文章编号:1005-0329(2011)01-0069-05建筑垂直外壁面温度分布及换热系数实测研究(上海理工大学,上海200093)通过实测对建筑垂直外壁面温度的变化规律及外壁面的换热系数进行了研究。通过对某高层建筑南向立面表面温度等参数的实测研究发现,建筑垂直外壁面温差受建筑高度、风速、太阳辐射强度、空气温度的综合影响,通过对不同高度不同时刻的外壁面温差进行二级曲线拟合,得到了壁面温差计算式。且其最大误差不超过。此外,建筑外表面换热放热系数受风速和建筑高度影响显著,在已有研究成果的基础上,利用试验结果回归分析得到了外壁面换热系数。关键词:建筑外壁面温差;换热系数;实测研究;建筑高度;环境风速中图分类号:TU83文献标识码:Ado:i10.3969issn.1005-0329.2011.01.019ExperimentalStudyTemperatureDistributionHeatTransferCoefficientVerticalExteriorSurfaceBuildingWANGXiaobang,HUANGChen,WANGArchitecture,UniversityTechnology,Shanghai200093,China)Abstract:variationheattransfercoefficienverticalexternalwallbuildingwerestudied.Experimentalresultsshowedtemperaturedifferenceverticalexternalbuildingheight,indspeed,solarradiationintensityairtemperature.Throughthemultidimensionalfittingverticalexternalwalldifferenttimesrelationshipstandarddeviationmorethanindspeedbuildinghavecertainimpactheattransfercoefficientexteriorbuildingsurface.heattransfercoefficientexteriorbuildingsurfaceregressionanalysis.eyWords:temperaturedifferenceexternalbuildingsurface;heattransfercoefficient;experimentalstudy;buildingheight;indspeed收稿日期:2010-10-14基金项目:国家自然科学基金(50478113)国家科技支撑计划(2006BAJ02A05)上海市教委重点学科建设(J50502)资助1引言近年来,国内外许多学者对城市通风特性进行了大量研究。
研究发现,城市边界层内建筑布局、建筑表面空气流动、建筑热污染排放等对城市通风有重要的影响,其中建筑边界层内空气流动很大程度上取决于建筑表面的换热特因此,建筑外壁面温度是研究城市通风的基本要素之一。Hoyanoeta.l1999)利用红外热像仪测量了两栋建筑外表面的温度分布,发现建筑表面热对流边界层的流动受壁面温度影响较大,其流动特征较为复杂,并对城市通风有一定的影响从城市热排放对空气流动的影响角度对城市风环境进行了研近年来许多学者努力从理论方面获得城市通风的定量求解,Yang等应用边界层理论,描述了无风条件下建筑表面空气流动特通过对香港典型建筑表面温度的实测,提出了城市换气率的计算方法上述研究可以看出建筑表面温度及其换热特性是城市通风研究的关键。对于高层建筑,面温度随高度变化。为此,研究建筑表面温度随高度变化的规律,将有助于研究建筑表面热对流问题及城市通风问题。本文尝试通过实测研究建筑表面温度随高度、太阳辐射强度、风速以及室外空气温度的变化规律,并在此基础上初步探讨外692011年第39卷第墙表面换热系数随建筑高度及风速的变化特点,为城市通风的深入研究提供参考。2建筑外壁面温度的影响因素及试验概况1影响建筑外壁面温度的因素影响建筑外壁温的因素众多,除了基本气象条件如太阳辐射、风速、气温外,还有建筑结构形式、几何尺寸、区域建筑和绿化布局以及各表面材料热工特性等。
本文主要通过实测研究单幢建筑在太阳辐射、气温、风速影响下建筑表面温度的变化规律。建筑外壁温受太阳辐射的影响较大。在其他环境条件稳定的情况下,太阳辐射强度越大,越高,反之亦然。环境空气温度直接影响着建筑外壁面的换热,也是建筑表面温度变化的主要诱因之一。风速对建筑外壁温的影响主要体现在风速对围护结构换热系数的影响。风速增大,建筑表面换热增强,表面换热系数增加,从而使建筑表面温度更接近于环境空气温度。由于风速随高度的增加而增大,这造成了建筑外壁面不同高度处存在着不同的表面对流换热系数,导致不同高度处建筑外壁面垂直温度不同。因此,风速对建筑外壁面垂直温度的分布有至关重要的影响。2试验概况试验研究对象为如图1所示的学生宿舍楼11层,整体形态为长方体。该宿舍楼内无较大热源,负荷相对稳定。二层以上的层高均为5m,建筑总高度约为40m。1风速、风向、空气温度的测定建筑周围环境参数风速、风向、空气温度采用HD2003型多功能超声波风速仪测定,仪器布置于另一空旷的高为20m的建筑屋顶上,以避免周围建筑对城市风速测定的影响。风速仪自动记录时间间隔为1m1%,分辨率360!;空气温度测量精度为量范围为-402太阳辐射强度的测定日射强度采用TBQ-2C型太阳辐射仪测量,仪器自动记录时间间隔为2m2%,测试范围为日射强度测量仪置于空旷的地面上,以获得水平日射量。
3壁面温度的测定测量仪器为ThermaCAM_S40型红外摄像仪,拍摄地点为宿舍楼以南100m,拍摄间隔为1h。摄像仪精度为操作温度为-15试验中仅对建筑南墙的垂直外壁温进行了测试。测试时间为2010年29日、2010年00~15:00,天气条件稳定。3测试结果及研究分析环境空气温度在100m高度内变化很小,认为空气温度不随高度变化,忽略其对建筑外壁温垂直分布的影响。本文采用建筑外壁面温度与空气温度的差值,外壁面温差进行分析。2不同高度的建筑垂直外壁面温差变化测试期间壁面温差的变化如图2可知,建筑外壁面温差随高度增加而减小,通过对实测数据的分析,发现在建筑高度范围内,建筑墙体近顶部温差与近底部温差可70FLUIDMACHINERYVol39,2011相差2.左右。另外,由图还可以看出外壁面温差最大值一般出现在每天的中午, 11:00~ 13: 00之间。 2可以看出,不同高度处的外壁面温差是 不同的, 但不同高度的外壁面温差随时间的变化规 律是相似的, 本文以 22m处的外壁面温差为例, 3可以看出,在大多数情况下( 7日除外),风速增大则外壁 面温差减小, 风速曲线的波谷段恰是温差曲线的波 风速与外壁面温差呈现一定的负相关。
这可以通过风速对换热系数的影响来解释: 风速越大, 对流换热系数越大, 空气与建筑的表面对流换热越 充分, 从而使建筑表面温度更接近于环境空气温 温差减小。4月7日的风速与温差未呈现负相 关的规律, 这是由于风向的影响( 该天风向为北风, 南墙处于背风区) 所示为空气温度与22m 处的外壁面温 差随时间的变化曲线, 空气温度增大,则外壁面温差减小, 空气温度 与外壁面温度基本呈负相关, 而从每天的变化趋 势上也可以看出这个特点。 4太阳辐射强度对外壁面温差的影响对于垂直面太阳辐射强度 可通过实测水平面太阳辐射强度 cos/tan 太阳方位角与所考察的建筑表面方位角之差, sinsin-sind 建筑表面偏离南向的角度 5示出测试期间垂直面太阳辐射强度随时间的变化情况。由图可知, 南墙所接受的太阳辐 射强度最大值一般出现在中午, 这与太阳方位角 有关。由图还可以看出南墙太阳辐射强度与水平 面太阳辐射强度的变化规律相同, 但在在水平太 阳辐射强度相差不大的情况下, 7月份南墙太阳辐 射强度明显偏小, 这是因为其太阳高度角要大于 月份。图2所示的外壁面温差最大值也出现在每 天的中午, 并且太阳辐射变化与温差的变化规律相 吻合, 所以太阳辐射强度增大, 外壁面温差也增大, 垂直面太阳辐射强度与外壁面温差成正相关。
5外壁面温差关联式的建立考虑到建筑高度因素, 同一时刻不同高度处 的风速是不同的, 采用文献 给出的风速随高度的变化计算式: 高度为H处的风速, 一般H0 71 2011年第 39卷第 指数,对市区, 针对上海城区, 计算时取 试验中风速仪测得的风速为20m处的风速, 带入( 式可以得到任意高度的风速,现对不同 高度不同时刻的外壁面温差进行二级曲线拟合, 第一级为多元线性回归拟合, 第二级根据实验结 果特点对部分系数进行相关线性拟合, 得到温差 拟合式如下: 本文中基准风速为10m 高度处的风 得到理论温差, 并与各天实测的温差比较, 发现计算值与实 测值的最大标准误差不超过 筑高度的函数,因此, 亦可以体现温差与建筑高度的关系。 6垂直壁面换热分析由上述分析可知, 建筑垂直壁面换热与表面 风速、外壁面温差密切相关, 建筑表面所处的环境 风速与高度又有直接的联系, 可以推测建筑表面 换热系数与建筑高度有关。目前在计算建筑围护 结构表面换热量时, 一般认为换热系数不随建筑 高度变化, 为此探究建筑表面换热系数随建筑高 度的变化有重要的意义。 建筑外表面换热除了与空气的对流换热之外 还有与周围环境的辐射换热, 描述这两项换热强 度的物理量有对流放热系数和辐射放热系数。
项目ASHRAE 18.6U 605loc 16.21U 452loc Uloc, indward 25U10,U10 5U10,U10 Uloc,leewa rd Uloc为当地风速,U10为离地 10m处的风速 对于建筑外表面对流换热系数的计算方法, 目前已有很多经验公式, 但都不尽相同。表 Sharples 推荐的计算公式。对于忽略自然对流作用的情况, 美国推荐对流换 热系数按下式计算 学者Keh lbeck 10]给出的对流换热系数公式 如下: hC 上述公式,Sharples, Loveday Tak,i以及 ASHRAE, 都考虑了迎风面与背风面换热系数的 差异, 都将 10m 的离地高度定义为基准高度, 而就适用对象而言,学者 Kehlbeck的公式主 要用于桥梁; 由于本文未考虑自然对流作用, 进行计算分析。 辐射换热系数可参考张建荣等提出的计算公 11.06( 44(5m 此公式忽略了自然对流作用的影响。将不同高度处的 带入公式(7)得到不同 风速下不同建筑高度处的 h值。通过回归分析发 南墙太阳辐射强度小于 300W 及环境风速小于5m 11.56 11.56 。
利用公式( 进行积分,则可以得 到建筑高度内单位宽度的建筑壁面换热量。 72 FLUIDMACH INERYVol39, 20114结论 风速增大则外壁面温差减小,大多数情 况下风速与外壁面温差呈现很好的负相关; 太阳 辐射变化与温差的变化规律相吻合, 太阳辐射强 度增大, 外壁面温差也增大, 垂直面太阳辐射强度 与外壁面温差成正相关; 空气温度与外壁面温度 基本呈负相关; 通过对不同高度不同时刻的外壁面温差进行多维拟合, 得到温差计算式为: 445天计算数据与实测数据的最大标准误差不 超过 基于实测结果,在已有研究成果的基础 上得到外壁面总换热系数随风速、建筑高度变化 11.56, 其标准 sensible heat flux from exterior surface buildings singtime sequential thermography tmospheric Environment, 1999, 33 24-25): 39413951. ispersion thermaleffects urbanstreet canyons[ tmospheric Environmen 1996,30 26592677. ityven tilation HongKong indcond itions[ tmospheric Environment, 2009, 43: 31113121. 北京:高等 教育出版社, 1997, 6566. 北京:机械工业出社, 2005, 3637. Full- scale measurements convectiveenergy losses from exterior bu ilding surfaces Environment,1984, 19: 3139. Convectiveheat transfer coef ficients lanesurface fullscale bu ilding fa cade InternationalJournal ransfer,1996, 39 ASHRAETask Group. Procedu re determining heat ing coolingloads computerisingenergy calcu la tions, lgorithms BuildingH eatT ransfer Subrou tines, ASHRAE Pub lications, ewYork, 1975 安建筑科技大学学报(自然科学版 2008,40( 10]Keh lbeck 中国铁道出版社,1981, 3132. 混凝土对流换热系数的风洞实验研究[ 土木工程学报,2006, 39( 3943.作者简介: 硕士研究生,主要从事城市通 风研究, 通讯地址: 200093上海市军工路 516号城建学院 407室。
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