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建筑外微氣候研究的論文
摘要：
通過一段時間內對某棟典型多層板樓建筑外微氣候相關參數(shù)的監(jiān)測，總結其規(guī)律如下：
1）在太陽強輻射時間內，不同朝向的外墻外表面溫度隨高度分布的情況不同，西向外墻表面溫度隨高度變化幅度最大，其外表面垂直溫度的最大溫差一般可在2℃以上，標準偏差約在0.6℃以上；
2）多數(shù)時間內（主要為下午2點左右至次日凌晨），西墻外表面溫度以1層最高；
3）建筑熱外表面可產生誘導上升熱氣流。并在綜合分析了了如太陽輻射、對流換熱等影響因素不同作用效果的基礎上給出了合理的解釋。
關鍵詞：微氣候；建筑；太陽輻射；長波輻射；溫度分布；輻照度
引言：
伴隨著空調的迅猛發(fā)展而引發(fā)的能源短缺、環(huán)境污染，以及病態(tài)建筑綜合癥等問題，使得在當今社會可持續(xù)發(fā)展和舒適健康日益成為建筑和空調系統(tǒng)設計的熱點�；诮鉀Q上述問題，建立"綠色居住建筑體系"已經達成共識。目前各方面的學者都在積極探討建筑的可持續(xù)發(fā)展之路。有學者提出"低能耗健康建筑"的概念[1]，意為充分利用自然能源的被動式供熱空調建筑，它能提供人們生活和生產需要的建筑環(huán)境，保證人體的衛(wèi)生和健康，同時具有節(jié)能建筑的特點。自然通風和小區(qū)綠化等就體現(xiàn)了這種思想。
在夏季炎熱地區(qū)，自然通風是人們主要采用的住宅降溫手段。建筑設計怎樣來促進建筑物的自然通風和降低室溫長期以來一直是研究討論的話題，然而從目前的研究來看，多數(shù)考慮的是通風進入室內后的流動，而建筑外氣流的形成、形式及對室內熱環(huán)境的影響卻很少涉及；盡管有學者在20世紀50年代就發(fā)現(xiàn)了太陽輻射下建筑熱外表面的上升熱氣流對自然通風的誘導作用以當陽面與背陰面空氣溫差的可利用性，指出了在炎熱干燥地區(qū)對無風燥熱天氣下通風的意義[2]，但卻很少有人能從建筑熱環(huán)境的角度出發(fā)，研究建筑外微氣候如建筑外不同位置不同表面的溫度分布，夜間長波輻射以及空氣的氣流形式等建筑周圍熱環(huán)境的特性，考慮其對小區(qū)熱環(huán)境及室內熱環(huán)境的影響并引入到實際的建筑設計中。
實際上，正是由于目前人們對人居熱環(huán)境的動態(tài)特征的研究方興未艾，許多研究分析結果尚處于試探性階段，才使得人們盡管在不斷深刻意識到人居熱環(huán)境重要性的同時，卻不知從何入手、真正與建筑設計相結合并付諸工程實踐中。從這一點上講，對建筑外各表面微氣候的相關動態(tài)參數(shù)進行現(xiàn)場觀測及基礎理論分析，研究其規(guī)律并在此基礎上探討如何結合小區(qū)布局和建筑設計以改善人居環(huán)境，不失為一項有意義的工作。
一、建筑外微氣候的實驗研究。
微氣候指的是在建筑物周圍地面及屋面、墻面、窗臺等特定地點的風、陽光、輻射、氣溫與濕度條件[3]。由于微氣候形成因素復雜難以給出簡單的數(shù)學描述，因而以實驗研究作為工作的入手。為了解太陽輻射下建筑外熱環(huán)境的規(guī)律，特選擇了一座典型多層板樓進行現(xiàn)場測試。
1、建筑描述。
實驗建筑為北京地區(qū)一南北朝向的5層宿舍樓，整體結構為長方體。建筑周圍布局如圖1所示。各層的層高約3m，東西外墻尺寸為12.6m×15.4m；每層樓層的東西朝向都分別有一陽臺，無外窗；測點所對應的房間為4人一間的宿舍，宿舍內分別有一臺電視和計算機，此外并無其它較大熱源，室內負荷相對比較穩(wěn)定。外墻材料為370mm厚的加氣混凝土砌塊，兩面抹有厚度為20mm的淺灰色石灰砂漿，外墻表面粘有碎石。如圖2所示。
2、實驗測量參數(shù)及儀表。
1)溫度。
西墻各層表面上各布置了一個測點，共5個測點（第一周在東墻外表面同樣地布置了測點并監(jiān)測其溫度隨高度的變化）；室內相應布置了監(jiān)測外墻內表面溫度及空氣溫度的測點；此外還監(jiān)測了室外的空氣溫度、路面及草坪溫度等相關參數(shù)。室外溫度的測量根據(jù)文獻中的建議考慮了防止太陽輻射[4]。溫度的測量采用RHLOG溫度自記儀，每20min記錄一次，共記錄約20d。RHLOG溫度自記儀由清華同方設計生產，儀器精度為±0.2℃，具體布置如圖2所示。
2)輻照度。
測量西向垂直面上的輻照度，以分析太陽輻射對建筑外墻外表面溫度沿垂直方向上的分布的影響，采用DFY-2型天空輻射表進行測量，每20min記錄一次。該天空輻射表經中國國家氣象局標定，儀器的靈敏度為8.86μv/W·m2)，年穩(wěn)定性為±2%。
3)環(huán)境風速及上升氣流速度。
采用熱線風速儀測量外墻表面的貼附上升氣流風速并與環(huán)境風速進行比較。上升氣流的測點為五層離外墻約5cm處；環(huán)境風速測點離建筑外墻表面約1.5m。每隔20min人工讀一次數(shù)。熱線風速儀的測量范圍為0.05～30m/s，誤差為測量值的±5%。
2、測試結果綜述。
�。�1）外墻表面溫度規(guī)律。
溫度記錄結果表明，一段時間內建筑外墻外表面溫度沿垂直方向存在變化，并且由于朝向的不同其溫差的大小及波動幅度也不同。
一段時間內西墻外表面垂直溫度變化的標準偏差值如圖4所示。從圖中可看出，在中午至傍晚一段時間內，西墻外表面溫度的穩(wěn)定波動較大，約在0.6℃以上，有時則在1℃以上，而在其余時段內側較小。太陽輻射的影響可見一端。
在太陽輻射下西墻的外表面溫度沿垂直方向呈現(xiàn)出一定規(guī)律：即約從下午14：00開始，1層外表面溫度均普遍高于其它各層。這種情況一般可延遲到第二天凌晨5：00左右；而在其余時間內，多數(shù)情況下3、4層溫度略高，而2層溫度略低。另外，在不同時段內西墻外表面隨高度變化的趨勢不同：在中午到晚上20：00-21：00之間，盡管依然是1層表面溫度最高，但受無規(guī)律外擾的影響，外表面溫度隨高度的分布曲線還是扭曲變化得很厲害。
一段時間內西外墻各層外表面溫度之間的溫差變化情況，分別以各層的溫度減去1層溫度而得。由圖可知，一天絕大多數(shù)時間內各層之間的溫差都在1.7℃以上；在下午16：00-17：00后，各層的溫降趨勢則明顯不同；圖中數(shù)據(jù)也表明多數(shù)時間內西墻1層外表面的溫度最高。另外，在不同天氣狀況下外墻表面溫度的平均溫差在不同時段也不相同（以西墻為例說明），如表1所示。從表中可以看到，只要不是陰雨天氣，12：00-20：00之間的外墻平均溫差總是較大，在1.6℃以上；而凌晨以后的溫差較小，一般在1℃以下；在太陽輻射較強時外墻表面各層之間的平均溫差可保持在3℃以上。
二、建筑周圍各表面溫度比較。
在下午太陽輻射較強時，外墻外表面和周圍空氣的溫差較大，一般在8℃左右，最大可達到13℃以上。在8:00～14:00之間，路面溫度一直高于外墻外表面溫度在下午14：00～15：00以后，外墻外表面溫度開始高于地面溫度；絕大多數(shù)時間內草坪溫度始終最低；室內氣溫和外墻內表面溫度都相對比較平穩(wěn)（波動幅度均在2℃左右）。
從下午至夜間凌晨以前，由于室內自然通持續(xù)進行，并受室內不確定熱擾的影響，西墻各層的室內空氣溫度的波動相對內表面溫度要明顯，但總的不如外表面溫度波動大。而在凌晨以后，則有可能出現(xiàn)室內空氣溫度的波動幅度大于圍護結構外表面溫度變化的情況。西外墻內表面溫度的標準偏差在0.3℃左右，室內空氣溫度的標準偏差在0.6℃以下（圖中dTin-air，dTin-w，dTout-w分別指室內空氣溫度、西墻內表面及外表面溫度的標準偏差值）。
3、對建筑熱外表面貼附上升氣流的觀測。
在太陽輻射下，由于自然對流的作用建筑熱外表面會誘導產生貼附上升氣流，在環(huán)境風速較小時可能對室內通風及熱環(huán)境產生重要影響。本次實地監(jiān)測過程中，選擇環(huán)境風速較�。ɑ径荚�1m/s以下）的情況下，測量了靠近外墻的貼附氣流的速度并與環(huán)境風速進行了比較。其中環(huán)境的主導風向為南北向，離建筑外墻外表面約1.5m；貼附氣流方向為從下至上，測點離外墻約5cm貼附氣流的速度略大于室外風速，這可能是因為實測風速為貼附氣流風速和環(huán)境風速疊加以后的值。另外，環(huán)境風速紊動變化較大，其離散度（以標準偏差除以平均值）為45%左右，而貼附氣流風速則相對穩(wěn)定得多（離散度為25%）。
三、結果分析。
根據(jù)建筑外墻表面的熱平衡方程[5]：qs+qR+qB+qg=q0+qca+qra(其中qs--圍護結構外表面所吸收的太陽輻射熱量：qR--圍護結構外表面所吸收的地面反射輻射熱量；qB--圍護結構所吸收的地面總輻射；q0--圍護結構外表面向壁體內側傳熱量；qca--圍護結構外表面向周圍空氣進行的對流換熱量；qra--圍護結構外表面向周圍環(huán)境進行的熱輻射量)�？紤]不同熱交換量（太陽輻射得熱，對流換熱，長波輻射和熱傳導等）的大小，對于在不同時間及氣候條件下建筑西墻外表面溫度分布所體現(xiàn)出來的規(guī)律可從以下幾個主要影響因素分析。
1、太陽輻射不同的影響。
外墻各層接受到的太陽總輻射強度不同將直接導致外墻各層溫度不同，東墻外表面溫度在早上溫差較大就主要是這一原因所至。
但對西墻而言，除了傍晚太陽西落之時，多數(shù)時間下各層所獲得的太陽總輻射強度差別不大（從圖5中可知，由于17：00～19：00之間太陽僅直射到第5層外墻，因此其溫降明顯慢于其余各層。比較不同太陽輻射強度下西外墻的最大溫差，如圖9所示，很難說明最大溫差與輻照度之間有特別直接的關系。其中主要原因還是在于環(huán)境空氣和外墻的換熱不僅僅由外墻所接收的太陽總輻射強度決定。
2、長波輻射不同的影響。
西墻各層與建筑前混凝土路面的輻射角系數(shù)相差較大，而尤以1層和混凝土路面的角系數(shù)最大。這樣當路面溫度高于外墻溫度時，各層外墻所吸收的路面熱輻射熱量也就不同，1層吸收熱量較多因而使得1層溫度略高；結果導致在9：00～14：00，盡管高層的溫度相對較高，卻是2層的溫度最低，因為1層從路面獲得了額外的長波輻射熱量。而當路面溫度低于西墻溫度時，如果沒有太陽輻射的作用，則是1層外墻輻射冷卻較快，這就是為什么1層的天空可見度較2、3各層低，其溫度下降幅度卻大于2、3層的原因。但是1層外墻外表面溫度在如此長的時間內始終高于其它各層，原因并非僅受路面長波輻射影響。從圖7中可知，路面溫度在下午14：00（最遲可延遲到下午16：00左右）就和外墻平均溫度相差不多，此后則一致低于外墻平均溫度；因此如果考慮路面與外墻之間的長波輻射，不可能導致1層外表面溫度在此后的時間內始終高于其它各層。分析可知，在這一時段內主要是對流換熱及其它因素起作用。
外墻外表面溫度在凌晨以后所體現(xiàn)出來的底層溫度略高，而高層溫度略低的原因則是各層的天空可見度不同的結果。高層的天空可見度好，與天空之間的長波輻射作用大于低層，因此降溫較快。結合天空長波輻射和地面長波輻射在不同時間內的作用效果，可解釋為何凌晨以后是中間層外表面的溫度相對較高。
3、對流換熱效果不同的效果。
在街道樓群附近，由于受到太陽直接照射的時間和部位不同，局地氣溫亦有明顯。這種差異以在近地面1～2m的高度內尤為突出[6]。原因在于西墻前的混凝土路面長期受太陽直接照射，并且沒有耗于蒸發(fā)的熱量，而混凝土材料又特別地善于吸收貯存日射熱量，因此在太陽照射的時間內，貼近地面的空氣溫度往往比高層空氣溫度增長更快，結果可使上下層空氣溫差達1℃以上。這樣由于底層外墻周圍空氣溫度相對較高，外墻散熱不如上層有利，結果會使下層外墻外表面的溫度相對略高。
另外，當環(huán)境風速較大時，即為混合對流時，由于建筑上下層風速不同，在外墻與空氣溫差較大（即西墻各層太陽輻射較強的時段內，二者溫差在10℃以上）時，將直接導致外墻和周圍大氣的對流換熱效果不同，結果底層溫度高于高層；環(huán)境風速越大，高層與低層（1、2層）之間的溫差則越大。若是無風自然對流時，1層處于層流區(qū)，其對流換熱也弱于上層。結果也可導致1層溫度在較長的一段時間（這段時間同樣也是外墻和空氣之間溫差較大，對流換熱較強的時間）內高于其它各層。晚上由于外墻和室外大氣的溫差較小，對流換熱的效果已經變弱，這時起主導作用的是長波輻射。值得指出的是，在第二、三點上東墻情況與西墻不同。由于周圍建筑和樹木的遮蔽作用（參見圖1），東墻前的地面長期處于背陰地區(qū)，地表與各樓層溫度相當，兩者之間的長波輻射較小；同時背陰處的空氣溫度較低，對流換熱效果不明顯，因此各樓層外壁面之間的溫差較小。
由于圍護結構內表面溫差的變化幅度在0.5℃以下，因此可不考慮內外表面熱傳導的影響。結合以上分析可知，盡管太陽輻射和宏觀氣候是影響建筑外微氣候的重要因素，但由于建筑結構、尺寸及布局之屏蔽作用等因素的影響，使得建筑外不同表面附近的氣候情況趨于復雜（如西墻外表面溫度分布曲線并非單調增減）。簡言之，輻射和對流是影響外墻表面溫度分布的直接原因：即在白天外墻外表面溫度和空氣溫度相差較大時對流換熱起主要作用；晚上則是長波輻射起主要作用。因此，建筑周圍各表面（包括外墻、屋頂及地面等）的材料對太陽輻射和長波輻射的吸收率對局地微氣候的影響也就相對重要。另外，影響外墻表面的溫度分布的這些因素并非獨立作用的，它們之間也相互耦合影響，使得在不同時段內外墻表面的溫度分布更趨于復雜。
盡管上述分析針對一棟具體的低層的建筑而進行，但是以下兩點結論可推廣到一般的中低層板樓建筑中：
1)在夏季太陽輻射下，建筑不同朝向的外墻表面溫度隨高度變化有所差別，而尤其以西朝向外墻的表面溫度差別較大。
2)多數(shù)時間內（主要為下午14：00左右到次日凌晨），西朝向底層樓層的外表面溫度將持續(xù)地高于其它樓層溫度。
3)對于其它朝向外墻，如果其周圍建筑布局情況以及接受太陽輻射的情況和西墻相似，可得到類似結果。
四、結論。
影響建筑外微氣候的因素眾多，除了宏觀的氣象條件如太陽輻射、氣溫、風速外，還有建筑結構形式、尺寸，小區(qū)布局、綠化以及各表面材料性能等。本文只是初步探討了在夏季太陽輻射較強及環(huán)境風速相對較小的情況下建筑外微氣候的變化，并總結出規(guī)律如下。
不同朝向的外墻表面溫度隨高度分布的情況不同，西向外墻表面溫度隨高度變化幅度最大，其平均溫差可高于2℃，標準偏差約在0.6℃以上；在12：00～24：00內西外墻各層表面溫度之間的差別一般在1.5℃以上，最大時可達3℃；而其余時段內各層之間的溫差較小，基本在1℃以下。
在陽光直射到西墻以后的大多數(shù)時間內（主要為下午14：00左右到次日凌晨），1層外表面溫度高于其它各層，這種情況一般可延遲到第二天凌晨4：00～5：00左右；而在其余時間內，多數(shù)情況中間樓層（3、4層）溫度略高。
太陽輻射下建筑熱外表面會產生誘導貼附上升氣流，其風速變化較環(huán)境風速相對穩(wěn)定。
在測試的基礎上討論了太陽輻射、長波輻射及對流換熱對形成外墻表面溫度分布的影響，指出導致外墻表面溫度存在差異的主要原因是長波輻射和對流換熱，并且由于不同時段內這幾個影響因素的作用效果不同，使得外墻表面的溫度分布趨于復雜。
后續(xù)工作將接著對建筑小區(qū)內不同位置的表面溫度、空氣溫度濕度、輻射以及風速等參數(shù)繼續(xù)進行系統(tǒng)的長期監(jiān)測，在此基礎上建立數(shù)學物理模型并結合CFD模擬結果進行分析比較，以便更深入地了解建筑環(huán)境參數(shù)和小區(qū)熱環(huán)境之間的相互關系。
參考文獻：
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