沈阳清福陵建筑遗产夏季太阳辐射和热环境模拟研究

王肖宇，孟津竹，朱天伟/WANG Xiaoyu, MENG Jinzhu, ZHU Tianwei

1 引言

清福陵位于沈阳市东郊，是清太祖努尔哈赤及其皇后叶赫那拉氏的陵墓，为盛京三陵之一。清福陵始建于公元1629年（天聪三年），到公元1651年基本建成。后经清朝顺治、康熙、乾隆年间的多次修建，形成了规模宏大、设施完备的古代帝王陵墓建筑群。初建时，只称作“先汗陵”或“太祖陵”，崇德元年（1636年）定名为“福陵”，寓意大清江山福运长久[1]。2004年，包括清福陵在内的盛京三陵作为明清皇家陵寝的拓展项目被列入世界文化遗产。

建筑热环境是指作用在房屋外围护结构上的一切热物理量的总称。热环境是用热辐射、气温、湿度及风速4个物理量来描述的。太阳辐射热是大气过程的主要能源，也是建筑热环境4个参量中影响最大的一个。夏季，对古建筑防热来说最不利的情况是在晴天，太阳辐射量很大。文物建筑受太阳辐射可能造成建筑材料的老化降解（尤其是紫外线辐射），建筑外墙涂料和木构架彩画在太阳辐射作用下也会发生褪色现象。太阳辐射使固着于文物表面的胶料（如皮胶、桃胶等）发生老化，进而使其黏接固着能力进一步降低，造成部分颜料颗粒的脱落。在紫外线的照射下，涂料和彩画的某些颜料容易发生光化学反应，从而导致颜料变色[2]。太阳辐射给文物带来的另一个主要问题就是热，太阳光的热效应加速木构架彩画病害的物理变化和化学变化的进程。白天，在强烈阳光照射下，围护结构外表面的温度有时会大大高于室外的空气温度，文物建筑吸收的所有辐射，都会转化成热，其结果是引起文物建筑表面的热胀冷缩，干裂起皮或卷曲变形[3]。

本研究以沈阳标准气象年的气象数据为基础，运用CFD（计算流体力学）数值模拟和实际量测的方法，设置不同古建筑材料（瓦片、砖石、木材）的密度、比热容、导热系数，模拟清福陵中轴线上的4个主要古建筑（碑亭、隆恩门、隆恩殿、明楼）在夏季（7月19日）10点、11点、12点、13点、14点，不同风速（1m/s、3m/s、5m/s、8m/s）的太阳辐射和温度升高情况。CFD模拟研究可以为建筑遗产的预防性保护提供新的方法和思路。

2 清福陵现存情况与实际量测

2.1 文物建筑现存情况

清福陵的布局严谨，层次分明，总面积约19.48万m2，形制为内城外郭，由前院、方城和宝城三部分构成，自南而北渐次升高。陵寝建筑群保存较为完整，现存古建筑32座，古建筑以神道为中轴线对称分布，是融满汉民族特色于一体的皇陵建筑群，既不同于明朝的陵墓，也不同于清朝入关后建造的陵寝[4]。

根据2016年10月 – 2018年5月项目组成员的实地调研、测绘和勘察，沈阳清福陵的主体建筑虽然保存基本完好，但大部分古建筑普遍存在由于太阳辐射造成的破坏侵蚀现象，存在瓦顶、砖墙、木结构干裂；木结构起皮；瓦片、涂料、彩画褪色（图1）等病害。其中，碑亭墙体掉漆，门框掉漆，隆恩门券脸石、腰线石、角柱石上纹饰掉漆严重。木门门皮掉落严重，露出内部材料，底部缺失。隆恩门楼柱子有多处掉漆，斗拱有劈裂。木头干裂。彩绘掉色，油漆干裂脱落。隆恩殿外部的柱子有干裂现象；瓦顶局部瓦片掉落，门窗变形。明楼东西南北4个方向的木门都有漆皮掉落的现象，其中南门破损较为严重[5]。从国家文物局回复辽宁省文物局关于清福陵保护修缮意见函中记载，清福陵已经多次对文物建筑构件进行局部修补、添配、剔补、补色，包括木构件的修补加固，添配琉璃构件修补材料，补配瓦件，补配琉璃瓦颜色，补充文物建筑立面色彩，调整油饰内容等[6]。

1 主要古建筑现状照片（摄影：王肖宇）

2.2 温度实际量测

沈阳位于东北地区南部，辽宁省中部，地理坐标：北纬41°12′～43°02′，东经 122°25′～123°48′。沈阳地区年平均气温为6～8℃。7月是一年之中最热的月份，平均气温为23～27℃，一月最冷，平均气温为-13～-11℃。地面最高温度出现在7月，为63℃，最低温度出现在1月，为-38℃，温度相差101℃。根据沈阳市的典型气象年逐时气象数据CSWD1），沈阳地区一年的太阳辐射量平均值为13.13MJ/m2，最大值可以达到29.64MJ/m2（图2）。太阳辐射不仅与地理条件、气候条件有关，而且每天随着太阳高度角的变化在同一地点因时间而异。根据沈阳太阳辐射随时间的变化规律可以发现，在中午13点之后，太阳的紫外线强度最大。沈阳地区7月最热，每日平均气温高温在28～29℃之间，极少低于24℃或超过32℃。低温在20～21℃之间，极少低于17℃或超过24℃。7月的平均风速为3.64～3.86m/s，主要风向是南风。太阳辐射（包括可见光和紫外线辐射）整个月份平均值为18.58MJ/m2[7]。

2019年7月19日天气晴朗，风速较小。项目组成员选取这一天对沈阳清福陵进行了古建筑实地温度测量。测量仪器为温湿度测试仪、红外线测温仪和风速测量仪（表1）。项目组实地测量了7月19日当天10点、11点、12点、13点、14点共5个时间点（表2），清福陵古建筑的瓦顶、彩画、砖墙、门窗、台阶和室外地面共6个建筑构件的表面温度（表3）。

2 沈阳地区太阳日总辐射年变化图（图片来源：参考文献[7]）

表1 清福陵热环境测试仪器

表2 2019年7月19日清福陵实地天气情况

表3 2019年7月19日清福陵文物建筑实测温度

3 研究方法与模拟实验

3.1 建立模型

本研究运用CFD（计算流体力学）软件[8]对清福陵16处古建筑进行夏季太阳辐射和热环境模拟实验。根据项目组成员的实地测绘图纸，首先在CFD软件中建立清福陵16个古建筑的简略模型（图3）。为了将运算量控制在切实可行的范围内，仅提取建筑模型的重要信息，过滤掉屋顶起伏、栏杆雕饰等较为微观的建筑信息。古建筑室外地面铺砌的砖石也是需要保护的建筑遗产，也对其建立了模型进行模拟实验。本文仅针对清福陵中轴线上4个主要古建筑（碑亭、隆恩门、隆恩殿、明楼）的不同位置、不同材料、不同风速设定参数，进行太阳辐射和热环境模拟实验。

3 沈阳清福陵7月19日13点太阳位置（模拟建立模型）

3.2 参数设置

为了使气流与建筑主体模型充分作用，同时控制运算量，将计算区域设为长1200m、宽400m、高70m的长方体区域。选用Viscous model（粘性模型）设置中采用k-epsilon（2 eqn）RNG模式湍流模型。辐射模型选择Discrete Ordinate （DO） 模型，Solar Load中选择Solar Ray Tracing选项，加载沈阳地理数据（Longitude123.27.5，Latitude41.44.6，Timezone+8），辐射时间定义为沈阳地区标准气象年夏至日（7月19日）10点、11点，12点、13点、14点，室外温度采用实测气温，设置3种不同古建筑材料（瓦片、砖石、木材）的密度、比热容、导热系数[9]（表4）。模拟不同风速（1m/s、3m/s、5m/s、8m/s）的情况下，记录清福陵中轴线上的4个主要古建筑（碑亭、隆恩门、隆恩殿、明楼）的太阳辐射和温度升高情况。

表4 清福陵的温度模拟分析材料热工参数（王肖宇基于参考文献[9]绘制）

4 模拟实验结果对比与分析

4.1 实测温度与模拟数据对比

根据项目组2019年7月19日的实测温度与模拟数据对比，发现主要古建筑瓦顶、砖墙、台阶、室外地面在12点、13点、14点的模拟实验结果数据与实际测量温度最为接近，平均相差5℃ 以内。古建筑瓦顶、砖墙、台阶、室外地面实际测量大都在太阳直接辐射之下，没有遮挡的情况下与模拟实验结果数据相差较小；而木构架门窗和彩画实际量测点如果在瓦顶和墙体形成的阴影中，有遮挡的情况下与模拟实验结果数据相差稍大（图4）；隆恩门实测温度的位置石门框没有遮挡、不在阴影中，实测数据与模拟实验结果数据相差较小。

4.2 模拟实验结果分析

清福陵4个主要古建筑（碑亭、隆恩门、隆恩殿、明楼）的不同位置、不同材料、不同风速的实验结果分析如下。

（1）太阳辐射和热环境能够对沈阳清福陵建筑遗产造成破坏侵蚀。太阳辐射强度（Solar mediation intensity）是表示太阳辐射强弱的物理量，称为太阳辐射量，单位是W/m2。建筑遗产表面温度升高与太阳辐射量（辐射热）、周围环境对流换热、建筑自身导热系数都密切相关[3]。太阳辐射强度越大，建筑温度升高越多，对建筑遗产造成的破坏侵蚀越大。4个主要古建筑（碑亭、隆恩门、隆恩殿、明楼）在7月19日13点，风速为1m/s时，木构架的门窗彩画的太阳辐射量大于砖石的墙体台阶和瓦片的屋顶。隆恩门的木构架彩画的太阳辐射量最大，达到2546.31W/m2，温度升高值最大，达到311.48K（38.33℃）。碑亭的砖石墙体太阳辐射量最小，达到2374.08W/m2，瓦片的屋顶温度升高值最小，达到304.28K（31.13℃）（表5、图5）。

（2）太阳辐射量与太阳高度角有很大关系。相同材料情况下，太阳高度角越大，太阳辐射量越大。实验模拟相同材料不同位置的热环境，同样是砖石材料，结果显示，在7月19日13点，4个主要古建筑南向墙面同一标高处20个测试点的平均值，台阶位置（倾斜角度与13点太阳角度形成夹角最大）的太阳辐射量比地面位置和墙体位置（倾斜角度与13点太阳角度形成夹角最小）都多。碑亭台阶位置比地面位置的太阳辐射量多26.96W/m2，比墙体位置多52.98W/m2；隆恩门台阶位置比地面位置太阳辐射量多40.02W/m2，比墙体位置多31.46W/m2；隆恩殿台阶位置比地面位置太阳辐射量多64.72W/m2， 比墙体位置多26.03W/m2；明楼台阶位置比地面位置太阳辐射量多59.24W/m2，比墙体位置多131.59W/m2（表6、图6）。

4 主要古建筑实测温度与模拟实验数据对比

5 主要古建筑太阳辐射和温度模拟结果

6 主要古建筑太阳辐射量和太阳高度角的关系（ 3-6 绘制：王肖宇 ）

（3）相同位置不同材料的太阳辐射量不同，温度升高值不同。设定4个主要古建筑墙体同一位置，同一标高处20个测试点材料分别为瓦片、砖石、木材进行模拟。模拟结果显示，在7月19日13点，木材比瓦片的太阳辐射量和温度升高值大；瓦片比砖石的太阳辐射量和温度升高值大。在同一位置，碑亭木材比瓦片的太阳辐射量多8.61 W/m2，温度高0.1 ℃；比砖石多54.42W/m2，温度高0.57 ℃；隆恩门木材比瓦片的太阳辐射量多10.09 W/m2，温度高0.13℃；比砖石多60.23W/m2，温度高0.7 ℃；隆恩殿木材比瓦片的太阳辐射量多13.84W/m2，温度高0.2℃；比砖石多78.90W/m2，温度高1.09℃；明楼木材比瓦片的太阳辐射量多8.21W/m2，温度高0.07℃；比砖石多52.25W/m2，温度高0.54℃（表7、图 7）。

（4）一定的风速可以改善建筑太阳辐射和热环境[10]。实验模拟4个主要古建筑在风速为3m/s、5m/s和8m/s时的太阳辐射和热环境情况。结果显示，在7月19日13点，风速在3m/s时，4个古建筑的太阳辐射量平均值达到2454.13W/m2，温度平均值311.39K（38.24℃）。风速在5m/s时，4个古建筑的太阳辐射量平均值达到2433.51W/m2，温度平均值310.66K（37.51℃）。风速在8m/s时，4个古建筑的太阳辐射量平均值达到2401.83W/m2，温度平均值310.15K（37℃）（图5）。相比较风速在3m/s的情况，风速在5m/s时，太阳辐射量降低20.62W/m2，温度降低0.73℃；风速在8m/s时，降低52.3W/m2，温度降低1.24℃（表8、图8）。

表5 古建筑不同材料20个测试点的太阳辐射量和温度平均值

表6 古建筑相同材料（砖石）不同位置20个测试点的太阳辐射量和温度平均值

表7 古建筑相同位置（墙体）不同材料20个测试点的太阳辐射量和温度平均值

5 结论

本研究运用CFD（计算流体力学）数值模拟和实际量测的方法，设置不同古建筑材料（瓦片、砖石、木材）的密度、比热容、导热系数，模拟了清福陵中轴线上的4个主要古建筑（碑亭、隆恩门、隆恩殿、明楼）在夏季（7月19日）10点、11点、12点、13点、14点不同风速（1m/s、3m/s、5m/s、8m/s）的太阳辐射和温度升高情况。经过模拟实验，整理出以下结论：（1）实际量测和数值模拟结果在建筑构件无遮挡的情况下较为接近，模拟数据可以作为参考。CFD模拟研究可以为建筑遗产的预防性保护提供新的方法和思路；（2）太阳辐射和热环境能够对沈阳清福陵建筑遗产造成破坏侵蚀。在7月19日13点，隆恩门的木构架彩画的太阳辐射量最大，达到2546.31W/m2，温度升高值最大，达到311.48K （38.33℃）。可能造成建筑材料的老化降解、褪色、变色、热胀冷缩、干裂起皮或卷曲变形；（3）太阳辐射量与太阳高度角有很大关系。相同材料情况下，太阳高度角越大，太阳辐射量越大。在7月19日13点，台阶位置（倾斜角度与13点太阳角度形成夹角最大）的太阳辐射量大于地面位置和墙体位置；（4）相同位置不同材料的太阳辐射量不同，温度升高值不同。在7月19日13点，木材接收到的太阳辐射量最大，温度升高值最多；（5）一定的风速可以改善建筑太阳辐射和热环境。相比7月19日13点，风速在3m/s的情况，风速在5m/s时，太阳辐射量降低20.62W/m2，温度降低0.73℃；风速在8m/s时，降低52.3W/m2，温度降低1.24℃。

表8 古建筑相同位置（瓦顶）不同风速20个测试点的太阳辐射量和温度平均值

通过预测性分析研究夏季太阳辐射和热环境对建筑遗产造成的破坏侵蚀，可以及时地提出相应的建筑遗产的重点构件和重点部位的预防加固措施。例如，可以加固屋顶、墙体、地面、台基、台阶的材料；对门窗、柱子、斗拱的裂缝、脱皮、磨损进行填补，重新涂漆，对彩画颜料渗透加固[11]。栽种适量绿植可以在夏季遮挡部分阳光，通过植物蒸腾作用减少建筑遗产的辐射面积，降低周围环境温度[12]。这些都是本研究的后续工作。

7 主要古建筑相同位置不同材料的太阳辐射量和温度值图

8 主要古建筑不同风速的太阳辐射量和温度值

（7.8 绘制：王肖宇）

注释

1）来源于清华大学和中国气象局的数据，是国内的实测数据，包括气温、水平面总辐射强度或法向直射辐射强度、水平面散射辐射强度、风速、风向、相对湿度、云量、降雨量