青藏铁路不冻泉站太阳辐射下墙体传热分析

摘 要

摘要：以青藏铁路不冻泉站建筑物为研究对象，计算了太阳辐射条件下不同朝向建筑墙体外表面向内侧的逐时热流密度，这部分热量利用价值较高。应充分利用太阳能对供暖系统进行合理设
摘要：以青藏铁路不冻泉站建筑物为研究对象，计算了太阳辐射条件下不同朝向建筑墙体外表面向内侧的逐时热流密度，这部分热量利用价值较高。应充分利用太阳能对供暖系统进行合理设计和制定运行方案，实现建筑节能。
关键词：青藏铁路；太阳辐射；墙体；得热量
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
    青藏铁路不冻泉站位于可可西里自然保护区内的昆仑山，海拔高达4612m，供暖室外计算温度为-21℃，供暖期为324d，冬季室外平均风速为4.8m/s，冬季通风室外计算温度为-17℃。不冻泉站地处严寒地区，冬季室外平均风速高，供暖期长，供暖期约占全年的88.8%。该地区太阳能资源丰富，太阳能年辐射量为6700MJ/(m2·a)，年均日照时间在3000h以上。太阳能可作为免费而清洁的热源[1～4]，因此对太阳辐射条件下建筑物得热量进行分析，有助于充分利用太阳能，实现建筑节能。本文对青藏铁路不冻泉站太阳辐射条件下建筑墙体传热进行分析。
2 相关计算式
    建筑墙体外表面向内侧热流密度的计算式为[5]：
    q0=qs+qr-h(T0-Ta)-qe    (1)
式中q0——墙体外表面向内侧的热流密度，W/m2
    qs——墙体外表面吸收的太阳辐射热流密度，W/m2
    qr——墙体外表面吸收的地面反射辐射热流密度，W/m2
    h——墙体外侧表面传热系数，W/(m2·K)，取23.3W/(m2·K)
    T0——墙体外表面温度，K
    Ta——室外空气温度，K
    qe——夜间墙体向环境的辐射热流密度，W/m2
   qs的计算式为：
    
式中αD、αd——墙体外表面对太阳直接辐射、天空散射辐射的吸收率，对于浅颜色外墙涂料，二者均取0.5
    E——太阳能辐射强度，W/m2，取1353W/m2
    τ——大气透明率，青藏高原一般为0.81～0.82，此处取0.82
    m——大气质量系数，采用文献[6]中经验公式进行计算
    β——太阳高度角，(°)，计算方法见文献[5]
    γ——墙体壁面对应的太阳方位角，(°)，计算方法见文献[5]
qr的计算式为：
 
式中ρ——地面的平均反射率，城市地面一般近似取0.2
   qe的计算式为：
    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-玻耳兹曼常量，5.67×10-8W/(m2·K4)
    εw——墙体外表面发射率，对于浅颜色外墙涂料，可取0.5
    εw,s——墙体外表面与天空辐射面间的辐射系统发射率，由于天空辐射面面积远大于墙体外表面面积，取εw,s=εw
    φw,s、φw,g——墙体外表面对天空、对地面的辐射角系数，对于垂直墙体，可近似取φw,s=φw,g=0.5
    Ts——天空当量温度，K
    εw,g——墙体外表面与地面间的辐射系统发射率
    Tg——地面温度，K，取Tg=Ta
    p——空气的水蒸气分压力，kPa，计算方法见文献[7]
    εg——地面发射率，对于绿色草地取0.8
3 算例分析
为了对太阳辐射条件下墙体外表面向内侧的传热量进行分析，选定墙体结构及材料热工性能参数见表1，热工性能参数满足DB 63/643—2007《青海省居住建筑节能设计标准》。墙体外表面为浅色涂料，建筑物四周为绿色草坪。墙体外表面温度采用有限差分法进行计算，并采用ANSYS计算软件对结果进行校核。墙体外表面温度计算结果与对应时刻的室外空气温度、相对湿度见图1。
 
表1 选定墙体结构及材料热工性能参数
层次(由外向内)
材料名称
厚度/mm
比定压热容/(J·kg-1·K-1)
密度/(kg·m-3)
热导率/(W·m-1·K-1)
1
耐碱玻纤网抗裂砂浆
30
837.4
1800
0.93
2
毛面挤塑聚苯板
60
32.0
25
0.03
3
加气砼砌块墙
250
1150.8
700
0.22
4
水泥砂浆
20
837.4
1800
0.93
采用式(1)～(6)计算不冻泉地区2008年9月7日8:00—19:00墙体外表面向内侧的逐时热流密度，南向、东向、西向墙体外表面向内侧的逐时热流密度见图2。
 
    墙体内外侧表面传热系数分别取8.7、23.3W/(m2·K)，根据文献[7]提供的围护结构基本耗热量及围护结构传热系数计算式，计算得出围护结构传热系数为0.3W/(m2·K)。若室内温度保持18℃，根据传统墙体供暖热负荷计算方法，得到单位面积基本耗热量为17.7W/m2。由图2可知，除了南向墙体8:00、19:00两个时刻热流密度小于17.7W/m2外，其余时刻在太阳辐射条件下3个朝向墙体外表面向内侧的热流密度均远高于单位面积基本耗热量。因此，在实际设计及运行中，应根据建筑墙体朝向及太阳辐射情况，采用合理的供暖系统运行方案，这样既能满足供热要求，又能合理地使用能源，降低运行成本。
参考文献：
[1] 马永涛，郑宗和，葛昕，等.西藏地区太阳能热泵供暖系统的性能分析[J].煤气与热力，2007，27(1)：69-70.
[2] 董呈娟，王侃宏，李保玉. 太阳能辅助地源热泵供热运行特性研究[J].煤气与热力，2006，26(9)：39-42.
[3] 郑宗和，高金水，葛昕.太阳能热泵供暖系统在西藏地区的应用[J].煤气与热力，2006，26(12)：52-54.
[4] 黄涛，赵军.太阳能热泵供暖系统的实验研究[J].煤气与热力，2007，27(8)：71-72.
[5] 彦启森，赵庆珠.建筑热过程[M].北京：中国建筑工业出版社，1986.
[6] 苏毅，万敏，胡晓阳，等.晴朗无云天空光谱辐射的近似计算模型[J].强激光与粒子束，2005，(10)：1469-1473.
[7] 贺平，孙刚.供热工程(第3版)[M].北京：中国建筑工业出版社，1993.
 
(本文作者：张云霞 孙三祥 张健 兰州交通大学 环境与市政工程学院 甘肃兰州 730070)