2017, Vol. 36
2. 同济大学 建筑与城市规划学院，上海 200092
2. College of Architecture and Urban Planning, Tongji University, Shanghai 200092, China
建筑外部热环境不仅与建筑内环境相互作用进而影响空调系统的负荷，而且还在一定程度上影响了诸如自然通风等被动式建筑节能技术的应用.对此，国内外部分学者对实际建筑外部的太阳辐射强度、风速风向以及建筑表面温度等热环境参数进行测量[1-3]，以得到不同季节条件下建筑不同位置的热环境情况，为建筑负荷能耗计算、舒适度分析等研究提供必要的依据.
作为一种能有效减少空调系统负荷的被动式节能技术，可调式的百叶遮阳翻板能够有效地减少围护结构壁面所接收的太阳辐射[4-6]，并且也将影响建筑表面的气流分布情况[7]，进而影响围护结构表面的对流换热强度以及建筑窗洞的自然通风；同时，翻板的设置还将改变建筑与周边环境间的长波辐射换热情况.因此，遮阳翻板的使用将会对建筑围护结构的表面温度分布情况产生影响，进而影响建筑周边的热环境，但目前并没有针对于该影响结果的实测研究和分析.据此，本文对上海市一栋设置翻板的典型建筑在不同翻板角度下表面温度的分布情况进行实测，并与未设置翻板的围护结构表面温度情况进行对比，旨在探究夏季晴日条件下，翻板对建筑围护结构外表面温度分布情况的影响，为翻板-围护结构系统传热过程的研究提供实测依据.
1 实测概况 1.1 实测对象本文实测对象为上海市同济大学明成楼.该建筑位于上海市杨浦区同济大学四平路校区东北角，其层高约3.4 m，西侧主楼共4层(教学楼)，东侧附楼共3层(办公楼)，建筑朝向为南偏西约20°，其周边环境如图 1所示，其与周边的文远楼、能源楼等建筑构成了较典型的建筑街谷.明成楼始建于1985年，历经数次改造，现其主楼南立面二层及其以上设有梭形百叶遮阳翻板，而附楼南立面则不设外遮阳(见图 2和图 3)，故实测研究主要围绕明成楼南立面进行.明成楼主楼和附楼为框架结构建筑，外墙厚约210 mm，外立面为深红色饰面砖，外窗构造为6+12A+6(6 mm普通白玻璃+12 mm中空空气层+6 mm普通白玻璃)加断热铝合金窗框结构，窗台高约1 m.主楼南立面所设百叶翻板为铝合金材质，表面氟碳喷涂处理，其宽约350 mm，翻板之间的间距约为360 mm，其离外墙表面的安装距离约为700 mm，如图 4所示.翻板角度φ以水平时为0°，顺时针转动为正值，逆时针转动为负值.
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图 1 明成楼及其周边建筑情况 Fig.1 Mingcheng Building and its surroundings |
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图 2 明成楼主楼西南立面实景 Fig.2 Southwest façade of the main building |
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图 3 明成楼附楼西南立面实景 Fig.3 Southwest façade of the wing building |
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图 4 明成楼主楼遮阳翻板设置情况示意图 Fig.4 Geometry of the blinds attached to the main building |
本文着重对明成楼主楼和附楼西南立面翻板和围护结构系统表面的温度情况进行实测，辅以室外气温和水平面太阳辐射强度的测量，用以得出在典型夏季晴日条件下，遮阳翻板对围护结构表面温度分布情况的影响.在此，定义遮阳翻板面向室外环境的表面为阳面，而面向建筑围护结构的一面为阴面(见图 4)，则表面温度测点分布情况如图 5所示，其中遮阳翻板阳面和阴面的定性温度测点位于翻板延宽度方向上的中心点，外墙和外窗的测点位于与所测翻板等高的立面上.室外气温测点位于明成楼以南室外1.5 m高背阴处，水平面太阳辐射强度测点则位于明成楼主楼屋面.同时，实测研究还将对遮阳翻板内外表面进行红外热成像图像采集，以分析翻板表面的温度分布情况，其图像采集点位于主楼3层(见图 5).实测采用的仪器主要为表面温度探头，其中翻板和围护结构表面温度测量采用天建华仪WZYW-1型热电阻温度探头，测量范围为-20~80 ℃，测量不确定度为±0.3 ℃，记录间隔为30 min；室外气温测量采用天建华仪WSZY型温湿度自记仪，其测温范围为-40~100 ℃，温度测量不确定度为±0.3 ℃，记录间隔为30 min；水平面太阳辐射强度测点位于所测建筑屋面中心，采用法国KIMO公司SL-200型太阳辐照度计进行测量，其测量准确度为5%，测量间隔为30 min.同时，每隔60 min对遮阳翻板使用美国FLIRB400型红外热成像仪进行图像采集.
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图 5 明成楼主楼测点设置情况示意图 Fig.5 Arrangement of measuring point on the main building |
对所选建筑的实测从7月中旬起至8月上旬截止，实测期间对翻板角度φ处于30°、45°和60°工况下对围护结构-翻板体系的表面温度情况和室外气象参数进行了数天的测量，由于翻板的隔热作用主要体现在夏季晴日，因此在每种工况中择选出较为典型的夏季晴日工况进行分析.
2.1 室外参数3种工况所选晴日当天室外干球温度和水平面太阳辐照度的逐时变化数据与CSWD(中国建筑热环境分析专用气象数据集)[8]数据中上海地区典型年7月某晴日气象参数的对比情况如图 6和图 7所示.同时，该地区(杨浦区)气象站公布数据显示，所测3 d的平均风力均为2~4级.
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图 6 实测工况与典型年7月晴日室外逐时干球温度对比 Fig.6 Comparison of air temperature between measurement and CSWD |
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图 7 实测工况与典型年夏季晴日水平面逐时太阳辐照度对比 Fig.7 Comparison of solar radiation between measurement and CSWD |
从图 6和图 7中可得出，3种工况实测当天的晴日室外干球温度和水平面太阳辐射强度的逐时变化情况与典型年夏季晴日基本相近.室外干球温度的峰值均出现在午后(14:00~15:00间)，室外最高气温均在34 ℃左右；水平面太阳辐射强度峰值则出现在正午时分(12:00左右)，同时其峰值约在950 W·m-2以上.因此，可认为3种实测工况为较为典型的夏季晴日工况.
2.2 翻板表面的温度分布当遮阳翻板处于不同角度时，其可能被太阳直射辐射覆盖的部位也不尽相同；同时，翻板不同部位的天空角系数也有一定差异，其所接收的散射辐射也不相同；因此翻板表面的温度分布也将有所差异.对此，本文对所选3个晴日当天15:00时(此时室外气温接近最高值，太阳辐射强度也相对较强，翻板表面的温度差异也较大)翻板表面的红外热图像进行定点取样采集，采集位置见图 5，其图像采集分析方法和分析结果如图 8和表 1所示.取样时外窗保持全开状态，拍摄镜头垂直于水平面，将翻板分别旋转至+90°(取阴面图像)和-90°(取阳面图像)进行拍摄.为对比分析翻板表面内外侧温度差异情况，本文将红外图像中的翻板图像划分为若干部分，取其中的3个部分分别代表翻板表面的外侧、中部和内侧区域.如图 8所示.当处理翻板阴面图像时，处于上部的区域① 代表阴面内侧，区域② 代表阴面中部，区域③ 代表阴面外侧；当处理翻板阳面图像时，上部的区域① 则代表阳面外侧，区域② 代表阳面中部，区域③ 代表阳面内侧.区域①、② 和③ 的长度为图像中的翻板长度(通常横贯整个图像)，宽度为翻板显示宽度的1/5.
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图 8 遮阳翻板阴阳面红外成像取样示意图 Fig.8 Method to photograph infrared image of louver blinds' sunside and shadedside |
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下载CSV 表 1 翻板表面红外成像取样分析结果 Tab.1 Result for infrared imaging of louver blind |
从表 1可得出，当翻板处于30°时，翻板表面太阳辐射强度的分布不均引起了一定的表面温度分布差异，其翻板阳面内外侧表面温度相差约为4.5 ℃，而阴面的内外侧表面温度相差约为4.2 ℃；而当翻板角度变化至45°时，翻板表面内外侧的温度分布差异有所减小，其阳面内外侧表面温度差异减小到约3.2 ℃，阴面的内外侧温度差异减小至约2.9 ℃；当翻板角度增大至60°时，翻板表面的温度分布差异进一步减小，如表 1所示，翻板阳面的内外侧温度差异减小至1.7 ℃，而阴面内外侧温度差异则减小至只有约1.5 ℃.
从表 1中还可得出，中部区域的表面温度测点在15:00左右时，与翻板表面外侧和内侧可能存在0.4~2.4 ℃左右的温度差异，中部区域的温度能够反映翻板表面的平均温度情况.因此，将翻板表面温度测点设置在宽度方向的中心区域，以此作为翻板表面的定性温度具有合理性.
另一方面，从表 1中还可得出在晴日条件下，翻板的阳面和阴面也具有一定的温度差异.在同一位置(内侧或外侧)阳面和阴面的温度差异在最大时能够达到2.0 ℃，而最小时仅有0.9 ℃.可见，由于遮阳翻板本身蓄热能力较弱且导热系数较大，遮阳翻板阳面和阴面的温度差异要远比围护结构被直射面和未被直射面的差异要小得多.
2.3 翻板和围护结构表面的温度分布翻板遮阳的使用减少了建筑围护结构表面所得的太阳辐射，但相对而言吸收了太阳辐射后的翻板则又作为建筑附近的热源，阻碍围护结构表面的散热.因此，翻板-围护结构体系表面的温度分布情况决定了夏季翻板对于围护结构表面散热(包括对流换热和长波辐射换热等)的影响程度.考虑到3种工况实测晴日的室外气温略有差异，表面温度情况在一定程度上受到室外空气干球温度的影响，直接列出表面温度分布进行分析可能会受到气温差异的影响.另一方面，表面换热强度(特别是对流换热强度)的重要影响因素之一即为表面温度与空气间的温差，因此，在已给出3种工况测试当天室外气温逐时变化情况下，在此列出翻板-围护结构系统中各表面与室外空气干球温度之差，以此来衡量翻板对围护结构表面温度分布情况的影响，见图 9~11.
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图 9 φ=30°工况翻板-围护结构系统各测点表面温度逐时变化情况 Fig.9 Hourly temperature distribution of façade and louver blinds on a clear summer day at φ=30° |
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图 10 φ=45°工况翻板-围护结构系统各测点表面温度逐时变化情况 Fig.10 Hourly temperature distribution of façade and louver blinds on a clear summer day at φ=45° |
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图 11 φ=60°工况翻板-围护结构系统各测点表面温度逐时变化情况 Fig.11 Hourly temperature distribution of façade and louver blinds on a clear summer day at φ=60° |
图 9a、b、图 10a、b及图 11a、b反映了翻板阴面和阳面表面定性温度(中部区域温度)的逐时变化情况.从图中可得出，3种角度下翻板阴阳两面均在10:30后，即被太阳直射辐射照射后(上海地区7中旬至8月上旬的太阳方位角在北京时间10:30左右过后会小于70°，直射辐射能够投射到南偏西20°的被测立面上)，会与空气温度逐渐拉开加大的温差.其中阳面的定性温度最大能够高于室外气温12~14 ℃(15:00~15:30左右，温差随角度增大而增大)，即高于其对应的围护结构表面约10~12 ℃；阴面的定性温度最大也能够高于室外气温10~12 ℃(同样在15:00~15:30左右，随角度增大温差增大)，即高于其对应围护结构表面约8~10 ℃.因此，翻板与围护结构之间的最大的平均温差将达到10 ℃左右.此外，从图中还可得出，翻板阴阳两面的定性温度具有一定差异，且最大温差一般而言出现在定性温度最高时(约15:00~15:30)，该温差最大能够达到约2 ℃，这也与2.2节中红外图像的分析结果接近.
图 9c、图 10c及图 11c反映了夏季晴日条件下，无翻板的外墙表面和设置翻板后的外墙表面温度的差异情况.从图中可得出，相同墙体构造下，南向未设置翻板的外墙(附楼2层)表面温度在10:00~11：00后将迅速上升，其与空气间的最大温差能达到约12 ℃(约出现在15:00~15:30左右)；而未设置翻板外墙表面(主楼2~4层)的温度相对而言则要低出很多，在15:00~15:30左右时仅高于室外空气温度0.4~2.0 ℃左右，即与未设置翻板的外墙表面(西侧各层表面)存在着10 ℃左右的最大温差.
图 9d、图 10d及图 11d反映了夏季晴日下，有遮阳翻板(主楼)和无遮阳翻板(附楼)的外窗玻璃表面的温度差异，其显示出与外墙表面相类似的规律.虽然玻璃对于太阳辐射有着较高的透过率，但由于玻璃的蓄热能力不强，且导热性能较好，故在白天其表面温度均要高于其对应位置的外墙表面温度.从图中可得出，未设置翻板的南向外窗玻璃外表面温度与室外气温的最大差异能够达到7.5 ℃(出现于15:00~15:30左右)，而设置翻板后的外窗玻璃表面在此时则仅能高出室外空气0.2~2.0 ℃，设置翻板前后的玻璃表面温度差异明显.
对比图 9~11中不同楼层测点的测量结果还可得出，翻板-围护结构系统的表面温度随着高度的增加有逐渐增高的趋势.但这种差异(同时刻最大温差不超过2 ℃)远不及翻板和围护结构之间的温差，故此可以用整个立面的平均温度表征围护结构和翻板表面的定性温度.
3 实测结果分析从实测结果中可得出，在夏季晴日白天设置翻板后，围护结构表面的温度将明显低于未设置翻板围护结构的表面温度.同时，翻板表面将会比围护结构表面的温度高出一定温度，其在最高时，二者表面的温差能达到约8~14 ℃.而表面温度的变化将在一定程度上改变围护结构表面的换热情况(主要是对流换热情况和长波辐射换热情况).以围护结构外表面热平衡方程为基础进行分析，对于没有设置翻板的围护结构外表面而言其计算式如下[9]：
| ${q_{\rm{s}}} + {q_{\rm{r}}} + {q_{\rm{b}}} + {q_{\rm{g}}} = {q_0} + {q_{{\rm{ca}}}} + {q_{{\rm{ra}}}}$ | (1) |
式中：qs为围护结构外表面吸收的太阳辐射得热，W·m-2；qr为围护结构外表面吸收的地面反射辐射得热，W·m-2；qb为围护结构外表面吸收的大气长波辐射得热，W·m-2；qg为围护结构外表面吸收的地面长波辐射得热，W·m-2；q0为围护结构外表面向内表面传递的热量，W·m-2；qca为围护结构外表面与室外空气间的对流换热量，W·m-2；qra为围护结构外表面的热辐射力强度，W·m-2.等号左侧为围护结构外表面的得热，而等号右侧为得热的分配.在处理外表面换热时，通常来说将qb、qg和qra相结合作为围护结构表面的净长波辐射换热量处理，即
| $\begin{array}{l} {q_{{\rm{ra,n}}}} = {q_{{\rm{ra}}}} - {q_{\rm{b}}} - {q_{\rm{g}}} = \\ \quad \quad \quad {C_{{\rm{b}}{\varepsilon _{{\rm{sur,b}}}}{\varphi _{{\rm{sur,b}}}}}}\left[ {{{\left( {\frac{{{T_{{\rm{sur}}}}}}{{100}}} \right)}^4} - {{\left( {\frac{{{T_{\rm{b}}}}}{{100}}} \right)}^4}} \right] + \\ \quad \quad \quad {C_{{\rm{b}}{\varepsilon _{{\rm{sur,g}}}}{\varphi _{{\rm{sur,g}}}}}}\left[ {{{\left( {\frac{{{T_{{\rm{sur}}}}}}{{100}}} \right)}^4} - {{\left( {\frac{{{T_{\rm{g}}}}}{{100}}} \right)}^4}} \right] \end{array}$ | (2) |
式中:qra, n为围护结构表面的净长波辐射换热量，W·m-2；Cb为黑体辐射常数，即5.67 W·m-2·K-4；εsur, b和εsur, g分别为围护结构与天空和地面间的系统黑度；φsur, b和φsur, g分别为围护结构与天空和地面间的角系数；Tsur、Tb和Tg分别为围护结构表面温度、天空当量温度和地面有效温度，K.在围护结构热工过程计算中，Tb通常而言将低于室外空气温度[10]，而Tg取与室外空气温度相等[11]，而实测结果显示未设置翻板时围护结构表面温度在夏季晴日均明显高于室外气温(外墙外表面与室外气温最大温差可达约14 ℃，外窗玻璃外表面与室外空气最大温差可达7~8 ℃).因此未设置翻板时，qra, n应为正值，即围护结构与环境间的长波辐射换热结果是散热.
而对于围护结构与室外空气间的对流换热，通常是通过以下公式计算：
| ${q_{{\rm{ca}}}} = {h_{\rm{c}}}({T_{{\rm{sur}}}} - {T_{{\rm{air}}}})$ | (3) |
式中:Tair为室外空气干球温度，K；hc为围护结构外表面对流换热系数，W·m-2·K-1.通常与室外特征风速直接相关[10-11].由实测结果可得出，由于夏季晴日未设置翻板的围护结构与空气间有较大的温差，因此qca值也应为正，即与空气间对流换热的结果也为散热.
从式(1)~(3) 中可看出，围护结构表面温度主要影响了其外表面的对流换热和长波辐射换热过程.而在设置翻板后，首先围护结构外表面换热情况将发生变化，热平衡方程变为
| $q_{\rm{s}}^\prime + q_{\rm{r}}^\prime + q_{\rm{b}}^\prime + q_{\rm{g}}^\prime + {q_1} = q_0^\prime + q_{{\rm{ca}}}^\prime + q_{{\rm{ra}}}^\prime $ | (4) |
式中:ql为围护结构外表面吸收翻板散发的长波辐射得热；上标“′”表示设置遮阳翻板后所对应的量符号.净长波辐射换热量的计算也相应变为
| $\begin{array}{l} q_{{\rm{ra,n}}}^\prime = q_{{\rm{ra}}}^\prime - q_{\rm{b}}^\prime - q_{\rm{g}}^\prime - {q_1} = \\ \quad \quad \quad {C_{{\rm{b}}{\varepsilon _{{\rm{sur,b}}}}\varphi _{{\rm{sur,b}}}^\prime }}\left[ {{{\left( {\frac{{T_{{\rm{sur}}}^\prime }}{{100}}} \right)}^4} - {{\left( {\frac{{T_{\rm{b}}^\prime }}{{100}}} \right)}^4}} \right] + \\ \quad \quad \quad {C_{{\rm{b}}{\varepsilon _{{\rm{sur,g}}}}\varphi _{{\rm{sur,g}}}^\prime }}\left[ {{{\left( {\frac{{T_{{\rm{sur}}}^\prime }}{{100}}} \right)}^4} - {{\left( {\frac{{T_{\rm{g}}^\prime }}{{100}}} \right)}^4}} \right]\\ \quad \quad \quad {C_{{\rm{b}}{\varepsilon _{{\rm{sur,1}}}}{\varphi _{{\rm{sur,1}}}}}}\left[ {{{\left( {\frac{{T_{{\rm{sur}}}^\prime }}{{100}}} \right)}^4} - {{\left( {\frac{{{T_1}}}{{100}}} \right)}^4}} \right] \end{array}$ | (5) |
式中:εsur, l为围护结构与翻板间的系统黑度；φsur, l为围护结构与翻板间的角系数；Tl为翻板表面温度，K；上标“′”意义同前.根据实测结果，设置翻板后，Tsur′明显降低(与空气间的最大温差仅为2~3 ℃左右)，甚至有低于空气温度的时段，而Tl则是在晴日白天一直高于Tsur′；同时，高温的遮阳翻板通常设置位置都接近围护结构外立面，这使得φsur, l较大，相对低温的天空和地面角系数φsur, b′和φsur, g′将明显小于设置翻板前的φsur, b和φsur, g.两方面因素的影响导致围护结构表面的净长波辐射散热强度大幅降低，甚至可能从散热变成得热.而在目前的负荷和能耗计算模型中，翻板遮阳对围护结构表面长波辐射换热的影响并没有引起足够重视：部分模型中用以描述翻板和围护结构之间角系数关系的物理模型过于简单[12-17]；部分模型甚至没有详细计算这部分的换热情况[18].因此，对描述翻板-围护结构系统长波辐射传热过程的模型进行改进和补充显得尤为重要.
同理，设置翻板后，由于围护结构表面与室外空气间温差的大幅减少，对流换热强度也将削弱，qca′将减小，甚至在部分时段变为负值(空气温度高于围护结构壁面温度).另一方面，翻板设置后，围护结构表面与空气间的温差降低，由于该温差形成的围护结构表面贴附气流的强度也将减小；同时，翻板表面的高温将使得其表面由于自然对流而形成贴附气流，因而翻板和围护结构表面温度变化将使得围护结构近壁面的气流分布情况发生改变，原有的hc计算公式可能将不再适用.而目前的建筑热过程模型中，并没有对这部分的变化加以充分的描述[15-18].
综上所述，翻板的设置改变了围护结构表面的温度分布，进而影响了其表面的对流换热和长波辐射换热过程.从结果来看，二者的强度与未设置翻板的围护结构相比将有明显的减弱，甚至可能使其效应从散热变为得热.而现有的建筑热过程计算模型中，对于翻板和围护结构表面的长波辐射换热和对流换热过程的描述均过于简略，对二者的补充和完善显得尤为必要.
4 结论对于建筑而言，翻板遮阳的设置不仅遮蔽了绝大部分的太阳辐射，而且还影响了围护结构周边的气流情况，改变了建筑周边的长波辐射热环境，进而使得围护结构外表面的传热过程产生变化.本文测量了在夏季晴日，由于该表面传热过程变化而产生的翻板-围护结构系统表面的温度分布情况，并与相同情况下未设置翻板的围护结构进行比较，得出以下主要结论：
(1) 翻板表面由于内外受热不均，其表面内外侧与阴阳面都会产生一定的温度差异.在太阳辐射水平较高，翻板表面温度也较高的下午(约15:00~15:30)，内外侧的温度差异最大达到4.5 ℃，最小则为1.5 ℃，并且该温度差异随着翻板角度的增大而逐渐减小.此时，相同位置阴阳面的温差最大约为2 ℃.
(2) 在所测立面能够接收到被太阳直射辐射后(10:30过后)，翻板表面的温度将明显高于其对应的围护结构表面的温度，其平均温差最高达到10 ℃左右.
(3) 设置翻板后的围护结构表面温度在夏季晴日的白天明显低于未设置翻板的围护结构表面.对于外墙而言，在其表面温度最高的时刻(约15:00~15:30)，设置翻板的外墙外表面温度会比未设置翻板的外墙外表面温度低约10~12 ℃；对于外窗玻璃而言，设置翻板的外窗玻璃则会比未设置翻板的玻璃表面温度低约5~7 ℃.
(4) 翻板设置引起的表面温度变化将明显地影响围护结构外表面的对流换热和长波辐射换热.从结果上来看，二者的散热效应减弱、甚至变为得热.而当前建筑热过程模型中对翻板设置后，二者情况的描述较为简化.因此，后续研究将以此次实测为数据基础，对翻板设置后，围护结构表面对流换热和长波辐射换热的具体情况进行研究.
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