"低能耗健康建筑"的概念[1]，意為充分利用自然能源的被動(dòng)式供熱空調(diào)建筑，它能提供人們生活和生產(chǎn)需要的建筑環(huán)境，保證人體的衛(wèi)生和健康，同時(shí)具有節(jié)能建筑的特點(diǎn)。自然通風(fēng)和小區(qū)綠化等就體現(xiàn)了這種思想。
在夏季炎熱地區(qū)，自然通風(fēng)是人們主要采用的住宅降溫手段。建筑設(shè)計(jì)怎樣來促進(jìn)建筑物的自然通風(fēng)和降低室溫長期以來一直是研究討論的話題，然而從目前的研究來看，多數(shù)考慮的是通風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)后的流動(dòng)，而建筑外氣流的形成、形式及對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響卻很少涉及；盡管有學(xué)者在20世紀(jì)50年代就發(fā)現(xiàn)了太陽輻射下建筑熱外表面的上升熱氣流對(duì)自然通風(fēng)的誘導(dǎo)作用以當(dāng)陽面與背陰面空氣溫差的可利用性，指出了在炎熱干燥地區(qū)對(duì)無風(fēng)燥熱天氣下通風(fēng)的意義[2]，但卻很少有人能從建筑熱環(huán)境的角度出發(fā)，研究建筑外微氣候如建筑外不同位置不同表面的溫度分布，夜間長波輻射以及空氣的氣流形式等建筑周圍熱環(huán)境的特性，考慮其對(duì)小區(qū)熱環(huán)境及室內(nèi)熱環(huán)境的影響并引入到實(shí)際的建筑設(shè)計(jì)中。
實(shí)際上，正是由于目前人們對(duì)人居熱環(huán)境的動(dòng)態(tài)特征的研究方興未艾，許多研究分析結(jié)果尚處于試探性階段，才使得人們盡管在不斷深刻意識(shí)到人居熱環(huán)境重要性的同時(shí)，卻不知從何入手、真正與建筑設(shè)計(jì)相結(jié)合并付諸工程實(shí)踐中。從這一點(diǎn)上講，對(duì)建筑外各表面微氣候的相關(guān)動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場觀測及基礎(chǔ)理論分析，研究其規(guī)律并在此基礎(chǔ)上探討如何結(jié)合小區(qū)布局和建筑設(shè)計(jì)以改善人居環(huán)境，不失為一項(xiàng)有意義的工作。
一、建筑外微氣候的實(shí)驗(yàn)研究。
微氣候指的是在建筑物周圍地面及屋面、墻面、窗臺(tái)等特定地點(diǎn)的風(fēng)、陽光、輻射、氣溫與濕度條件[3]。由于微氣候形成因素復(fù)雜難以給出簡單的數(shù)學(xué)描述，因而以實(shí)驗(yàn)研究作為工作的入手。為了解太陽輻射下建筑外熱環(huán)境的規(guī)律，特選擇了一座典型多層板樓進(jìn)行現(xiàn)場測試。
1、建筑描述。
實(shí)驗(yàn)建筑為北京地區(qū)一南北朝向的5層宿舍樓，整體結(jié)構(gòu)為長方體。建筑周圍布局如圖1所示。各層的層高約3m，東西外墻尺寸為12.6m×15.4m；每層樓層的東西朝向都分別有一陽臺(tái)，無外窗；測點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的房間為4人一間的宿舍，宿舍內(nèi)分別有一臺(tái)電視和計(jì)算機(jī)，此外并無其它較大熱源，室內(nèi)負(fù)荷相對(duì)比較穩(wěn)定。外墻材料為370mm厚的加氣混凝土砌塊，兩面抹有厚度為20mm的淺灰色石灰砂漿，外墻表面粘有碎石。如圖2所示。
2、實(shí)驗(yàn)測量參數(shù)及儀表。
1)溫度。
西墻各層表面上各布置了一個(gè)測點(diǎn)，共5個(gè)測點(diǎn)（第一周在東墻外表面同樣地布置了測點(diǎn)并監(jiān)測其溫度隨高度的變化）；室內(nèi)相應(yīng)布置了監(jiān)測外墻內(nèi)表面溫度及空氣溫度的測點(diǎn)；此外還監(jiān)測了室外的空氣溫度、路面及草坪溫度等相關(guān)參數(shù)。室外溫度的測量根據(jù)文獻(xiàn)中的建議考慮了防止太陽輻射[4]。溫度的測量采用RHLOG溫度自記儀，每20min記錄一次，共記錄約20d。RHLOG溫度自記儀由清華同方設(shè)計(jì)生產(chǎn)，儀器精度為±0.2℃，具體布置如圖2所示。
2)輻照度。
測量西向垂直面上的輻照度，以分析太陽輻射對(duì)建筑外墻外表面溫度沿垂直方向上的分布的影響，采用DFY-2型天空輻射表進(jìn)行測量，每20min記錄一次。該天空輻射表經(jīng)中國國家氣象局標(biāo)定，儀器的靈敏度為8.86μv/W·m2)，年穩(wěn)定性為±2%。
3)環(huán)境風(fēng)速及上升氣流速度。
采用熱線風(fēng)速儀測量外墻表面的貼附上升氣流風(fēng)速并與環(huán)境風(fēng)速進(jìn)行比較。上升氣流的測點(diǎn)為五層離外墻約5cm處；環(huán)境風(fēng)速測點(diǎn)離建筑外墻表面約1.5m。每隔20min人工讀一次數(shù)。熱線風(fēng)速儀的測量范圍為0.05～30m/s，誤差為測量值的±5%。
2、測試結(jié)果綜述。
（1）外墻表面溫度規(guī)律。
溫度記錄結(jié)果表明，一段時(shí)間內(nèi)建筑外墻外表面溫度沿垂直方向存在變化，并且由于朝向的不同其溫差的大小及波動(dòng)幅度也不同。
一段時(shí)間內(nèi)西墻外表面垂直溫度變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差值如圖4所示。從圖中可看出，在中午至傍晚一段時(shí)間內(nèi)，西墻外表面溫度的穩(wěn)定波動(dòng)較大，約在0.6℃以上，有時(shí)則在1℃以上，而在其余時(shí)段內(nèi)側(cè)較小。太陽輻射的影響可見一端。
在太陽輻射下西墻的外表面溫度沿垂直方向呈現(xiàn)出一定規(guī)律：即約從下午14：00開始，1層外表面溫度均普遍高于其它各層。這種情況一般可延遲到第二天凌晨5：00左右；而在其余時(shí)間內(nèi)，多數(shù)情況下3、4層溫度略高，而2層溫度略低。另外，在不同時(shí)段內(nèi)西墻外表面隨高度變化的趨勢不同：在中午到晚上20：00-21：00之間，盡管依然是1層表面溫度最高，但受無規(guī)律外擾的影響，外表面溫度隨高度的分布曲線還是扭曲變化得很厲害。
一段時(shí)間內(nèi)西外墻各層外表面溫度之間的溫差變化情況，分別以各層的溫度減去1層溫度而得。由圖可知，一天絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)各層之間的溫差都在1.7℃以上；在下午16：00-17：00后，各層的溫降趨勢則明顯不同；圖中數(shù)據(jù)也表明多數(shù)時(shí)間內(nèi)西墻1層外表面的溫度最高。另外，在不同天氣狀況下外墻表面溫度的平均溫差在不同時(shí)段也不相同（以西墻為例說明），如表1所示。從表中可以看到，只要不是陰雨天氣，12：00-20：00之間的外墻平均溫差總是較大，在1.6℃以上；而凌晨以后的溫差較小，一般在1℃以下；在太陽輻射較強(qiáng)時(shí)外墻表面各層之間的平均溫差可保持在3℃以上。
二、建筑周圍各表面溫度比較。
在下午太陽輻射較強(qiáng)時(shí)，外墻外表面和周圍空氣的溫差較大，一般在8℃左右，最大可達(dá)到13℃以上。在8:00～14:00之間，路面溫度一直高于外墻外表面溫度在下午14：00～15：00以后，外墻外表面溫度開始高于地面溫度；絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)草坪溫度始終最低；室內(nèi)氣溫和外墻內(nèi)表面溫度都相對(duì)比較平穩(wěn)（波動(dòng)幅度均在2℃左右）。
從下午至夜間凌晨以前，由于室內(nèi)自然通持續(xù)進(jìn)行，并受室內(nèi)不確定熱擾的影響，西墻各層的室內(nèi)空氣溫度的波動(dòng)相對(duì)內(nèi)表面溫度要明顯，但總的不如外表面溫度波動(dòng)大。而在凌晨以后，則有可能出現(xiàn)室內(nèi)空氣溫度的波動(dòng)幅度大于圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度變化的情況。西外墻內(nèi)表面溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.3℃左右，室內(nèi)空氣溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.6℃以下（圖中dTin-air，dTin-w，dTout-w分別指室內(nèi)空氣溫度、西墻內(nèi)表面及外表面溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差值）。
3、對(duì)建筑熱外表面貼附上升氣流的觀測。
在太陽輻射下，由于自然對(duì)流的作用建筑熱外表面會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生貼附上升氣流，在環(huán)境風(fēng)速較小時(shí)可能對(duì)室內(nèi)通風(fēng)及熱環(huán)境產(chǎn)生重要影響。本次實(shí)地監(jiān)測過程中，選擇環(huán)境風(fēng)速較�。ɑ径荚�1m/s以下）的情況下，測量了靠近外墻的貼附氣流的速度并與環(huán)境風(fēng)速進(jìn)行了比較。其中環(huán)境的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟媳毕�，離建筑外墻外表面約1.5m；貼附氣流方向?yàn)閺南轮辽�，測點(diǎn)離外墻約5cm貼附氣流的速度略大于室外風(fēng)速，這可能是因?yàn)閷?shí)測風(fēng)速為貼附氣流風(fēng)速和環(huán)境風(fēng)速疊加以后的值。另外，環(huán)境風(fēng)速紊動(dòng)變化較大，其離散度（以標(biāo)準(zhǔn)偏差除以平均值）為45%左右，而貼附氣流風(fēng)速則相對(duì)穩(wěn)定得多（離散度為25%）。
三、結(jié)果分析。
根據(jù)建筑外墻表面的熱平衡方程[5]：qs+qR+qB+qg=q0+qca+qra(其中qs--圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面所吸收的太陽輻射熱量：qR--圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面所吸收的地面反射輻射熱量；qB--圍護(hù)結(jié)構(gòu)所吸收的地面總輻射；q0--圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面向壁體內(nèi)側(cè)傳熱量；qca--圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面向周圍空氣進(jìn)行的對(duì)流換熱量；qra--圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面向周圍環(huán)境進(jìn)行的熱輻射量)�？紤]不同熱交換量（太陽輻射得熱，對(duì)流換熱，長波輻射和熱傳導(dǎo)等）的大小，對(duì)于在不同時(shí)間及氣候條件下建筑西墻外表面溫度分布所體現(xiàn)出來的規(guī)律可從以下幾個(gè)主要影響因素分析。
1、太陽輻射不同的影響。
外墻各層接受到的太陽總輻射強(qiáng)度不同將直接導(dǎo)致外墻各層溫度不同，東墻外表面溫度在早上溫差較大就主要是這一原因所至。
但對(duì)西墻而言，除了傍晚太陽西落之時(shí)，多數(shù)時(shí)間下各層所獲得的太陽總輻射強(qiáng)度差別不大（從圖5中可知，由于17：00～19：00之間太陽僅直射到第5層外墻，因此其溫降明顯慢于其余各層。比較不同太陽輻射強(qiáng)度下西外墻的最大溫差，如圖9所示，很難說明最大溫差與輻照度之間有特別直接的關(guān)系。其中主要原因還是在于環(huán)境空氣和外墻的換熱不僅僅由外墻所接收的太陽總輻射強(qiáng)度決定。
2、長波輻射不同的影響。
西墻各層與建筑前混凝土路面的輻射角系數(shù)相差較大，而尤以1層和混凝土路面的角系數(shù)最大。這樣當(dāng)路面溫度高于外墻溫度時(shí)，各層外墻所吸收的路面熱輻射熱量也就不同，1層吸收熱量較多因而使得1層溫度略高；結(jié)果導(dǎo)致在9：00～14：00，盡管高層的溫度相對(duì)較高，卻是2層的溫度最低，因?yàn)?層從路面獲得了額外的長波輻射熱量。而當(dāng)路面溫度低于西墻溫度時(shí)，如果沒有太陽輻射的作用，則是1層外墻輻射冷卻較快，這就是為什么1層的天空可見度較2、3各層低，其溫度下降幅度卻大于2、3層的原因。但是1層外墻外表面溫度在如此長的時(shí)間內(nèi)始終高于其它各層，原因并非僅受路面長波輻射影響。從圖7中可知，路面溫度在下午14：00（最遲可延遲到下午16：00左右）就和外墻平均溫度相差不多，此后則一致低于外墻平均溫度；因此如果考慮路面與外墻之間的長波輻射，不可能導(dǎo)致1層外表面溫度在此后的時(shí)間內(nèi)始終高于其它各層。分析可知，在這一時(shí)段內(nèi)主要是對(duì)流換熱及其它因素起作用。
外墻外表面溫度在凌晨以后所體現(xiàn)出來的底層溫度略高，而高層溫度略低的原因則是各層的天空可見度不同的結(jié)果。高層的天空可見度好，與天空之間的長波輻射作用大于低層，因此降溫較快。結(jié)合天空長波輻射和地面長波輻射在不同時(shí)間內(nèi)的作用效果，可解釋為何凌晨以后是中間層外表面的溫度相對(duì)較高。
3、對(duì)流換熱效果不同的效果。
在街道樓群附近，由于受到太陽直接照射的時(shí)間和部位不同，局地氣溫亦有明顯。這種差異以在近地面1～2m的高度內(nèi)尤為突出[6]。原因在于西墻前的混凝土路面長期受太陽直接照射，并且沒有耗于蒸發(fā)的熱量，而混凝土材料又特別地善于吸收貯存日射熱量，因此在太陽照射的時(shí)間內(nèi)，貼近地面的空氣溫度往往比高層空氣溫度增長更快，結(jié)果可使上下層空氣溫差達(dá)1℃以上。這樣由于底層外墻周圍空氣溫度相對(duì)較高，外墻散熱不如上層有利，結(jié)果會(huì)使下層外墻外表面的溫度相對(duì)略高。
另外，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速較大時(shí)，即為混合對(duì)流時(shí)，由于建筑上下層風(fēng)速不同，在外墻與空氣溫差較大（即西墻各層太陽輻射較強(qiáng)的時(shí)段內(nèi)，二者溫差在10℃以上）時(shí)，將直接導(dǎo)致外墻和周圍大氣的對(duì)流換熱效果不同，結(jié)果底層溫度高于高層；環(huán)境風(fēng)速越大，高層與低層（1、2層）之間的溫差則越大。若是無風(fēng)自然對(duì)流時(shí)，1層處于層流區(qū)，其對(duì)流換熱也弱于上層。結(jié)果也可導(dǎo)致1層溫度在較長的一段時(shí)間（這段時(shí)間同樣也是外墻和空氣之間溫差較大，對(duì)流換熱較強(qiáng)的時(shí)間）內(nèi)高于其它各層。晚上由于外墻和室外大氣的溫差較小，對(duì)流換熱的效果已經(jīng)變?nèi)�，這時(shí)起主導(dǎo)作用的是長波輻射。值得指出的是，在第二、三點(diǎn)上東墻情況與西墻不同。由于周圍建筑和樹木的遮蔽作用（參見圖1），東墻前的地面長期處于背陰地區(qū)，地表與各樓層溫度相當(dāng)，兩者之間的長波輻射較小；同時(shí)背陰處的空氣溫度較低，對(duì)流換熱效果不明顯，因此各樓層外壁面之間的溫差較小。
由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫差的變化幅度在0.5℃以下，因此可不考慮內(nèi)外表面熱傳導(dǎo)的影響。結(jié)合以上分析可知，盡管太陽輻射和宏觀氣候是影響建筑外微氣候的重要因素，但由于建筑結(jié)構(gòu)、尺寸及布局之屏蔽作用等因素的影響，使得建筑外不同表面附近的氣候情況趨于復(fù)雜（如西墻外表面溫度分布曲線并非單調(diào)增減）。簡言之，輻射和對(duì)流是影響外墻表面溫度分布的直接原因：即在白天外墻外表面溫度和空氣溫度相差較大時(shí)對(duì)流換熱起主要作用；晚上則是長波輻射起主要作用。因此，建筑周圍各表面（包括外墻、屋頂及地面等）的材料對(duì)太陽輻射和長波輻射的吸收率對(duì)局地微氣候的影響也就相對(duì)重要。另外，影響外墻表面的溫度分布的這些因素并非獨(dú)立作用的，它們之間也相互耦合影響，使得在不同時(shí)段內(nèi)外墻表面的溫度分布更趨于復(fù)雜。
盡管上述分析針對(duì)一棟具體的低層的建筑而進(jìn)行，但是以下兩點(diǎn)結(jié)論可推廣到一般的中低層板樓建筑中：
1)在夏季太陽輻射下，建筑不同朝向的外墻表面溫度隨高度變化有所差別，而尤其以西朝向外墻的表面溫度差別較大。
2)多數(shù)時(shí)間內(nèi)（主要為下午14：00左右到次日凌晨），西朝向底層樓層的外表面溫度將持續(xù)地高于其它樓層溫度。
3)對(duì)于其它朝向外墻，如果其周圍建筑布局情況以及接受太陽輻射的情況和西墻相似，可得到類似結(jié)果。
四、結(jié)論。
影響建筑外微氣候的因素眾多，除了宏觀的氣象條件如太陽輻射、氣溫、風(fēng)速外，還有建筑結(jié)構(gòu)形式、尺寸，小區(qū)布局、綠化以及各表面材料性能等。本文只是初步探討了在夏季太陽輻射較強(qiáng)及環(huán)境風(fēng)速相對(duì)較小的情況下建筑外微氣候的變化，并總結(jié)出規(guī)律如下。
不同朝向的外墻表面溫度隨高度分布的情況不同，西向外墻表面溫度隨高度變化幅度最大，其平均溫差可高于2℃，標(biāo)準(zhǔn)偏差約在0.6℃以上；在12：00～24：00內(nèi)西外墻各層表面溫度之間的差別一般在1.5℃以上，最大時(shí)可達(dá)3℃；而其余時(shí)段內(nèi)各層之間的溫差較小，基本在1℃以下。
在陽光直射到西墻以后的大多數(shù)時(shí)間內(nèi)（主要為下午14：00左右到次日凌晨），1層外表面溫度高于其它各層，這種情況一般可延遲到第二天凌晨4：00～5：00左右；而在其余時(shí)間內(nèi)，多數(shù)情況中間樓層（3、4層）溫度略高。
太陽輻射下建筑熱外表面會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)貼附上升氣流，其風(fēng)速變化較環(huán)境風(fēng)速相對(duì)穩(wěn)定。
在測試的基礎(chǔ)上討論了太陽輻射、長波輻射及對(duì)流換熱對(duì)形成外墻表面溫度分布的影響，指出導(dǎo)致外墻表面溫度存在差異的主要原因是長波輻射和對(duì)流換熱，并且由于不同時(shí)段內(nèi)這幾個(gè)影響因素的作用效果不同，使得外墻表面的溫度分布趨于復(fù)雜。
后續(xù)工作將接著對(duì)建筑小區(qū)內(nèi)不同位置的表面溫度、空氣溫度濕度、輻射以及風(fēng)速等參數(shù)繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)的長期監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)物理模型并結(jié)合CFD模擬結(jié)果進(jìn)行分析比較，以便更深入地了解建筑環(huán)境參數(shù)和小區(qū)熱環(huán)境之間的相互關(guān)系。
參考文獻(xiàn)：
[1]洪天真.江億.低能耗健康建筑與可持續(xù)發(fā)展[J].暖通空調(diào)，1996，（3）：30.
[2]趙榮義.太陽輻射對(duì)建筑物自然通風(fēng)的影響[A].南方建筑降溫論文集[C].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1959.23-25.
[3]馬克斯·莫里斯.建筑物·氣候·能量[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1990.158.
[4]SonneJK,VieireRK,RuddAF.Limitingsolarradiationeffectsonoutdoorairtemperaturemeasurement[J].ASHRAETransactions,1993,99:23-27.
[5]彥啟森，趙慶珠.建筑熱過程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1991.28-29.
[6]周淑貞，束炯編.城市氣象學(xué)[M].北京：氣象出版社，1994.290-293.
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