青藏鐵路不凍泉站太陽輻射下墻體傳熱分析

摘 要

摘要：以青藏鐵路不凍泉站建筑物為研究對象，計算了太陽輻射條件下不同朝向建筑墻體外表面向內側的逐時熱流密度，這部分熱量利用價值較高。應充分利用太陽能對供暖系統(tǒng)進行合理設
摘要：以青藏鐵路不凍泉站建筑物為研究對象，計算了太陽輻射條件下不同朝向建筑墻體外表面向內側的逐時熱流密度，這部分熱量利用價值較高。應充分利用太陽能對供暖系統(tǒng)進行合理設計和制定運行方案，實現建筑節(jié)能。
關鍵詞：青藏鐵路；太陽輻射；墻體；得熱量
Analysis on Heat Transfer through Walls in Budongquan Station of Qinghai-Tibet Railway under Solar Radiation
ZHANG Yun-xia，SUN San-xiang，ZHANG Jian
Abstract：Taking buildings in Budongquan station of Qinghai-Tibet railway for research objects，the hourly heat flow density from outside to inside of building walls with different orientations under solar radiation is calculated. This part of heat has a high utility value. The solar energy should be fully used in reasonable design of heating system and establishing the operation scheme to achieve building energy saving.
Key words：Qinghai-Tibet railway；solar radiation；wall；heat gain
1 概述
    青藏鐵路不凍泉站位于可可西里自然保護區(qū)內的昆侖山，海拔高達4612m，供暖室外計算溫度為-21℃，供暖期為324d，冬季室外平均風速為4.8m/s，冬季通風室外計算溫度為-17℃。不凍泉站地處嚴寒地區(qū)，冬季室外平均風速高，供暖期長，供暖期約占全年的88.8%。該地區(qū)太陽能資源豐富，太陽能年輻射量為6700MJ/(m2·a)，年均日照時間在3000h以上。太陽能可作為免費而清潔的熱源[1～4]，因此對太陽輻射條件下建筑物得熱量進行分析，有助于充分利用太陽能，實現建筑節(jié)能。本文對青藏鐵路不凍泉站太陽輻射條件下建筑墻體傳熱進行分析。
2 相關計算式
    建筑墻體外表面向內側熱流密度的計算式為[5]：
    q0=qs+qr-h(T0-Ta)-qe    (1)
式中q0——墻體外表面向內側的熱流密度，W/m2
    qs——墻體外表面吸收的太陽輻射熱流密度，W/m2
    qr——墻體外表面吸收的地面反射輻射熱流密度，W/m2
    h——墻體外側表面?zhèn)鳠嵯禂担琖/(m2·K)，取23.3W/(m2·K)
    T0——墻體外表面溫度，K
    Ta——室外空氣溫度，K
    qe——夜間墻體向環(huán)境的輻射熱流密度，W/m2
   qs的計算式為：
    
式中αD、αd——墻體外表面對太陽直接輻射、天空散射輻射的吸收率，對于淺顏色外墻涂料，二者均取0.5
    E——太陽能輻射強度，W/m2，取1353W/m2
    τ——大氣透明率，青藏高原一般為0.81～0.82，此處取0.82
    m——大氣質量系數，采用文獻[6]中經驗公式進行計算
    β——太陽高度角，(°)，計算方法見文獻[5]
    γ——墻體壁面對應的太陽方位角，(°)，計算方法見文獻[5]
qr的計算式為：
 
式中ρ——地面的平均反射率，城市地面一般近似取0.2
   qe的計算式為：
    qe=σεwTa4-σεw,sφw,sTs4-σεw,gφw,gTg4   (4)
    Ts=Ta(0.51+0.208pO.5)0.25                (5)
    εw,g=εwεg   (6)
式中σ——斯忒藩-玻耳茲曼常量，5.67×10-8W/(m2·K4)
    εw——墻體外表面發(fā)射率，對于淺顏色外墻涂料，可取0.5
    εw,s——墻體外表面與天空輻射面間的輻射系統(tǒng)發(fā)射率，由于天空輻射面面積遠大于墻體外表面面積，取εw,s=εw
    φw,s、φw,g——墻體外表面對天空、對地面的輻射角系數，對于垂直墻體，可近似取φw,s=φw,g=0.5
    Ts——天空當量溫度，K
    εw,g——墻體外表面與地面間的輻射系統(tǒng)發(fā)射率
    Tg——地面溫度，K，取Tg=Ta
    p——空氣的水蒸氣分壓力，kPa，計算方法見文獻[7]
    εg——地面發(fā)射率，對于綠色草地取0.8
3 算例分析
為了對太陽輻射條件下墻體外表面向內側的傳熱量進行分析，選定墻體結構及材料熱工性能參數見表1，熱工性能參數滿足DB 63/643—2007《青海省居住建筑節(jié)能設計標準》。墻體外表面為淺色涂料，建筑物四周為綠色草坪。墻體外表面溫度采用有限差分法進行計算，并采用ANSYS計算軟件對結果進行校核。墻體外表面溫度計算結果與對應時刻的室外空氣溫度、相對濕度見圖1。
 
表1 選定墻體結構及材料熱工性能參數
層次(由外向內)
材料名稱
厚度/mm
比定壓熱容/(J·kg-1·K-1)
密度/(kg·m-3)
熱導率/(W·m-1·K-1)
1
耐堿玻纖網抗裂砂漿
30
837.4
1800
0.93
2
毛面擠塑聚苯板
60
32.0
25
0.03
3
加氣砼砌塊墻
250
1150.8
700
0.22
4
水泥砂漿
20
837.4
1800
0.93
采用式(1)～(6)計算不凍泉地區(qū)2008年9月7日8:00—19:00墻體外表面向內側的逐時熱流密度，南向、東向、西向墻體外表面向內側的逐時熱流密度見圖2。
 
    墻體內外側表面?zhèn)鳠嵯禂捣謩e取8.7、23.3W/(m2·K)，根據文獻[7]提供的圍護結構基本耗熱量及圍護結構傳熱系數計算式，計算得出圍護結構傳熱系數為0.3W/(m2·K)。若室內溫度保持18℃，根據傳統(tǒng)墻體供暖熱負荷計算方法，得到單位面積基本耗熱量為17.7W/m2。由圖2可知，除了南向墻體8:00、19:00兩個時刻熱流密度小于17.7W/m2外，其余時刻在太陽輻射條件下3個朝向墻體外表面向內側的熱流密度均遠高于單位面積基本耗熱量。因此，在實際設計及運行中，應根據建筑墻體朝向及太陽輻射情況，采用合理的供暖系統(tǒng)運行方案，這樣既能滿足供熱要求，又能合理地使用能源，降低運行成本。
參考文獻：
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[2] 董呈娟，王侃宏，李保玉. 太陽能輔助地源熱泵供熱運行特性研究[J].煤氣與熱力，2006，26(9)：39-42.
[3] 鄭宗和，高金水，葛昕.太陽能熱泵供暖系統(tǒng)在西藏地區(qū)的應用[J].煤氣與熱力，2006，26(12)：52-54.
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[5] 彥啟森，趙慶珠.建筑熱過程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1986.
[6] 蘇毅，萬敏，胡曉陽，等.晴朗無云天空光譜輻射的近似計算模型[J].強激光與粒子束，2005，(10)：1469-1473.
[7] 賀平，孫剛.供熱工程(第3版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993.
 
(本文作者：張云霞 孫三祥 張健 蘭州交通大學 環(huán)境與市政工程學院 甘肅蘭州 730070)