风速风向对上海地区建筑物南墙冬季太阳辐射得热的影响

邹晓泉， 钟 珂， 张红婴， 2， 亢燕铭， 袁丽婷

(1． 东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620； 2． 江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州341000)

风速风向对上海地区建筑物南墙冬季太阳辐射得热的影响

邹晓泉1， 钟 珂1， 张红婴1， 2， 亢燕铭1， 袁丽婷1

(1． 东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620； 2． 江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州341000)

以上海地区典型冬季气候条件为基础，考虑风速与风向对围护结构传热过程和对太阳能的实际吸收效果的影响，利用数值方法模拟了建筑物南墙在太阳辐射作用下的传热过程．结果表明，风向和风速对围护结构外表面对流换热系数、外表面温度的影响都较大，对外保温墙体的净得热和对流散热量也有一定程度影响．在南墙背风且风向斜吹(风向与南墙法线夹角为135°)时，太阳辐射净得热量最大．南墙在一天中的净得热量随着风速增大而下降，但当风速增大到3 m/s后，南墙的太阳能实际吸收率不再明显下降．由此表明，尽管上海地区冬季出现大风的概率较高，但并不会明显削弱南墙对太阳能的有效吸收．

冬季太阳辐射； 南墙； 风速； 风向； 吸收率； 上海地区

对我国夏热冬冷地区而言，若冬季时充分利用墙体的太阳辐射得热量，则可有效降低建筑能耗．由于城市化水平的提高，冬季供暖已成为这一地区的实际需求．虽然关于建筑热工性能和太阳辐射作用下的围护结构传热特征的研究已有不少成果[1-10]，但定量分析太阳辐射在风向、风速综合影响下的墙体逐时得热和散热计算的研究则较为缺乏，特别是夏热冬冷地区．例如，文献[1]用理论方法对冬季太阳辐射作用下北京地区南外墙和南外窗内壁面的温度进行了分析．文献[2]用DTRM(discrete transfer radiation model)辐射模型模拟了庭院式建筑在太阳辐射的作用下，外表面温度及散热量对热岛效应的影响．文献[3]对北京一栋多层板楼建筑微环境气候及不同朝向墙体外表面垂直温度进行了监测分析．文献[4]通过对太阳能采暖房间不同朝向墙体以及不同墙体结构的热负荷系数进行了计算．文献[5]则从整个建筑围护结构体系的蓄热角度出发，研究了冬季情况下被动式太阳能建筑墙体的蓄放热特性及其对室内热环境的调节作用．但这些结果均为非夏热冬冷地区的情况．对于外墙的对流换热特征研究也有不少报道．文献[6]以西安地区的高层住宅为研究对象，采用数值方法模拟了外墙外表面在不同风速和风向等条件下的对流换热系数．文献[7]设计了一种用于现场实测建筑外表面对流换热特性的萘升华方法，并测量了高大单体建筑水平屋面的对流换热特性．文献[8]通过实测，证实了CFD(computational fluid dynamics)技术可用于对建筑外表面对流换热系数的估计，并分析了建筑墙体外表面的对流换热系数受风速、风向和建筑密度的影响．文献[9]对冬季拉萨市太阳辐射下建筑围护结构各朝向的内表面温度进行了分析．文献[10]用DEST(designer’s simulation toolkit)软件模拟了上海一栋建筑物在空调系统间歇运行的工况下，外墙表面太阳辐射吸收系数以及保温层位置和厚度对空调系统能耗的影响．然而，这些研究也很难用于对夏热冬冷地区建筑物在冬季受太阳辐射时外墙热工参数的估计．

考虑到很难通过实测来分析风向、风速综合影响下的墙体逐时太阳辐射得热和散热，本文拟采用CFD数值模拟方法，对以上海为代表的长江下游地区的普通建筑墙体内部传热过程进行动态模拟计算，以分析风速、风向等对围护结构外表面温度、对流换热系数与全天净得热量的综合影响，为改善该地区冬季建筑室内热环境和建筑节能提供必要的基础依据．

1 建筑模型的建立与模拟工况

1．1 几何模型与计算区域

本文选择处在我国夏热冬冷气候区的上海地区(东经121．5°，北纬31．2°)为模拟和讨论背景．为便于分析并得到简明结果，将所讨论的建筑简化为一个15 m×15 m×15 m的建筑模型体块，共5层，选择南向中间层位置的房间作为计算对象．根据文献[11]研究可知，对于单体建筑，数值计算域顶部边界不小于5H(H为目标建筑的高度)，侧边界不小于4H，入口边界和建筑物之间的距离应使建筑物迎风面处的风流流场平滑，出口边界大于10H时，可满足流场模拟计算准确性的要求．故本文整个计算区域的尺寸取为261 m141 m90 m．计算域和建筑墙体结构如图1所示．

图1 计算区域模型与墙体结构

建筑外围护结构设置为外保温形式，墙体共4层，由外墙到内墙依次分别为外抹灰层、保温层、结构层和内抹灰层，其中，抹灰层为灰石灰粉，墙体结构层为钢筋混凝土，保温层材料采用岩棉．围护结构的物性参数[12]见表1所示．

表1 围护结构的物性参数

1．2 数学物理模型

数值计算区域所需的网格生成采用GAMBIT 2．4．6软件，模拟则采用FLUENT 6．3．26版程序．假设建筑外的环境风为不可压缩、低速湍流常物性流体．因标准κ-ε模型在低速湍流数值模拟中被广泛运用，且所需计算时间少而精度高，便于获得简单明了的结果，故本文在模拟中亦采用这一模型，其中，湍动能κ和耗散率ε的控制方程为

(1)

(2)

式中：μ为空气动力学黏度，Pa·s，μ=ρCμκ2/ε；μt为湍动黏度，Pa·s；ρ为流体密度，kg/m3；Gκ为湍动能生成项，Gκ=μtS2/ρ，其中S为平均流剪应变率的幅值，s；另外，湍流模型常数取值通常为σκ=1．0，ε=1．3，c1=1．44，c2=1．92．

1．3 计算方法和边界条件

采用有限容积法离散控制方程，为尽量减少数值误差，对离散方程的差分采用二阶迎风格式．

计算域的入口和出口边界分别定义为速度入口和压力出口，侧面及顶面均定义为对称边界面，壁面定义为无滑移壁面，近壁区域参数采用标准壁面函数法，压力速度耦合方式采用SIMPLE格式[13]．计算域入口温度为4 ℃，根据上海典型气象年气象参数，本文选取1，3和5 m/s共3种风速作为典型风速进行分析[14]．由于不同的迎风方向对墙体的换热影响不同，本文考虑了5种不同的风向分别进行模拟分析.定义来流风向与南墙法线方向的夹角为θ，0°≤θ≤180°，5种工况风向示意如图2所示．

图2 来流风向与南墙法线夹角的设定Fig．2 Wind directions to the south wall

辐射采用太阳辐射DO(discrete originates)模型，太阳高度与方向信息由FLUENT软件自带程序进行计算．南墙受到的太阳辐射强度I采用2015年最冷月份1月15日晴朗天气的数据，室外空气温度采用2015年最冷月份1月典型日的气象数据，如图3所示．

图3 太阳辐射强度和室外温度随时间的变化Fig．3 Variations of solar radiation intensity and outdoor temperature with time

由于本研究的计算重点在于建筑外表面附近与南墙墙体，故建模时对墙体和外表面附近区域网格进行了更为细密的划分，总网格数约为2．5106．模拟选取室外气温日平均值为4 ℃时的稳态计算结果作为非稳态计算的初始条件，非稳态计算时间步长为60 s．

1．4 模型验证

为了保证数值模拟计算方法在分析太阳辐射、传热以及流动特性等方面的可靠性，需要先验证上述数学模型的合理性．文献[15]对太阳辐射作用下西班牙vigo地区的一处混凝土建筑的南外墙温度随时间的变化进行了实测和模拟，本文用文献[15]提供的实测细节，采用上述数学和计算方法进行数值模拟．图4为本文的数值计算结果与文献[15]的模拟和实测结果的比较．

从图4中可以看出，本文数值模拟计算得到的南墙温度和文献的实测温度吻合得较好．根据统计学分析原理，分别对文献模拟值与文献实测值及本文模拟值与文献实测值进行相关性分析，得到R2分别为0．987和0．984，说明两组数据相关性均良好．因此，可以认为，本文采用的CFD模型在计算太阳辐射和建筑物的传热方面是可靠的，可用于本文设定的物理条件展开的模拟分析．

图4 本文数值模拟南墙温度与文献实测及文献 模拟结果的比较Fig．4 Comparisons of the temperature data of south wall surface with the simulated in this paper and that simulated and measured in the literature

2 模拟结果与分析

当有日照时，墙体会吸收一部分太阳辐射，吸收的太阳辐射一部分通过对流方式向大气散热，此时墙体为蓄热过程；当日落后，墙体主要通过对流的方式向室外散热，此时墙体主要为放热过程．建筑围护结构外表面的热平衡关系为

qτ=qsun， τ-qcon， τ

(3)

式中：qτ、qsun， τ和qcon， τ分别为τ时刻单位面积围护结构的净得热量、吸收的太阳能和散发到室外的热量，W/m2.

qsun， τ=(Id， τ+Ir， τ)α

(4)

式中：Id， τ和Ir，τ分别为τ时刻到达南墙外表面的太阳直射辐射强度和散射辐射强度，W/m2；为南墙外表面吸收系数，这里取0．7[16]．

qcon， τ=hout， τ(Tw， τ-Tair， τ)

(5)

式中：hout， τ为τ时刻围护结构外表面的对流换热系数，W/(m2·K) ；Tair， τ和Tw， τ分别为室外τ时刻空气温度和围护结构外表面温度，K．

由式(3)～(5)可知，影响围护结构实际得到的太阳能的影响因素较多，与太阳辐射吸收系数、辐射强度、表面对流换热系数和外表面温度均有较大关系．

2．1 围护结构外表面对流换热系数分析

对于本文研究的单体建筑，当风向θ和风速u改变时，模拟得出的南外墙表面平均对流换热系数变化情况如图5所示．

图5 围护结构外表面在不同风向和风速下 的对流换热系数Fig．5 Convective heat transfer coefficients of exterior surface of building envelope under different air velocities and directions

从图5中可以看出，风速与风向对围护结构外表面对流换热的综合影响显著．在相同风向下，风速越高，对流换热系数越大．当南墙为迎风面时(θ=0°或45°)外表面的对流换热系数大于背风面(θ=135°或180°)．当来流方向平行于南墙(θ=90°)时，其对流换热系数较大，甚至接近于气流垂直吹向南墙(θ=0°)的情况．另外，风速越低，对流换热系数受风向的影响越小．

2．2 围护结构外表面温度分析

在冬季一个代表性晴朗天气条件下，不同风速和风向影响下，围护结构外表面温度随时间变化的模拟结果如图6所示．

(a) u=1 m/s

(b) u=3 m/s

(c) u=5 m/s

由图6(a)可以看到，当风速为1 m/s时，由于墙体对流散热强度过小，造成外墙表面温度过高，南墙为背风面时，其外表面温度在13:00时高达68 ℃．由于对流换热系数会随着风向变化而变化，较大的对流换热系数也就导致南墙在某时刻外表面温度相应较低，南墙为迎风面时对流换热系数大于背风面，故在同一时刻南墙为迎风面时外表面温度值小于背风面时．

对比图6(a)、6(b)和6(c)可以看到，不同风速下南墙外表面温度随风向变化的规律一致，并且，相同风向条件下，风速越大，外表面温度越低，当风速为5 m/s时，南墙外表面温度最大值仅为35 ℃，只有1 m/s时的50%左右．

2．3 单位面积围护结构外表面散热量与净得热通量分析

根据式(5)和模拟结果，可以得到不同风速和风向影响下的单位面积围护结构的外表面散热qcon， τ和净得热qτ随时间的变化情况，结果如图7和8所示．

由图7可以看出，尽管昼间墙体吸收大量太阳能，但通过对流换热也有大量热量散发到室外大气中，日落后，墙体对流散热量大幅下降．风速越小，对流散热量越小；相同风速下南墙为迎风面时散热量大于背风面时．

(a) u=1 m/s

(b) u=3 m/s

(c) u=5 m/s

(a) u=1 m/s

(b) u=3 m/s

(c) u=5 m/s

由图8表明：日照期间墙体净得热为正，围护结构处于蓄热过程；从下午17：00开始，净得热量小于0，南墙处于散热过程．风速越小，对流散热量越小，净得热量越大；相同风速下南墙为迎风面时净得热量小于背风面时．

2．4 单位面积围护结构全天净得热总量分析

墙体在一天中的蓄放热情况对冬季供暖能耗影响重大，对图7和8中的qcon， τ和qτ分别从上午7:00开始到次日上午7:00这段时间进行积分，如式(6)和(7)所示，则可以得到南墙全天的总对流散热量Qcon和实际吸收的太阳能净得热量Qτ．

(6)

(7)

在不同风速和风向条件下Qcon和Qτ的计算结果如图9所示．

由图9(a)可以看出，当风速为1 m/s时，南墙为迎风面时的全天对流散热量和昼间对流散热量均大于背风面时，全天净得热量随风向变化的规律正好相反，例如背风面的全天对流散热量和昼间散热量最小，而全天净得热量最大为9．2 MJ/m2．另外还可看出，昼间散热量占全天散热量比例很大，约占97%．不同风向情况下的全天净得热量均大于全天散热总量．

对比图9(a)、9(b)和9(c)可以发现，不同风速下散热量和净得热量随风向变化的规律基本一致，但对流散热量与净得热量的比率完全不同．风速为1 m/s时，对流散热量小于净得热量，全天对流散热量与全天净得热量的比率均小于1，介于0．47～0．89之间．但当风速增大到3 m/s时，对流散热量明显大于净得热量，该比率均大于1，在风向θ=45°时甚至高达2．3，且风速3和5 m/s时的数据差别不大．

(a) u=1 m/s

(b) u=3 m/s

(c) u=5 m/s

在本文计算条件下，单位面积围护结构全天太阳辐射得热量为13．6 MJ/m2，围护结构在一天中吸收储蓄下来的太阳能将会有效改善室内热环境或降低供暖系统负荷．为了比较不同风速和风向对墙体太阳辐射实际吸收程度影响的差别，定义墙体全天净得热总量占太阳辐射总量的比例为太阳能实际吸收率β，如式(8)所示．

(8)

式中：Qτ为单位面积墙体全天净得热总量，kJ/m2；Qsun为单位面积墙体全天太阳辐射总量，kJ/m2，可用式(9)求得．

(9)

在不同风速和风向条件下单位面积墙体的太阳辐射实际吸收率如图10所示．

图10 在不同风速和风向条件下南墙对太阳能的实际吸收率Fig．10 The actual solar absorbing rate of the south wall under different wind velocities and directions

从图10可以看出，同一风速情况下，当南墙为背风面时的吸收率大于迎风面，其中当来流风向为θ=135°时的太阳能实际吸收率β值最大；相同风向情况下的风速越大，太阳能实际吸收率越小，但当风速达到3 m/s后，吸收率随着风速增大而下降的幅度很小，几乎可以忽略不计．

3 结 语

采用数值模拟的方法，对上海地区建筑物外保温南墙在冬季太阳辐射作用下的散热和得热进行了非稳态模拟研究．模拟结果显示，风速和风向的变化对围护结构外表面的对流换热系数和外表面温度影响较大，最终影响到南墙外表面的对流散热量和太阳辐射净得热量，主要表现为以下特征：

(1) 南墙对太阳能的实际吸收率受风向影响很大，南墙位于迎风面时，对流散热量明显大于背风面，造成南墙太阳辐射净得热明显下降．在南墙背风且风向斜吹时，太阳辐射净得热量最大．上海地区冬季主导风向为西北风，南墙位于斜吹风背风面的概率较高，这将有利于该地区冬季充分利用太阳能，改善室内热环境．

(2) 在本文研究的上海地区气候条件下，冬季南墙在一天中的净得热量占太阳辐射总吸收量的1/3～2/3，风向和风速对太阳能实际吸收率的影响都较大，但当风速增大到3 m/s后，南墙的太阳能实际吸收率不再明显下降．这表明，尽管上海地区冬季出现大风的概率较高，但并不会明显削弱南墙对太阳能的有效吸收．

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(责任编辑：徐惠华)

Influences of Wind Velocity and Direction on Solar Energy Gain of Building South Walls in Winter in Shanghai

ZOUXiaoquan1，ZHONGKe1，ZHANGHongying1， 2，KANGYanming1，YUANLiting1

(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)

Considering the effects of wind velocity and direction on the heat transfer of building envelope and the absorption of solar radiation by the walls， the heat transfer process of building envelope with solar radiation was studied by employing numerical simulations in Shanghai area． The results show that the ambient wind velocities and directions influence the external surface temperature of the south wall and heat transfer coefficient significantly， as well as the heat dissipation and the heat gain． The net heat gain may reach a peak value on the leeward side with the oblique angle of 135°． Moreover， the wall’s net heat gain decreases with the wind velocity increasing． However， the actual solar energy absorbing rate of the wall is no longer significantly reduced when the wind velocity reaches 3 m/s and more． The results indicate that even though there is high possibility of heavy wind in Shanghai area in winter， the absorbing rate of the south wall will not be evidently weakened．

winter solar radiation； south wall； wind velocity； wind direction； absorbing rate； Shanghai area

1671-0444(2017)01-0102-07

2015-10-19

国家自然科学基金资助项目(51478098)；上海市教科委科技创新重点资助项目(13ZZ054)

邹晓泉(1991—)，男，浙江江山人，硕士研究生，研究方向为建筑节能技术．E-mail：waterry@163．com 钟 珂(联系人)，女，教授，E-mail：zhongkeyx@dhu．edu．cn

TU 832．1； TU 86

A