太阳辐射作用下膜建筑室内热环境测试研究

王 欢, 仝易麟、2, 樊越胜, 田国记, 王云朋

(1.西安建筑科技大学 建筑设备科学与工程学院, 陕西 西安 710055;2.中色科技股份有限公司, 河南 洛阳 471039)

1 概述

近年来,半透明轻质膜结构以其优异的材料性能、良好的建筑性能和结构性能引起了人们的广泛关注。与传统建筑材料相比,膜建筑材料具有重量轻、柔韧性好、自清洁等优点。膜建筑具有工期短、安装方便、投资小等特点[1],已广泛用于临时或半永久性大跨度公共建筑(如体育馆)和其他附属结构(如建筑走廊),在改善生态环境和生活环境方面发挥了积极作用。

与传统建筑材料不同,膜建筑材料隔热性能差[1]。透光率高、太阳热增益系数大、隔热保温能力差等特性导致膜建筑难以依靠自身热阻减少室外温度、太阳辐射等室外热扰对室内热环境的影响[2-4]。尤其是在夏季高温天气,易出现室内温度过高等现象,严重影响工作人员工作效率和仪器的正常使用,制约了膜建筑的发展。

目前,对膜建筑的研究主要集中在建筑结构和织物膜材料的力学特性方面,关于膜建筑室内热环境的研究比较少。本文搭建膜建筑室内热环境测试平台,在不同太阳辐照度、室外温度条件下(夏季晴天日、夏季阴天日、冬季晴天日),测试膜建筑室内温度及屋顶内外表面温度的变化。

2 测试内容

2.1 测试平台

膜建筑室内热环境测试平台见图1。膜建筑长2 800 mm、宽1 200 mm,拱形屋顶最高点距地面640 mm。膜材料为表面涂层为PVC、底层涂覆PVDF的聚酯纤维织物膜。膜材料厚约1 mm,对太阳辐射的吸收率为18.5%,透射率为4.9%,反射率为76.6%。膜建筑地面即测试地点所在建筑的屋顶,四周均为膜材料,不设门、窗,室内无供暖供冷装置。

图1 膜建筑室内热环境测试平台

2.2 测试内容

为分析不同太阳辐照度、室外温度条件下膜建筑室内热环境及膜材料传热特点,测试分别在夏季晴天、夏季阴天、冬季晴天进行。测试地点位于西安某建筑屋顶,四周无遮挡。主要测试参数:太阳辐照度、室外温度、室内温度、各朝向膜内外表面温度。

太阳辐照度、室外温度采用Vantage Pro2 Plus型小型气象站记录。太阳辐照度测量范围为0～1 800 W/m2,相对误差为±5%。温度测量范围为-40～65 ℃,绝对误差为±0.5 ℃。小型气象站放置在膜建筑附近且四周无遮挡的位置,数据每隔1 min自动采集1次。室内温度、各朝向膜内外表面温度均采用T型热电偶进行测量,每隔1 min采用2701型采集仪记录1次数据。

2.3 温度测点布置

温度测点布置见图2。x轴所指方向为北向。温度测点坐标见表1,忽略屋顶内外表面温度测点的z坐标的差别。屋顶内外表面分别布置5个温度测点,测点R1～R5为屋顶外表面温度测点,测点R1′～R5′为屋顶内表面温度测点。以地面为起点,沿高度方向每隔128 mm布置1个温度测点,共布置5个室内温度测点(测点C1～C5)。在进行数据处理和分析时,屋顶内外表面温度取相应测点的平均值,室内温度取测点C1～C5的平均值。

表1 温度测点坐标

图2 温度测点布置

3 测试结果与分析

夏季工况:2021年7月至8月进行了连续测试,为避免不良天气对实验测试的影响,最终选取7月29日、8月10日分别作为夏季晴天日、夏季阴天日。冬季工况:选取2020年1月12日作为冬季晴天日。为方便阐述,将夏季晴天日、夏季阴天日、冬季晴天日统称为典型日。出于某些原因,冬季晴天日仅获得白天的测试数据。典型日的室外风环境均为微风环境。

3.1 典型日太阳辐照度

典型日太阳辐照度随时间变化见图3。由图3可知,夏季晴天日、夏季阴天日的太阳辐射均在6:00开始出现。夏季晴天日,太阳辐照度在13:00达到峰值921 W/m2,平均太阳辐照度为524 W/m2。由于夏季阴天日的天气状况不稳定,云层厚且多,导致大气对太阳辐射的削弱作用增强,地面的太阳辐射减弱[5]。因此,与夏季晴天日相比,夏季阴天日的太阳辐照度明显降低且波动较大,11:00太阳辐照度达到峰值942 W/m2,平均太阳辐照度为265 W/m2。冬季的日照时间比夏季明显缩短,地面的太阳辐射明显减弱。冬季晴天日,太阳辐射在8:00开始出现。太阳辐照度在12:00后达到峰值409 W/m2,平均太阳辐照度为141 W/m2。

图3 典型日太阳辐照度随时间变化

3.2 室内温度

典型日室内外温度随时间变化分别见图4～6。由图3、4可知,对于夏季晴天日,室内温度变化范围为22.3～44.8 ℃。白天,室内温度变化趋势与太阳辐照度变化趋势基本一致。7:00—12:00,室内温度随太阳辐照度增大而增大。12:00—14:00,太阳辐照度达到880 W/m2以上,并于13:00达到峰值,随后(14:00)室内温度也达到峰值44.8 ℃,与太阳辐照度峰值出现时间相比,仅存在1 h的延迟。15:00,室内温度开始下降。夜间,太阳辐射作用消失,室内温度的变化趋势与室外温度基本一致,且逐渐与室外空气温度接近。由图4～6可知,夏季阴天日、冬季晴天日,室内温度的变化情况与夏季晴天日相似。

图4 夏季晴天日室内外温度随时间变化

图5 夏季阴天日室内外温度随时间变化

图6 冬季晴天日室内外温度随时间变化

在白天太阳辐照度比较大时,太阳辐照度的影响占主导,膜建筑室内热环境类似日光温室。在阴天太阳辐照度比较小以及夜间时,室外温度的影响占主导。

3.3 屋顶内外表面温度

典型日屋顶内外表面温度随时间变化分别见图7～9。由图3、7可知,对于夏季晴天日,白天屋顶内外表面温度变化趋势均与太阳辐照度变化趋势基本一致,且外表面温度高于内表面温度。从7:00开始,屋顶内外表面温度随太阳辐照度增大而增大。13:00,太阳辐照度达到峰值,屋顶内外表面温差也达到全天最大值6.1 ℃。14:00,屋顶内外表面温度同时达到峰值,与太阳辐照度峰值出现的时间相比,仅存在1 h的延迟。夜间,太阳辐射作用消失,屋顶内外表面温度均下降,且趋于接近。屋顶表面通过与环境间的长波辐射以及与周围空气间的对流传热作用不断散热,导致屋顶内外表面温度降低[6]。由图7～9可知,夏季阴天日、冬季晴天日,屋顶内外表面温度变化情况与夏季晴天日相似。

图7 夏季晴天日屋顶内外表面温度随时间变化

图8 夏季阴天日屋顶内外表面温度随时间变化

4 结论

① 对于室内温度:在白天太阳辐照度比较大时,太阳辐照度的影响占主导,膜建筑室内热环境类似日光温室。在阴天太阳辐照度比较小以及夜间时,室外温度的影响占主导。

② 对于屋顶内外表面温度:对于夏季晴天日,白天屋顶内外表面温度变化趋势均与太阳辐照度变化趋势基本一致,且外表面温度高于内表面温度。夜间太阳辐射作用消失,屋顶内外表面温度均下降,且趋于接近。夏季阴天日、冬季晴天日,屋顶内外表面温度变化情况与夏季晴天日相似。