摘要：随着可再生能源在建筑中应用的蓬勃发展，最大程度的利用太阳能，提高建筑内太阳辐射换热效率，是建筑节能的研究重点。本文详细介绍了国内外学者对建筑太阳辐射换热的理论研究和应用研究，分析了目前研究中的不足，为后续学者对太阳辐射换热的研究奠定了基础，提供了理论和方法。
关键词：太阳辐射；换热；建筑节能；围护结构
0 引言
建筑能耗在我国总能源消耗中占的比例很高。太阳能是一种取之不尽，用之不竭的能源，将其收集并应用在建筑中，将节省大量的二次能源消耗。最大程度利用太阳能，提高建筑内太阳辐射换热效率，是建筑节能的研究重点。
目前国内外学者对建筑太阳辐射换热的相关研究主要分成两方面，一方面是建筑太阳辐射换热的理论研究，更加完善了不同情况下的太阳辐射公式，修正了太阳辐射公式中的相关参数，提出了多种数学模型，有利于进一步分析建筑物的围护结构受太阳辐射的影响下的热工性能等参数；另一方面是建筑太阳辐射换热的应用研究，分析太阳辐射在不同气象参数下对墙体传热量的影响，研究太阳辐射对辐射顶板供冷能力和负荷的影响等。
1 建筑太阳辐射换热的理论研究
太阳辐射是地球上所有活动的重要能量来源，也是地球气候形成的最主要的影响因子，对地表能量交换、维持地表辐射平衡以及天气和气候的形成均起到决定性的作用。当前，能源危机越来越严重，提高自然资源的利用效率也越来越重要，而99.8%的地表能源都是来源于太阳能，因此，准确地计算地表太阳辐射（包括单波长太阳辐射和太阳辐照度）并确定其时间和空间的分布，完善太阳辐射计算的相关参数，有着十分重要的理论和实践价值。
关于太阳辐射计算的文献提供了各种计算太阳辐射的模型，其中有的是属于经验公式，有的是属于理论推导，还有的是属于半经验半理论公式。归纳起来，也可以根据计算的目的，将其主要分为三大类：一类是计算单波长太阳辐射（光谱分布）的模型，一类是计算太阳辐照度的模型；还有一类是计算某段时间的太阳辐照量的模型。
N.Bounchlaghem[1]提出了一种计算机基础模型，该模型将分析法和图表法结合起来优化被动式太阳能建筑的热工性能，不仅适用于研究建筑物围护结构和材料变化的热工性能，也适用于利用数值优化模拟技术去自动确定最优设计变量以达到最好的热舒适状况。模型的程序的图形部分是用来优化设计多种参数影响下的窗户遮阳设施（太阳热增益系数），在设计遮阳设施时需要考虑季节性变化的太阳角和太阳辐射强度。Oliveti等利用实验手段研究了水平屋顶外表面与天空表面间的长波辐射换热。
中国科学技术大学的曾理[2]推导出计算任意海拔高度的太阳辐射公式，提出了非均质大气模型，并根据比尔定律，将复杂的吸收系数计算问题转化为计算分子浓度，从而得到通用的计算不同海拔的地表和任意大气层高度的太阳辐射公式。
哈尔滨工业大学的楚双霞[3]完善了辐射熵产和辐射㶲损的计算方法，在光谱辐射㶲强度定义的基础上，通过辐射传递方程和辐射熵传递方程建立了辐射㶲传递方程。分析了半透明介质内和不透明固体壁面处的辐射㶲损，结果表明辐射㶲损与辐射熵产间的关系满足经典热力学中的Gouy-Stodola理论。
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2 建筑太阳辐射换热的应用研究
建筑的太阳辐射换热包括建筑外表面接受的太阳辐射得热、透过门窗洞口进入室内的太阳辐射得热、建筑外表面的长波辐射换热和建筑内表面之间及它们与人体之间的辐射换热。提高建筑太阳辐射换热的效率目前有两种方式，一种是改善围护结构中墙体的热工性能，增大蓄热性；另一种是改变窗户的形状、材质、添加高性能涂料、增加遮阳措施等，调节透过透明围护结构的得热量。
Kossecka和Kosny[4]运用周期性温度变化的单体建筑模型以及 DOE-2 软件建立的动态模型，分析了6 种不同围护结构采取不同量和不同布置方式的保温材料对建筑冷热负荷的影响，并对墙体结构和动态热特性之间的相关性进行了讨论研究，发现对于有着大量墙体的住宅建筑，将保温材料置于建筑墙体外侧时，建筑节能效果最好。
东华大学的邹晓泉[5]研究了风速风向对不同保温形式南墙冬季太阳辐射得热的影响，得到风向和风速的变化对于不同保温形式的围护结构外表面对流换热系数、外表面温度的影响都较大，对内外保温形式墙体也有影响，背风面墙体的净得热量大于迎风面墙体，且南墙在一天中的净得热量随着风速增大而下降，但当风速增大到 3m/s 后变化趋于平缓。内保温墙体全天得热蓄热性能明显优于外保温墙体。因此采用内保温更有利于实现该地区冬季建筑节能。
Gan[6]采用CFD方法模拟多层窗户的传热系数，结合导热和辐射热阻计算来得到双层坡璃总热阻，研究表明，玻璃表面传热系数和整个玻璃的传热系数均随内外玻璃温度呈线性变化。
3 总结
通过查阅太阳辐射换热研究的国内外文献，了解到太阳辐射换热的基本过程和计算公式等理论知识，探讨了太阳辐射应用于墙体和窗户等围护结构时的影响因素，得到太阳辐射对建筑热物理过程的作用包括太阳辐射在围护结构外表面的辐射得热和透过窗户等进入室内的太阳辐射形成的得热。太阳辐射得热与太阳辐射强度、围护结构的表面特性有关。
认识到国内外学者已在太阳辐射换热方面做了大量研究工作，但对围护结构的热工性能研究中缺乏太阳辐射换热与热对流、热传导的交互影响的研究，太阳辐射对墙体蓄热量的影响也存在不足，仍有待进一步研究。
参考文献：
[1]N.Bouchlaghem.Optimising the design of building envelopes for thermal performance.Automation in Construction 10（2000）：101–112.
[2]曾理.关于不同海拔的太阳辐射计算[D].中国科学技术大学，2015.
[3]楚双霞.非相干辐射传递过程的热力学分析[D].哈尔滨工业大学，2009.
[4]Elisabeth Kossecka，Jan Kosny.Influence of insulation configuration on heating and cooling loads in a continuously used building[J].Energy and Buildings，2002，34：321-331.
[5]邹晓泉.风速风向对不同保温形式南墙冬季太阳辐射得热的影响[D].东华大学，2016.
[6]GanGuohui.Thermal transmittance of multiple glazing：computational fluiddynamics prediction[J].Applied Thermal Engineering 2001，21（15）：1583-1592.
论文作者:李金娟
论文发表刊物:《基层建设》2017年第30期
论文发表时间:2018/1/7
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