城市住宅建筑空調管理論文

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摘要

城市化產生熱島效應。利用CTTC（建筑群熱常數）模型對城市化后的建筑群溫度進行模擬計算，把計算結果作為室外計算溫度，對一普通住宅建筑空調負荷進行了計算，并與根據氣象臺提供的室外溫度計算出來的冷熱負荷進行比較。結果表明，夏季冷負荷受城市化影響較大，當無室內發熱量時，采用氣象臺提供的氣象數計算出的夏季冷負荷比按小區溫度計算的低10%～35%；而冬季熱負荷受城市化影響不大，二者差別不到10%。

關鍵詞：城市化空調負荷住宅建筑熱島效應

Abstract

Urbanizationcausestemperaturedifferencebetweenurbanandruralareas.UsingtheCTTCmodeltosimulatetemperatureofanurbanbuildinggroup.Thetemperaturewasusedtocalculatethecoolingheatingloadinsteadoftemperaturemeasuredatthelocalmeteorologicalstationasoutdoordesigntemperature.Itisshownforanordinaryresidentialbuildingthatthecalculatedcoolingloadisabout10to35percentwiththetemperatureofanurbanbuildinggroupthanthatwiththeoutdoortemperaturefromthelocalmeteorologicalstation.Butthedifferenceofheatingloadbetweenthemislessthan10percent.

Keywords：urbanizationcoolingloadresidentialbuildingheatislandeffect

0引言

早在公元前4世紀，人們就注意到了城市和鄉村的氣候是有差別的。19世紀，英國的賀華德（LakeHoward）對倫敦市內和郊區的氣象記錄進行對比分析，從大量資料中總結出倫敦城市氣候的特點，其中有一個著名的發現：倫敦城市中心的溫度比四周郊區高[1]。后來各國學者對不同緯度、不同類型、不同規模的城市陸續做了大量對比測試，發現了類似現象。人們把這種現象稱為"城市熱島"。

然而，我們在計算某棟建筑物的室內冷熱負荷時，使用的室外參數都是來源于建筑所在地區的一個大范圍內的氣象資料，而這些氣象資料又是由氣象人員在空曠的城市遠近郊監測而得。既然許多研究資料都已證明城區氣溫與郊區氣溫確實存在著較大的差別，那么如果在對建筑物室內冷熱負荷進行各種分析計算中把這些由氣象臺站測出的氣象數據作為城區內建筑的室外計算參數，其結果就很可能會出現偏差，并由此得出不準確甚至錯誤的結論。澳大利亞的M.M.Elnahls等對這個問題曾做過實驗和模擬，在阿德萊德地區建造了一個典型的建筑群，結果表明，冬、夏兩季建筑群內的空氣溫度都高于氣象溫度。對空調系統而言，在對室內加熱時減少10%的能耗，在供冷時增加15%的能耗。兩種算法的能耗總和（加熱+供冷）相差不多。但"這并不意味著因為相互抵消就可以忽略對空氣溫度的修正。忽略了修正溫度的影響就意味著對冷負荷估計不足，對熱負荷估計過高"[2]。因此，建筑群的"熱島效應"的確會對負荷計算造成不可忽視的影響，需要我們進一步關注和研究。

1建筑群室外溫度的模擬計算

關于建筑群內空氣溫度的模型，前人已經做了不少的研究工作。筆者在比較前人對城市氣候和建筑局部微氣候的研究方面和研究模型之后，選擇了簡明實用的CTTC模型及其系列改進模型作為研究開發的切入點。

CTTC模型把特定的地點的濕度視為幾個獨立過程溫度效應的疊加，用公式表示如下[3]：

ΔTa(t)=To+ΔTa,solar(t)-ΔTNLWR(t)

式中Ta(t)為需計算的t時刻的大氣溫度：To為基準（背景）溫度；ΔTa,solar(t)為因城市覆蓋層表面吸收太陽輻射而導致的大氣溫升；ΔTNLWR(t)為凈長波輻射吸收失熱而導致的溫度變化。正是在計算ΔTNLWR(t)時使用了CTTC模型數，可由下式進行計算：

（2）

式中t是計算時刻，m是下墊面對太陽輻射的吸收率，h是綜合換熱系數，Ipen（t）是建筑群在t時刻接受到單位面積上的平均太陽輻射照度，CTTC是建筑群熱時間常數。

斯沃德（HannaSwaid）和霍夫曼（MiloE.Hoffman）按理論公式計算出ΔTa,solar(t)和ΔTNLWR(t)，并經實驗測出當ΔTa,solar(t)為晝夜最小值時的空氣溫度Ta(t)，則由式（1）可計算出To。他們發現同一個城市不同建筑群的基準溫度值很接近，誤差不超過0.5℃，且與鄉村日平均空氣溫度相等。

1997年，艾那漢斯（M.M.Elnahls）和威利斯姆森（T.J.Willismoson）在CTTC模型基礎上提出了改進的CTTC模型，其計算空氣溫度的思路與CTTC模型完全一致。改進模型將通常位于市郊的氣象站測量的逐時氣溫作為輸入溫度，而不是把鄉村的日平均氣溫和為輸入溫度計。通過比較氣象站和待計算建筑群的建筑幾何特征、規劃、熱量排放等因素造成的熱量收支差異，計算這些差異給這兩種下墊面上方空氣溫度帶來的差別，通過氣象站的實測溫度以及計算的溫度差別就可以得到待計算建筑群處的空氣溫度。用公式表示如下[2]：

Ta（t）urb=Tb+ΔTsol(t)urb-ΔTlw（t）urb(3)

Ta（t）net=Tb+ΔTsol(t)met-ΔTlw（t）met(4)

則有

ΔTa（t）urb=Ta（t）net+[ΔTsol(t)urb-ΔTsol(t)met]-[ΔTlw（t）urb-ΔTlw（t）met](5)

式中：Ta（t）urb是建筑群處在t時刻的空氣溫度；Ta（t）net是氣象站在t時刻測量的空氣溫度；Tb是基準溫度；ΔTsol(t)urb是建筑群因吸收太陽；而導致的空氣溫度變化；ΔTsol(t)met是氣象站因吸收太陽輻射而導致的空氣溫度變化；ΔTlw（t）urb是建筑群因天空長波輻射而導致的空氣溫度變化；ΔTlw（t）met是氣象站因天空長波輻射而導致的空氣溫度變化。

基于改進的CTTC算法模型，筆者編制了CTE（clusterthermalenvironment）計算程序，考慮了太陽輻射、風、小區規劃和單體建筑等對小區室外熱環境的影響，從整體的、動態的角度來預測和分析實際建筑群的溫度環境[4]。

2.負荷計算

選取一個典型的住宅小區建筑群來進行負荷計算，該建筑群由9棟（3排3列）5層的建筑組成，綠化率為0.3。

模擬計算結果見圖1,2。從圖中可以看出，利用CTE程序計算得到的小區室外空氣溫度和氣象站空氣溫度存在明顯的差別。

圖1夏季小區計算溫度和氣象站溫度的比較

圖2冬季小區計算溫度和氣象站溫度的比較

選取該建筑群中的3個房間進行負荷計算，這3個房間分界位于建筑的南、東北角和東南角，且均在建筑的3層，如圖3所示。

圖3計算房間示意圖

建造外墻為37磚墻，每個計算房間有一扇外窗，位于房間的南側或北側，雙層鋼窗，無內外遮陽。室內發熱設備為計算機和燈光照明，人員為1人。夏季室內設定溫度為27℃，冬季室內設定溫度為18℃，換氣次數為2h-1。按照常規的冷、熱負荷計算方法，分別將氣象站提供的計算溫度和用CTE程度計算出來的小區空氣溫度作為室外計算溫度來計算室內負荷。

圖4是夏季逐時冷負荷計算結果。

圖4夏季逐時冷負荷計算結果

從圖4中可以看出，以小區計算溫度和氣象站提供的設計室外溫度來計算室內負荷，不同方位的房間負荷都有差別。這種差別隨時間的不同而不同，在本例中約占總負荷的10%～35%。

圖5可以更清楚地反映因室外計算溫度不同而帶來的冷負荷的逐時差異?？疾炖湄摵傻慕M成可以看出，室外溫度對冷負荷的影響主要體現在三方面：通過窗玻璃的傳熱、通過外墻的傳熱和新風負荷。當室內外溫度接近的時候，室外溫度對這3項負荷會產生很大的影響。在本例中考慮熱島效應后圍護結構的傳熱負荷是原來的1.2～1.5倍，而新風負荷受室外溫度的影響更明顯，甚至負荷正負都可能相反，在新風負荷最大的瞬時考慮熱島效應后新風負荷是原來的1.2倍。

圖5室外計算溫度不同而帶來的冷負荷的差異

圖6和圖7是本例計算房間無內熱源情況下的計算結果，它們反映了建筑群本身對室內負荷的影響。從計算結果來看，在不考慮房間內熱源的情況下，由于室外計算溫度不同而導致的室內冷負荷的差異一般在20%～50%之間，夜間最大時甚至能夠達到70%。

圖6計算房間無內熱源時夏季逐時冷負荷計算結果

圖7計算房間無內熱源時不同朝向夏季冷負荷的差異

同理可能計算不同室外氣溫參數對冬季的室內熱負荷造成的差別。計算結果表明，室外溫度不同導致的熱負荷差別不到10%。這是因為冬季室內外溫差本來就比較大，建筑群和氣象站之間的溫差相比較而言僅占一小部分。

上述結果是針對一具體建筑得到的，對于不同城市、不同布局的住宅建筑會存在著差異，即夏季冷負荷和冬季熱負荷的變化比例會有所有同。但總體而言，城市化的程度越高，熱島現象越顯著，用氣象站資料得到的夏季空調負荷值與實際的偏差越大。

3結論

從以上的計算結果和分析中可以看出，由于夏季室內外溫差較小，城市熱島效應造成的溫升可能對室內負荷計算造成較大的影響。這種影響在冷負荷主要以外圍護結構傳熱和新風為主的民用建筑中是不可忽略的。冬季由于熱島效應帶來的溫差相對室內外溫差而言較小，因此在計算熱負荷時可以忽略。

以上的計算和分析是針對住宅建筑進行的，同樣也適用于對商業建筑的分析。但由于商用建筑的空調負荷組成中圍護結構和新風部分所占比例不大，所以城市化對室內負荷的影響不是太明顯。

隨著城市化進程的加快，城市的日益發展，熱必會使城市熱島效應愈加顯著。美國、日本和我國上海等城市連年的實測資料表明[5]：在郊區空氣溫度幾乎不變甚至下降的情況下，城市內的氣溫卻逐年升高。因此，在進行城市建筑的空調設計時應將氣象資料進行修正。本文提出的修正的CTTC模型是一種簡單、行之有效的修正方法，可以作為大中型城市建筑空調設計的一個參考。

參考文獻

1HemutELandsberg.都市氣候學，鄭師中，譯，臺灣：世界圖書出版公司，1990.

2ElnahlsMM,WilliamsonTJ.AnimprovementoftheCTTCmodelforpredictingurbanairtemperatures.EnergyandBuildings,1997,25(1):41-49.

3HannaSwaid,MiloEHoffman.PredictionofurbanairtemperaturevariationsusingtheanalyticalCTTCmodel.EnergyandBuildings,199014(4):313-324.

4李瑩，建筑群及單棟建筑周圍空氣溫度的理論和實驗研究：[碩士學位論文]。北京，清華大學，2000

5周淑貞，束炯，城市氣候學，北京：氣象出版社，1994.