太陽輻射作用下膜建筑室內熱環境測試研究

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,半透明輕質膜結構以其優異的材料性能、良好的建筑性能和結構性能引起了人們的廣泛關注。與傳統建筑材料相比,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)和其他附屬結構(如建筑走廊),在改善生態環境和生活環境方面發揮了積極作用。

與傳統建筑材料不同,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熱環境的影響[2-4]。尤其是在夏季高溫天氣,易出現室內溫度過高等現象,嚴重影響工作人員工作效率和儀器的正常使用,制約了膜建筑的發展。

目前,對膜建筑的研究主要集中在建筑結構和織物膜材料的力學特性方面,關于膜建筑室內熱環境的研究比較少。本文搭建膜建筑室內熱環境測試平臺,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),測試膜建筑室內溫度及屋頂內外表面溫度的變化。

2 測試內容

2.1 測試平臺

膜建筑室內熱環境測試平臺見圖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,室內無供暖供冷裝置。

圖1 膜建筑室內熱環境測試平臺

2.2 測試內容

為分析不同太陽輻照度、室外溫度條件下膜建筑室內熱環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:太陽輻照度、室外溫度、室內溫度、各朝向膜內外表面溫度。

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,數據每隔1 min自動采集1次。室內溫度、各朝向膜內外表面溫度均采用T型熱電偶進行測量,每隔1 min采用2701型采集儀記錄1次數據。

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,忽略屋頂內外表面溫度測點的z坐標的差別。屋頂內外表面分別布置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個室內溫度測點(測點C1～C5)。在進行數據處理和分析時,屋頂內外表面溫度取相應測點的平均值,室內溫度取測點C1～C5的平均值。

表1 溫度測點坐標

圖2 溫度測點布置

3 測試結果與分析

夏季工況:2021年7月至8月進行了連續測試,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據。典型日的室外風環境均為微風環境。

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。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。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 室內溫度

典型日室內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,室內溫度變化范圍為22.3～44.8 ℃。白天,室內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)室內溫度也達到峰值44.8 ℃,與太陽輻照度峰值出現時間相比,僅存在1 h的延遲。15:00,室內溫度開始下降。夜間,太陽輻射作用消失,室內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,室內溫度的變化情況與夏季晴天日相似。

圖4 夏季晴天日室內外溫度隨時間變化

圖5 夏季陰天日室內外溫度隨時間變化

圖6 冬季晴天日室內外溫度隨時間變化

在白天太陽輻照度比較大時,太陽輻照度的影響占主導,膜建筑室內熱環境類似日光溫室。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 屋頂內外表面溫度

典型日屋頂內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表面溫度。從7:00開始,屋頂內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,屋頂內外表面溫差也達到全天最大值6.1 ℃。14:00,屋頂內外表面溫度同時達到峰值,與太陽輻照度峰值出現的時間相比,僅存在1 h的延遲。夜間,太陽輻射作用消失,屋頂內外表面溫度均下降,且趨于接近。屋頂表面通過與環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 夏季晴天日屋頂內外表面溫度隨時間變化

圖8 夏季陰天日屋頂內外表面溫度隨時間變化

4 結論

① 對于室內溫度:在白天太陽輻照度比較大時,太陽輻照度的影響占主導,膜建筑室內熱環境類似日光溫室。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 對于屋頂內外表面溫度:對于夏季晴天日,白天屋頂內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表面溫度。夜間太陽輻射作用消失,屋頂內外表面溫度均下降,且趨于接近。夏季陰天日、冬季晴天日,屋頂內外表面溫度變化情況與夏季晴天日相似。