夏热冬冷地区太阳辐射通过外墙对 建筑能耗的影响研究
董凯王宇轩姜啸张凯杨潮军
（1.浙江大学建筑设计研究院有限公司浙江杭州3100282.浙江省建设工程质量检验站有限公司浙江杭州310012）
摘要通过在环境实验室内搭设实体建筑物模拟夏热冬冷地区夏季、冬季的太阳辐射和室内外温度环境测试不同太阳辐射强度下建筑外增温度场和热流密度的变化情况分析夏热冬冷地区太阳辐射通过外墙热传导对建筑能耗的影响，结果表明插着太阳辐射强度的增加建筑外墙外表面、中心和内表面温度随之升高太阳疆射通过建筑外墙的温度场进行室内外热能传递进而影响其建筑能耗：在夏季太阳疆射是决定建筑外墙冷负荷的主要原因外境热流密度随太阳辐射强度增大而增加导致建筑冷负荷增 大空调能耗增加在冬季外墙热流密度随太阳辐射强度增大而下降导致建筑热负荷减小采暖能耗降低
关键词夏热冬冷太阳辐射外境建筑能耗
中图分类号TU111.4 文献标识码A
文章编号：1001702X(2023)06-0095-05
Study on the influence of solar radiation on building energy consumption through exterior wall in hot summer and cold winter zone
DONG Ka WANG Yazuos' JIANG Xiao’ ZHANG Kai YANG Chajun?
(1.The Architectural Design and Research Institute of Zhejiang University Co Iad. Hamgzhou 310028 China
2.Zhejiang Censtrurtice Engineering Quality Inspectim Station Co Iad. Hangzhou 310012 China)
Imperature emivemt in bt samer and cod winter arras. The rhanpes of the tmperature fird asl heat flux of esterior vall Abstraet ≥X pbysical building was set up in the cmvironmental test rom to simelate the selar radiation and indorloutdoorunder difeent solar radiatie intmsities wee tested to analyze the impact of solar radiatic through the exerir wall buildingtg cmmi in h zer al old vi aa. Rels h th vi e ince t arliati i beImpea f t etel mer ad immal uface αf t liding eerir allncr. Te olar radi afet t isdand or bet ter thh afeting the tempee fld f the emal vll the bding zs afeting is bding - ey oin. Is smmer olar rliation is be min facte that deemines te coling hd f eerir wall The bat fux im- ih t l ali in ti i m in f cling b d an ic ite q tbilding. In winer he hcat fs of the edtioe woll decreses vith the olar radiire isenity resuling in a redrt of hbatIood and a reduction in enengy consumption af the bxeilding.
uoduo o epm Irs oppor mopeu npe aue a pe per sumx ng spum ay
件直接进入室内影响建筑能耗；二是间接影响外墙等非透明国护构件的外表面温度进而影响其内部温度场最终影响建太阳辐射一般指水平面太阳总辐射曝辐量，是水平面直筑能耗.太阳辐射通过外窗等透明围护结构对居住建筑能室内热环境的作用：但同时外墙作为建筑物最主要的外围护结构，太阳辐射通过外疆对夏热冬冷地区居住建筑热环境及建筑能耗的影响也十分显著.然而且前关于太阳辐射具 体是如何通过外墙影响建筑能耗的研究十分遗乏，缺少试验
0引言
射辐射曝辐量与水平面散射辐射曝辐量之和.太阳辐射主耗的影响非常大对于夏热冬冷地区居住建筑，外窗占了
1试验设计
1.1试验对象
数值的支撑与论证.此外限于成本和技术等因素我国太阳辐射数据的测量台站较少测量历史短实测数据短缺现有时数、晴空指数等气象参数来间接表征太阳辐射强度缺 关于太阳辐射的研究主要通过经纬度等地理参数和日照乏太阳辐射的实测数据与建筑能耗的关系.
本研究在全天候实尺寸环境实验室搭设实体建筑物模拟夏热冬冷地区夏季和冬季的太阳辐射和室内外环境，通过测试不同太阳辐射强度下建筑外墙温度场和热流密度参数的 变化情况，分析夏热冬冷地区太阳辐射通过外墙对建筑能耗的影响.本研究可为夏冷冬热地区的空调系统设计和建筑能耗模拟研究提供参考.
本试验在具备全天候实尺寸环境模拟功能的宝业集团实大环境实验室中进行，将现场砌筑的一间实体平房建筑作为试验对象在控制太阳辐射、温度等特定环境参数后测量试验对象外墙的温度和热流密度等参数，分析建筑外墙温度场 的升温、降温特征与其在太阳辐射下形成的冷、热负荷.相比实际室外气候环境的不可控性，本试验可以精确设置环境参数变量减少其他因素干扰同时可大大缩短试验周期
筑其开间为2.5m进深为3.0m层净高为2.8m具体结构 本研究试验对象为实验室中现场砌筑的一间实体平房建设计如图1、图2实体建筑见图3.其中门采用宽0.8m、高2.1m的实木门窗户采用宽1.4m、高1.5m的双层中空铝合金平开窗癌体为厚240mm的烧结实心砖境双面抹10mm 厚水泥砂浆；楼板采用4孔预制楼板，单块尺寸为500mmx3000mmx120mm.此外为消除地面传热引起的试验误差在平房地板铺设60mm厚挤塑聚苯板
图1试验对象结构设计平面示意
图2试验对象结构设计立面示意
图3试验实体建筑
1.2环境参数控制
1.3试验测试指标
本试验的控制系统（见图4）可以实现不同室外气候的模拟具体包括空气温度、相对湿度、太阳辐射等参数
图4环境模拟装置
本研究共设置了6个试验工况，分别模拟夏热冬冷地区的夏季无辐射气候（SN）、夏季中辐射气候（SM）、夏季强辐射气候（SH）、冬季无辐射气候（WN）、冬季中辐射气候（WM）及 冬季强辐射气候（WH）.在调研分析夏热冬冷地区20个主要城市的典型气象年逐时数据（CSWD）基础上，本试验各模拟气候对应的室外环境参数和室内环境参数取值见表1.其中，室外环境参数通过环境实验室的控制系统调控，室内气温通过3200W制冷/热空调器进行调控.本试验将夏季气候和冬 季气候下的室内气温分别设置为恒定，是为了模拟实际住宅采用制冷/采暖设备的情况，从而分析各气候下的建筑能耗情况.
表1各模拟气候对应的环境参数取值
工况 室外气温室外相对湿度 室外环境参数 太阳辐射强度室内气温 室内环境参数编号 C /% X(W/nr)SM SN 35.5 35.5 80 80 S1 0 25 25SH 35.5 80 350 25WN WM 0 73 s1 0 18 18WH 0 0 75 350 18
本试验测试指标为外墙的温度和热流密度.试验测点布设在试验对象东面外墙测点分布见图5.在每个测点布设3个温度传感器（精度±0.5℃量程-20-100°C）及1片热流传感器（精度5%量程0-2000W/m）.其中3个温度传感器分 别理入墙体内表面、墙体中心及墙体外表面热流传感器贴于墙体内表面如图6所示.此外还在试验平房室内外各布设
1.4试验过程
结果与分析
4个温度传感器测量室内外空气温度.各测点的温度和热流密度通过动态数据采集仪（建通科技JTNT一C）实时记录记录频率为1次/min
图5东面墙体测点布设
图6温度传感器布设
在完成试验对象测点布设后，即进行夏热冬冷地区夏季太阳辐射环境的模拟试验具体试验过程如下：
（1）通过环境实验室的控制系统和室内空调器对室内室外环境参数进行调控，使试验平房首先处于工况SN的环境 下此时模拟的是夏季无辐射气候记录各测点的温度和热流密度，包括外墙外表面温度、外墙中心温度、外墙内表面温度、外墙热流密度
（2）待SN工况下各测点的温度和热流密度达到稳态并持续1h以上后将工况由SN切换为SM此时模拟夏季中辐 射气候同样记录各测点的温度和热流密度
（3）待SM工况下各测点的温度和热流密度达到稳态并持续1h以上后，将工况由SM切换为SN并持续约12h使得墙体温度场接近夏季无辐射工况下的稳态水平后，再将工况切换至SH此时模拟夏季高辐射气候同样记录各测点的 温度和热流密度至各测量参数达到稳定.
夏热冬冷地区冬季太阳辐射环境的模拟试验与上述类似.
2.1 夏季太阳辐射对建筑外墙温度场和建筑能耗的影响
图7为夏季太阳辐射对建筑外墙温度场的影响
图8冬季太阳辐射对建筑外墙温度场的影响
图7夏季太阳辐射对建筑外墙温度场的影喃
定状态此时外墙热流密度为13.5W/m外墙外表面、中心、 由图7可见在太阳辐射为0时，各热工参数逐渐达到稳内表面温度分别为33.129.026.6℃C.太阳辐射强度由0提高至175W/m²时外墙外表面温度在太阳辐射增大时刻立即表面温度最后响应升高外墙外表面、中心、内表面温度的稳 定值分别为46.8、35.829.4℃C，较太阳辐射强度为0时分别提高了41.3%、23.4%、10.5%；外墙热流密度先明显升高后保持平稳稳定值约为45.2W/m²较太阳辐射强度为0时提高了234.8%.太阳辐射强度由175W/m²降至0时外墙热流密度和温度均不断下降外墙的降温特征与升温特征一致即外 墙外表面温度下降最快、幅度最大内表面温度下降最慢、幅度最小太阳辐射强度由0升至350W/m²时外墙热流密度、外表面温度、中心温度及内表面温度均不断提高后保持平稳，面温度的稳定值分别为54.6、39.7、31.1°℃，较太阳辐射强度 外墙热流密度稳定值约为61.2W/外墙外表面、中心、内表为0时分别提高了353.3%、65.0%、36.9%、16.9%.
面温度分别为3.4、9.5、13.0℃C外墙热流密度为23.2W/m².太 由图8可见在太阳辐射为0时外墙外表面、中心、内表阳辐射强度由0升高至175W/m²时，在太阳辐射的作用下，外墙外表面温度立即响应上升，外墙中心温度响应时间略微响应迅速上升外墙中心温度则存在一定滞后响应外墙内滞后外墙内表面温度的响应时间滞后最长达120min外墙因，因此外墙热流密度在120min后开始明显下降后保持平 内表面温度与室内气温的差值是影响外墙热流密度的直接原稳稳定值约为0.3W/m².太阳辐射强度由175W/m²降至0，由于外墙外表面温度与室外气温的差值高达19.2℃外墙外表面温度急速下降外墙厚度中心温度、外墙内表面温度也随之下降其中外墙外表面温度下降最快、幅度最大，内表面温 度下降最慢、幅度最小、同时外墙热流密度则随之上升.将太阳辐射强度由0升至350W/m²时，各温度参数及外墙热流密度的变化规律与上述切换至中辐射强度工况时的一致，但变化幅度更大
当太阳辐射强度由0提高至175W/m²时外墙外表面温度立即响应上升，最终达到稳态值19.2℃非常接近室内气温18.0℃，因此外墙中心温度及外墙内表面温度也十分接近室内气温分别为17.5、17.2℃这使得外墙热负荷几乎为0（0.3W/m²）.此时室内外温差仍然为18.0°℃但在太阳辐射 （150W/m²）的作用下外墙外表面温度稳态值上升至19.2°℃，几乎消除了墙体内部的温度应力，使得外墙热负荷降低到接近于0.当太阳辐射增强至350W/m²外墙外表面温度稳态值进一步提高达到25.9℃甚至比室内气温高7.9℃癌体内部温度应力方向反转外墙热流方向变成自室外流向室内外 墙热负荷呈负数相当于外墙不仅没有消耗采暖能耗还分担了其他围护构件的热负荷.
这说明随着太阳辐射强度的提高外墙外表面温度、中心温度及内表面温度的稳态值随之升高，即墙体内部的温度应力大幅上升最终导致通过外墙热传导进入室内的热量上升.
随着太阳辐射强度的增加外墙热流密度呈线性增加，在较高的太强辐射强度下，外墙外表面温度已经明显高于室外环境温度（35.5℃）这说明在夏热冬冷地区夏季太阳辐射较强时太阳辐射强度是决定外墙热流密度的主要因素：从建筑能耗角度外墙热流密度数值等于外墙冷负荷故夏热冬冷地 区夏季太阳辐射强度是决定建筑外墙冷负荷的主要因素.
2.2冬季太阳辐射对建筑外墙温度场和
建筑能耗的影响
3结论
图8为冬季太阳辐射对建筑墙体温度场的影响.
（1）在夏热冬冷地区夏季随着太阳辐射强度的增加，外墙外表面温度、中心温度和内表面温度稳态值随之升高导致
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墙体内部的温度应力大幅上升，通过外墙热传导进入室内的热量上升外墙热流密度增加，夏热冬冷地区夏季太阳辐射强度是决定建筑外墙冷负荷的主要因素.
（2）在夏热冬冷地区冬季随着太阳辐射强度的增加外墙外表面温度、中心温度和内表面温度稳态值随之升高外墙热流密度下降，当太阳辐射增强至一定程度时热流方向会发生改变由室内流向室外变为自室外流向室内此时外墙不仅没有消耗采暖能耗还分担了其他围护构件的热负荷.
（3）无论在夏季还是冬季在夏热冬冷地区太阳辐射通过建筑外墙对建筑能耗的影响都非常显著，在夏季太阳辐射越强，建筑冷负荷越大，空调能耗越高在冬季太阳辐射越强，建筑热负荷越小采暖能耗越低
综上研究结果可推断室内外温差相同的情况下夏季太阳辐射越强烈的城市其空调需求越大冬季太阳辐射越稀缺的城市其采暖需求更大.因此关于夏热冬冷地区建筑能耗方面的研究需要在室外气温分析的基础上考虑太阳辐射的影响，才能更加精准有效地进行能耗计算和建筑节能设计.
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