城市各向异性散射辐射与遮阳对建筑得热的影响

This study focuses on the anisotropic diffuse radiation characteristics and its effect on heat transfer through building envelop with blade shading in cities. Typical cities locate in mixed climate zone, diffuse radiation data is collected through research meteorological station and national meteorological stations in Shanghai or other cities to analysis the effect of cities' atmospheric environment and high-density man-made surface on radiation characteristics. Time and special pattern of diffuse radiation data will be erected. A more precise model will be developed based on the data and comparison with existing model. A envelop with external blade shading system will be built to study the heat transfer progress of combined diffuse radiation-convection boundary condition. The effect of anisotropic diffuse radiation on building energy efficiency from shading system will be assessed.

课题研究城市环境中散射辐射的各向异性特点及其对遮阳建筑表面得热的影响。以夏热冬冷、四季潮湿的发达城市为背景，通过自建小型气象台站和上海及其它地区气象数据的支持，收集到达建筑表面的散射辐射参数，分析城市的大气环境和密集的人造体表面对散射辐射特性的影响，建立建筑表面接受的散射辐射的空间、时间规律；对比分析现有的散射辐射模型的适应性和优缺点，建立该地区环境条件下比较精确的散射辐射模型；应用以上模型，建立自然条件下刚性遮阳建筑表面微环境内辐射-对流综合换热模型，研究散射辐射在不同朝向上对刚性遮阳建筑表面得热的影响，提出刚性遮阳系统的性能评价模型。

随太阳能利用技术的推广、建筑节能技术发展与气候变化，散射辐射的影响越来越显著,而国内外相关研究比较薄弱。课题在调研国内外研究成果基础上，评估现有散射辐射测试方法，在上海设计并建设了精度更高的太阳辐射测试站。基于此，分析了大气质量与天空状态等因素对总辐射数据的影响，建立适用于上海及周边地区的总辐射量计算模型，并提出空调用典型气象年构成方法的修正。然后通过大量测试数据的分析与验证，针对散射辐射的天空分布规律，提出更符合天空物理现象的四区域各向异性散射模型，结果显示，该模型更适合上海及气候特征相似区域，并为工程应用提出了简化模型。其次，深入研究了太阳辐射在遮阳翻板中的传递机理，摒弃传统遮阳翻板太阳能传递模型中“平板假设”和“漫反射假设”，将翻板表面光学性能与几何形状纳入影响因子，将太阳能传递过程分为四个部分，建立新的遮阳翻板散射辐射传递模型和总辐射模型，并编制了计算软件，经过自建实验系统验证，精度提高10%以上。第三，深入研究了遮阳建筑表面的对流换热机理，在代表性遮阳建筑的夏季典型工况实测基础上，通过带热表面的模型风洞实验与理论分析得到，遮阳翻板导致建筑表面钝体绕流的产生和发展提前，降低了建筑迎风面风速，减弱了对流换热能力。第四，根据围护结构与遮阳翻板、周围环境之间的物理关系，提出新的辐射换热角系数的模型，为更准确分析遮阳翻板建筑的热过程奠定基础。最后，对遮阳翻板建筑围护结构的热过程进行了深入研究，认为遮阳翻板可以降低建筑峰值得热，但降低了建筑外表面与周围环境、天空之间的角系数，同时考虑温度相对较高的遮阳翻板对于温度较低建筑表面的长波辐射，必然降低建筑对外的辐射散热能力，导致翻板建筑节能量的不确定性，这种不确定性还受到翻板材质、加工工艺、安装方法与运行状态等因素的影响，因此对翻板建筑的节能评价需要综合考虑这些因素。课题结论对相关领域的研究与工程应用具有重要参考与借鉴意义。