桑国臣，程芳玥，刘瑶，龙凯晨，崔晓玲
（西安理工大学土本建筑工程学院，西安710048)
摘要：利用境体热工系统理论，依据墙体传热的室外边界条件具有地区差异和表面特性差异的特点，选取拉萨，银川和西安 作为代表性地区，通过以附加热阻百分率和附加热情性指标为外境表面热工参数的等效计算方法，讨论冬季采暖条件下改变太阳辐射吸收系数对南境节能量和内壁面温皮的变化线律.结果表明：增大南墙的太阳辐射吸收系数可有效增大节能量但热情性指标的增大.节能量和内壁面波动幅度对太阳辐射吸收系数的敏感性变小. 会小幅降低内壁面温度的稳定性，这种影响在太阳辐照皮最高的拉萨地区最为显著，其次为银川和西安，且随着墙体传热阻和
关键调：太阳能：被动式太阳能采暖：节能：太阳辐射吸收系数：等效计算：内壁面波动幅度
中图分类号：TK512 文献标志码：A
研究.
0引言
本文拟通过对改变南墙太阳辐射吸收系数的等效计算，结合拉萨、银川、西安3个地区的冬季气候条件，对不同太阳射强度地区下太阳辐射吸收系数与外墙节能量和内壁面温度之间的关联性进行探索，以期为外墙外表面的热工性能 设计研究提供设计思路.
太阳辐射热作用是建筑得热的主要途径之一.太阳辐热传导进人到室内，这部分有效得热与外墙表面对太阳辐射 射热作用不仅可通过窗户直接进人房间内部，还可通过外境热的吸收性能有直接关系.从室内舒适度的角度来说，人在建筑中除受到室内空气和直接辐射作用外，还会受到围护结构壁面的辐射作用.尽管外墙吸收太阳能辐射热的效率较低，但其接收太阳辐射的面积是窗户面积的1.2～3.0倍.因 此太阳辐射吸收系数对建筑的影响不可忽略.
1表面吸收系数对外墙节能性的影响
1.1室外边界条件
合温度作为外边界条件.为推导附加热阻百分率和附加热 围护结构在考虑太阳辐射的作用下，一般采用“室外综愉性指标，将室外综合温度分解为长波当量湿度和太阳辐射当量温度进行计算.
围护结构的表面特性如颜色，粗糙度以及材质都是影响太阳辐射吸收系数的因素.文献[1]通过一种简化测试方法实测了不同额色和粗糙度对建筑外墙表面温度的影响，结果 表明深色涂料外壁面吸收的太阳辐射热较浅色涂料的多、粗糙度对建筑吸收太阳辐射热作用的影响并不明显；文献[2将太阳输射吸收系数分别与不同朝向外表面温度和全天净得热量间建立联系，得出降低太阳辐射吸收系数可有效降低因 太阳辐射导致的传人围护结构内部的热量.以上关于太阳辐射吸收系数的研究多集中于夏热冬冷地区的隔热设计，且大多通过测试和模拟表面温度来表征太阳辐射吸收系数对墙体或试件得热的影响，而对于高太阳辐照度地区的采暖建利用的措施，其有效性和地区适应性都缺乏相关的理论 筑，改变太阳辐射吸收系数能否作为一项有效增大太阳能热
室外综合温度r的计算式为：
(1)
α.-外表面换热系数.w/mK)：/-太阳辐照度，W/m²； 式中：1-室外干球湿度，C：4.--夜间有效辐射.W/m²；P.--太阳辐射吸收系数，其定义为围护结构外表面吸收的太阳辐射照度与其投射到的太阳辐射照度之比值，建筑表面特性的热工效果主要通过该系数体现；4-长波当量温度，C；太阳辐射当量温度.C.
依据采暖期南立面太阳辐照度的大小选取拉萨、银川和
西安3个地区为代表性地区，根据典型气象年数据结合 式（1）得到3个地区采暖期的太阳辐射照度平均值和和不同太阳辐射吸收系数下的南向室外综合温度平均值.结果见表1.其中.拉萨地区采暖期p.=0.9时的南向室外综合温度平
的室外综合温度达到4.6°℃.比p =0.3时高4.0°℃；西安地 均值达到8.6°℃.比p =0.3时高4.8℃；银川地区p =0.9时区p =0.9 时的室外综合温度达到6.5°℃.比p =0.3时高2.1 ℃.
表1拉萨、西安、银川地区采暖期室外气象参数
Table 1Ou mtgicl per ofheting pri in Lha Xin ad Yinch aa
室外干球温度/ 南立面太阳辐照度/ 室外综合温度平均笛/地区 (L/M) p =0.3 p =0.5 p =0.7 p =0.9拉萨 1.4 220.6 3.8 5.4 7.0 8.6银川 -1.5 159.6 0.6 1.9 3.3 4.6西安 3.3 104.2 4.4 5.1 5.8 6.5
系数修正系数的取值考虑了朝向对太阳辐射热作用的影响.
1.2附加热阻百分率
为分析不同太阳辐射吸收系数对墙体传热失热量影响，利用附加热阻百分率对这一作用进行等效并分析.
辐射吸收系数为p时，室外综合温度的平均值升高，导致室 在采暖期，室内温度r可认为是定值.当增大外境太阳内外的平均温差减小，从面导致通过外墙的传热失热量减少.假设这种影响不是由于室外综合温度平均值改变引起，而是由于在围护结构原传热阻基础上增加了某一热阻△R引 起的，根据稳态热流相等”，单位面积内通过外墙的传热失热量Q可表示为：
图1附加热阻百分率随太阳辐射吸收系数变化趋势Fig. I Variation trend of perentage of additional thermal resistance with solar abssrptity
(2)
式中：R原有围护结构的传热阻，m²K/W；太阳辐射吸收系数为p、p时的室外综合温度；-室内温度平均值.℃.
然而传热系数的修正不仅与朝向有关，还与外壁面对太阳辐 射的吸收性能有关.利用附加热阻百分率定义“实际有效传热阻”.计算式为：
附加热阻百分率的计算式为：
(4)
(3)
将原有计算围护结构传热失热量中的传热系数乘传热系数修正系数通过实际有效传热阻替代.利用式（5）对单位面积内通过外墙的传热失热量进行计算，结果见表2.
式中：I-室外干球温度平均值，C；Po、P-改变前后p=0.7 则取p=0.7为基准. 的太阳辐射吸收系数，因进行能耗模拟时，通常默认设置
(5)
根据规范《农村居住建筑节能设计标准》中的要求，冬季室内计算温度取14℃，附加热阻百分率和太阳辐射吸收系数之间的关系，如图1所示.
式中：K-围护结构原有传热系数，W/(m²K)；传热系数修正系数；s-时间，s:1--室内温度设计值.取14°℃C；t-取p=0.7时的室外综合温度，℃.
若附加热阻百分率值为正值，则表明对采暖节能有利，反之则不利.由图1可知，随着太阳辐射吸收系数增大.3个地区的附加热阻百分率都在不断增大，且当南墙外表面的太阳辐射吸收系数从0.7增加至0.9时，附加热阻百分率为正 值，对3个地区的采暖节能有利.
量的影响，以p =0.3时的日均单位面积传热失热量为基准， 为探究南墙太阳辐射吸收系数对单位面积日平均失热分析等量增加太阳辐射吸收系数条件下，不同传热阻外墙传热失热量差值的变化规律，见图2.由图2可见，南墙的日平均单位面积节能量随着太阳辐射吸收系数的增大面增大. 等量增加太阳辐射吸收系数的条件下，不同传热阻外境的节能量不同.其中.R -1.0m²-K/W的南墙单位面积日均节能量最
1.3不同太阳辐射吸收系数下外墙传热失热量
在《严寒与寒冷地区居住建筑节能设计标准》”中，传热
表2不同吸收系数各传热阻南墙单位面积日均节能量
Table 2 Average daily energy saving per unit area of south wall
of each beat transfer resistance under per unit avea south walldifferent solar absorptivityk]/m²地区 吸收 系数 R/(m²-K/W)1.0 1.5 2.0 2.50 881.28 587.52 440.64 352.51拉萨 0.5 0 495.36 371.52 297.220.7 604.80 403.20 302.40 241.926°0 466.56 311.04 233.28 186.620.3 856511 772.92 579.69 463.75银川 0.5 6101 694.62 520.97 416.770.7 616.32 462.24 369.790.9 00208 538.02 403.51 322.810.3 553.99 415.49 332.390.5 769.73 513.15 307.89西安 0.7 472.32 354.24 283.390.9 647.23 431.49 323.62 258. 1 R/(m-K/W)→2.0 2.5200面0.3 0.4 0.5 太阳辐射吸收系效 0.6 0.7 0.8 0.9±拉萨400 R /(m*-K/W)1.5热1000.3 0.4 0.5 太阳辐射吸收系数 0.8 0.9b.银川
图2单位面积南墙日均节能量随太阳辐射吸收系数的变化 Fig. 2 Variation of daily average energy saving per unit area ofsouth wall with solar absorptivity
大.R-2.5m²K/W最小.当太阳辐射吸收系数由0.3增大至0.9时，拉萨地区传热阻为1.0mK/W的南墙日均单位面积kJ/m西安地区节能量达到183.75kJ/m².随着南境传热阻 节能量达到414.72kJ/m²，银川地区节能量达到353.35的增大，南墙日均单位面积节能量逐浙减少，当增大南墙传热阻为2.5m²K/W时，拉萨地区日均单位面积节能量为165.89 kJ/m² 银川地区节能量为 140.94 kJ/m² 面西安地区 仅为73.50 kj/m².
由此可见，太阳辐射吸收系数的增大在一定程度上增大了南境对太阳辑射热的吸收，总体上减少了室内向室外的失热量，且太阳辐射强度越高的地区，传热阻越小的南墙，增大 南墙太阳辐射吸收系数产生的节能效益越大.
波的热响应 2 表面特性差异下内壁面对室外温度
2.1热情性指标等效
当增大太阳辐射吸收系数为p时，室外综合温度的探幅值变大，导致内表面温度的振幅值变大.这种作用被认为是在围护结构原有热情性指标上附加了一个热情性指标造成的，附 加热情性指标的计算方法是将长波当量温度和太阳辐射当量温度根据式（6）式（7）进行1阶傅式级数分解再进行推导.
(6)
(7)
附加热情性指标可按式（8）计算：
(8)
式中：A室外干球温度的n阶振幅C；/ 短波辐射最大值/与平均值之差、△/=1_-I.W/m²；
过式（6）式（7）对室外综合温度进行室外空气温度和太阳辐 区南境不同太阳辐射吸收系数下的室外综合温度逐时值，通射当量温度的傅式级数分解，表示结果如表3和表4.
、-室外干球温度和太阳辐射当量温度第n阶谐波初相角 rad.
以各地区冬至日作为典型日.通过式（1)计算可得各地
表3室外空气温度1阶傅式函数近似表达式
Tale 3 Approsimation espresson f the fist-oder Fourer fantion f long-smave quiralest empenatune
城市 阶数 a/2 b A 近似表达式拉萨 0 1.05 y=0.15 7.59sin1 9'0- 7 56 7.59 3.23 12银川 0 5.18 y==5.18 6.14 sin1 2.97 5.38 6.14 3.65西安 0 0.93 s ≤60= 3.16）1 0.05 2.72 2.72 3.16
表4太阳辐射当量温度1阶傅式函数近似表达式
Table 4 Appeoximate spesion o the fist-orde Foure fmetios of shortware quivalent empenature
城市 吸收系数 a/2 b A 近似表达式y=1.94 5.0 sin0.3 1.94 4.60 2.15 5.08 4.270.5 3.93 7.66 3.59 8.46 4.27 9*86= 4.27拉萨0.7 5.92 10.03 5.02 11.85 4.27 y=5.9211.85 sin 4.270.9 7.92 13.80 99- 15.23 4.27 y=7.92 15.23 i 4.270.3 3.06 3.48 1.17 3.67 4.39 y=3.06 3.67 sio 4.39]0.5 1.64 5.80 61- 6.12 4.39 y=1.646.12sin银川0.7 0.22 8.12 2.72 8.57 4.39 y==0.228.57siny=1.1911.01 sin 4.39）0.9 1.19 10.44 3.50 11.01 4.39 120.3 0.03 1.54 0.46 1.60 4.42 y=0.03 1.60 siny=0.572.67sin西安 0.5 0.57 2.56 9 2.67 4.420.7 1.17 3.58 1.07 3.74 4.42 y=1.173.74a(4.42)0.9 1.77 4.61 1.37 4.81 4.42 18C=
24h附加热性指标，通过式（7）表示出附加热情性指标和 室外热扰的变化下是以24h为周期的.因此仅计算7=太阳辐射吸收系数之间的关系，变化规律如图3所示.从图3可看出，3个地区的附加热情性指标均随太阳辐射吸收系数地区附加热情性指标降低0.85.银川地区降低0.56.西安地区 的增大面减小，当太阳辐射吸收系数从0.3增大至0.9时，拉萨仅降低0.39.由此可见，太阳辐射强度越高的地区，改变太阳辐射吸收系数对附加热情性指标的作用越明显.
2.2墙体构造参数
南墙内壁面温度的影响，保持各构造传热系数相同，选取特 为研究改变南墙太阳辐射吸收系数对不同热性指标征参数如表5所示”.
图3附加热情性指标随太阳辐射吸收系数变化趋势Fig. 3 Variation trend of aditional thermal inertia index with solar absorptivity
表5体构造及热工参数Table 5 Wall structures and themmal parameters
构造 材料层 厚度/ 导热系数/ 密度/ 蓄热系数/ 传热系数/ 热情性类型 （从外到内） mm [W/(mK)] (kg/mr) [W/(mK)] [W/(m²-K] 指标水泥砂浆 20 0.93 1800 11.37构造1 EPS板 80 0.04 30 90 0.45 2.56黏土多孔砖墙 水泥砂浆 100 20 0.93 1400 1800 88水泥砂浆 20 0.93 0.93 1800 11.37 11.37EPS板 70 0.04 30 0.36构造2 灰砂砖 240 1.10 1900 12.72 0.45 3.89水泥砂浆 20 0.93 1800 11.37水泥砂浆 20 0.93 1800 11.37构造3 EPS板 80 0.04 30 0.36 0.45钢筋混凝土 300 1.74 2500 17.08 4.16水泥砂浆 20 0.93 1800 11.37
式中：Y外表面的蓄热系数，W/m²K）：Y 内表面的蓄热系数，W/(mn²-K).
2.3围护结构对室外温度波的延迟和衰减
围护结构内侧空气温度稳定，室外温度波传至墙体内表面时的衰减倍数和延迟时间按式（9）计算：
室外温度波经过围护结构的衰减和延迟作用后，在围护结构内壁面形成新的温度波函数：
(6)
(11)
式中：∑D-墙体总的热情性指标：S、S 各层材料的蓄热系数.W/(m²K）：Y、Y.. 蓄热系数，W/lm~K)：α--墙体内表面的换热系数. 各材料层外表面的W/(m²K）；α 墙体外表面的换热系数，W/(m²-K）.
式中：0 一按稳态热过程计算的内壁面平均温度值，℃；一室外温度波的振幅.℃C：-围护结构对室外温度波的衰减倍数.
通过附加热情性指标来反映围护结构表面特征对原有围护机构的改善作用，实际上用其加上设计的围护结构自身的热性指标达到设计要求即可.以室内计算温度14℃为例，利用 式（9）、式（10）分别计算不同太阳辐射吸收系数下3种构造南境对以24h为周期的1阶室外谐波热扰的衰减倍数和延迟时间.
当周期Z=24h.则
(10)
