不同气象条件下膜结构建筑室内热环境实验研究

西安建筑科技大学 建筑设备科学与工程学院  王欢，仝易麟，樊越胜，田国记，高明辰，王云朋 

       【摘 要】膜结构建筑广泛应用于临时建筑、工业厂房及大型场馆等领域，由于膜建筑材料传热系数大、隔热保温能力差，导致膜结构建筑内部热环境受室外环境变化的影响显著。本文通过搭建拱形膜建筑室内热环境实验测试平台，分析了夏季晴天、夏季阴天、冬季晴天三种典型气象条件下，膜建筑室内热环境以及围护结构内外表面温度随太阳辐射强度的变化规律。实验发现在三种不同的气象条件下，室内热环境受太阳辐射强度的影响较大；膜建筑内部白天均存在“温室效应”，夜间存在“冷室效应”；云量、日照时间以及大气透明度均会影响太阳辐射强度值；冬季膜建筑各朝向内外壁面温度差值极小，几乎为零。

       【关键词】膜结构，太阳辐射，室内热环境

       【基金项目】国家自然科学基金青年项目（5180080465）；西安建筑科技大学人才科技基金（RC1711）

Abstract:Membrane structure buildings are widely used in temporary buildings, industrial plants and large venues. Due to the large heat transfer coefficient and poor thermal insulation capacity of membrane building materials, the internal thermal environment of membrane structure buildings is significantly affected by outdoor environmental changes. In this paper, by setting up an experimental test platform for the indoor thermal environment of an arched membrane building, it analyzes the variation law of the indoor thermal environment of the membrane building and  the internal and external surface temperature of the envelope structure with the intensity of solar radiation under three different typical meteorological conditions: sunny in summer, cloudy in summer, and sunny in winter. It is found that the indoor thermal environment is greatly affected by the intensity of solar radiation under three different meteorological conditions. There is a "greenhouse effect" inside the membrane building during the day and a "cold room effect" at night. Cloud cover, sunshine time and atmospheric transparency all affect the value of solar radiation intensity. In winter, the temperature difference between the inner and outer walls of the membrane building is extremely small, almost zero.
Keywords: membrane structure, solar radiation, indoor thermal environment.

1、前言

       膜结构建筑是一种新型轻质柔性结构，具有透光性好、内部空间大、无梁柱、施工周期短等优点，并且可自然采光节约能源，被誉为“21世纪的现代绿色建筑”广泛应用于临时建筑、工业厂房及大型场馆等领域^[1-3]。2021年1月8日，“火眼”气膜实验室在石家庄快速搭建并投入使用，满足当地实现防控疫情发展的需求，并且火眼模式已成为中国样本落地海外，解决了多个国家和地区生物安全实验室的问题^[4]。

       与传统建筑材料不同，膜建筑材料热容小、传热系数大、隔热保温能力差^[5]，难以依靠自身的热阻减少室外温度、太阳辐射等对室内热环境的影响^[6-7]。对于具有高透过率的膜结构厂房而言，太阳辐射是影响室内得热量以及室内温度的主要原因[8]；在夏季高温天气，易出现室内温度过高的现象，将影响工作人员的工作效率和仪器的正常使用^[9-10]。 

       目前，对膜结构建筑的研究主要集中在建筑结构强度和薄膜材料性能方面，关于膜建筑室内热环境的研究较少。因此，本文通过搭建膜结构建筑室内热环境测试实验台，测试不同气象条件下，膜材围护结构及室内热环境随室外气象参数的变化规律，为膜结构建筑改善室内热环境及自然通风设计提供参考。

2、实验测试

       2.1实验测试平台

       本文根据某实际工业膜建筑设计并搭建了膜建筑室内热环境的缩尺实验测试平台，使用货架万能角钢搭建尺寸为：2800mm×1200mm×640mm的框架结构，且模型为全封闭式膜结构建筑，如图1所示。围护结构选择德国杜肯生产的底涂层为PVC，表面涂层采用不可焊接PVDF处理的膜材。膜材厚约1mm，导热系数为0.16W/(m·K)，吸收率为6.75%，透射率为4.91%。

图1 膜结构室内热环境实验缩尺模型

       2.2 测试内容

       为分析不同气象条件下的膜材传热及内部热环境的变化规律，实验测试分为冬季工况和夏季工况。冬季为2020年1月12日，天气状况晴；夏季为2021年7月29日、2021年8月10日，天气状况分别为晴、阴。实验测试地点位于西安建筑科技大学某大楼楼顶，且四周完全无遮挡可全天接受太阳光照射的位置。主要测试参数：室外环境温度、风速，太阳辐射强度，膜建筑各朝向内、外壁面温度，室内空气温度。

       室外环境温度、风速，太阳辐射强度的测试采用美国戴维斯Vantage Pro2 Plus 气象站，太阳辐射测量范围：0~1800W/㎡，精度±5%；风速测量范围为：1~67m/s、精度为±5%；温度测量范围：-40℃~65℃，精度为±0.5℃；仪器放置在实验模型附近四周无遮挡的位置；数据每隔1 min自动采集。测试前利用仪器自动校验功能进行校核。膜材内、外壁面，室内空气温度以及室内、外地面温度均采用T型热电偶进行测量，测量精度为±0.5℃；数据采用2701型采集仪记录，时间间隔为1min。测试前，利用恒温水箱及精度为0.1℃的温度计进行校核。

       2.3 测点布置

       测试模型上共布置80个温度测点，如图2所示。在东西壁面其中东、西朝向墙体内、外壁面沿对角线均匀布置3个温度测点；南、北朝向墙体内外壁面沿对角线均匀布置2个温度测点；顶部屋面内、外壁按梅花形布置5个温度测点；室内空气共布置37个温度测点；室内地面共布置4个温度测点，室外地面共布置4个温度测点，均距离地面20cm。

图2 温度测点布置图

3、实验测试与分析

       实验测试对轻质膜材围护结构建筑各朝向内外壁面温度、室内温度、室内外地面温度，室外气象温度、太阳辐射强度等进行了24小时连续监测。为了更清晰地分析室外气象参数对膜建筑室内热环境的影响，作者对日出和日落期间测试数据进行处理和分析。

       3.1 夏季测试

       从2021年7月初到2021年8月末进行了连续两个月逐时测试，由于夏季西安地区多阴雨天气，为避免不良天气条件影响，最终选用7月29日的测试数据作为晴天的典型实测数据进行分析比较，选用8月10日的测试数据作为阴天的典型实测数据进行分析比较。

       3.1.1夏季晴朗天气测试分析

       该测试对7月29日24小时的室内外参数进行连续监测，日出时间为6：00，日落时间为20：00。

       1）室内温度随室外气象参数变化

       如图3所示，膜结构建筑室内温度随太阳辐射强度和室外温度的变化而变化。太阳辐射强度在12：00 ~ 14：00间较大，逐时太阳辐射强度值均在880W/㎡以上。由于膜材对太阳辐射具有高透过率，热稳定性差，导致室内温度随着太阳辐射的变化而迅速变化，延迟时间较短[6]；当太阳辐射强度在13：30达到峰值919.63W/㎡时，室内气温随后在14：00达到最大值45.08℃。虽然室外气温也随室外太阳辐射强度变化而变化，但是室外气温最大值出现在16：00，值为38.97℃，这是由于地面具有很强的蓄热能力，随太阳辐射强度的增强、减弱，地面会通过辐射、对流等方式向大气吸收或传递热量^[11]，因此，太阳辐射强度峰值和室外最高气温存在3个小时左右的延迟，且相比于室内气温最大值，室外气温的最大值有所减小。从14：00开始，室内气温随太阳辐射强度的降低逐渐减小，但由于室外气温的影响，从16：00开始，室内气温与室外气温开始趋于一致。

       在20：00日落后，没有太阳辐射作用，室内、外空气温度逐渐降低；在次日6：00日出，接受太阳辐射热后，室内、外空气温度再次逐渐升高。

图3 夏季晴天室内温度随室外气象参数变化图

       综上分析，在夏季白天，受太阳辐射的影响，室内空气温度均高于室外空气温度，膜结构厂房就如同一个“温室”^[12]，随着太阳辐射强度越大，“温室效应”越明显。在夜间，没有阳辐射热时，室外空气温度比室内空气温度高，且仍逐渐减小，这时膜结构厂房内存在“冷室效应”现象。

       2）各朝向壁面内、外表面温度变化

       由图4可以看出各朝向内外壁面温度与室内外气温呈现一定的相关性，由于同一时间各壁面接受到的太阳辐射热量不同，所以各朝向内外壁面最高温度出现的时间也不同。在7：00 ~ 10：00之间，东向外壁面温度迅速升高，10：00时达到最高温度45.94℃（见图4a）；14：00时，屋顶外壁面以及南向外壁面温度达到最大值，分别为55.66℃、49.01℃（见图4e、图4c）；16：00时，西向外壁面以及北向外壁面温度达到最大值，分别为54.93℃、43.88℃（见图4b、图4d）。

       在8：00 ~ 18：00之间，东、南、西以及屋顶内壁面温度均处于外壁面温度与室内温度之间，由于北向壁面接受到的太阳辐射热量较少，所以内外壁面温度变化并不剧烈，并且温度差也极小，基本不超过1℃。

       从图4中可以看出，在20：00 ~ 6：00之间，即夜间的太阳辐射强度为零，室内空气温度、各朝向内外壁面温度均随着室外空气温度的降低而降低，且均低于室外空气温度，即存在“冷室效应”的现象。受膜材厚度薄、且热惰性小的影响，各朝向内外壁面温度以及室内空气之间的温差很小。

图4 夏季晴天各朝向内外壁面及室内温度变化趋势

       3.1.2 夏季阴天测试分析

       该测试对8月10日阴天条件下室内外参数进行连续监测。

       夏季阴天围护结构内部空气温度随室外气象参数变化如图5所示。室内外温度随太阳辐射强度变化的规律与晴天相似，在7：00 ~ 19：00期间，室内空气温度高于室外空气温度，但是室内外温差与晴朗天气相比普遍降低；19：00以后，室外空气温度开始逐渐高于室内空气温度，但是温差较小，温差在1℃左右。由于阴天时天气状况不太稳定，中午12：00太阳辐射强度有一个突然下降的现象，导致室内空气温度也随之突然下降，由于室外空气温度的变化存在延迟，所以在15：00时室外空气温度出现下降现象。

图5 夏季阴天室内空气温度随室外参数变化图

       由图6可知，各朝向内外壁面的温度变化都在11：00 ~ 13：00存在一个急剧下降与上升，这是太阳辐射急剧变化引起的。日出期间，各朝向内外壁面温度均高于室外气温，且内外壁面温度变化相似，在11：00时东向外壁面温度处于各朝向外壁面的最大值，与其他各壁面温差仅有1℃左右。夜间，各朝向内外壁面温度均低于室外空气温度，且内外壁面温差极小且趋于平稳。

       阴天白天与夜间的最大温差为6.74℃，而晴天白天与夜间的最大温差达到了15.5℃。这是由于大气对太阳辐射的削弱作用有选择性，阴天的白天比晴朗的白天气温低是由于云层的反射作用使到达地面的辐射很弱；而阴天的夜晚比晴朗的夜晚气温高是由于大气保温作用结果^[13]。

 
图6 夏季阴天各朝向内外壁面及室内外温度变化

       3.2 冬季测试

       从2020年1月1日到15日进行逐时测试，为了清晰显示实验测试结果，进行冬季膜结构室内热环境分析，实验选择2020年1月12日9：00 ~ 18：00的逐时测试值作为冬季工况实验测试数据进行分析比较，日出时间为：8：00，日落时间为18：00。

       图7为冬季晴天室内空气温度随室外参数变化结果，从图中可以看出：在冬季的白天太阳辐射强度和室内温度均在12：00达到最大值，分别为293.36W/㎡和8.97℃；室外空气温度在17：00达到最大值，为6.59℃，延迟时间较长。冬季日照时间的减小以及大气透明度的升高，是造成冬季太阳辐射强度比夏季太阳辐射强度低的原因^[14-15]，所以冬季白天膜建筑内部的“温室效应”现象没有夏季明显。

       由图8可以看出室内空气温度在12：00达到最大值8.97℃时，除西向壁面外，其他各朝向内外壁面均达到一天当中的最高气温，其中屋顶外壁面温度以及南向外壁面温度在各朝向外壁面温度中处于最大值，分别为8.55℃和9.63℃；南向内壁面温度在各朝向内壁面温度中处于最大，值为7.94℃。在15：00时，西向内外壁面温度达到该壁面当天温度的最大值，且内外壁面温度趋于一致。与夏季相比，冬季膜建筑各朝向内外壁面温度差值极小，几乎为零。

图7 冬季室内空气温度随室外参数变化图
 
（a）各朝向外壁面温度及室内外温度变化   （b） 各朝向内壁面温度及室内外温度变化
图8 冬季各朝向内外壁面及室内外温度变化图

4、结论

       本文通过搭建拱形膜建筑室内热环境实验测试平台，分析了不同气象条件下膜建筑室内热环境以及围护结构内外表面温度随室外空气温度和太阳辐射强度的变化规律，得出以下结论：

       （1）在三种不同的气象条件下，膜结构建筑内部白天均存在“温室效应”，夜间存在“冷室效应”，并且太阳辐射强度越大，“温室效应”和“冷室效应”表现越明显。

       （2）云量对直接辐射影响很大，与夏季晴天相比，阴天的太阳辐射强度明显降低；日照时间和大气透明度也会对直接辐射有较大影响，冬季的日照时间比夏季短5个小时，同时大气透明度在冬季最大，所以冬季的太阳辐射强度峰值要比夏季的低约600W/㎡。

       （3）由于膜建筑围护结构厚度小、热惰性较低，室内热环境受室外太阳辐射强度的影响较大，并且围护结构各朝向内外壁面温度差值很小。相比与冬季，夏季晴天各朝向内外壁面温度差值最大达到5℃。

       本测试是在无内热源、全封闭的条件下进行的，实际工程内热源散热和厂房通风对室内空气温度以及各壁面温度均有影响，所以接下来我们会进一步研究膜建筑内不同内热源对室内热环境的影响，以及如何高效利用通风改善膜建筑内部热环境。

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       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年10月刊 总第48期（第二十二届全国通风技术学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。