北京工業大學綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室  謝靜超  陳默  崔亞平  劉加平

       【摘  要】對流換熱系數是計算建筑能耗和研究圍護結構傳熱特性的重要參數之一。為探究南海地區建筑水平外表面對流換熱特性，本文在風洞實驗臺中模擬南海氣象條件設置實驗工況，同時使用萘升華法與熱平衡法測量對流換熱系數。結果表明：兩種測量方法結果基本一致，二者差值的最大百分比為6.71%，可認為兩種方法都有較高的可靠性；風速為對流換熱系數主要影響因素，當風速較低時，對流換熱系數與溫度和輻射照度呈正相關關系；南海地區建筑水平外表面對流換熱系數一般預測式為h=3.13+7.48v。本研究分析了南海極端氣候條件下的對流換熱特性，為此地區低能耗建筑的設計研究奠定了理論基礎。

       【關鍵詞】對流換熱系數 極端熱濕氣候 一般預測式

       【項目基金】國家自然科學基金重大項目（51590912）；國家自然科學基金面上項目（51578013）

Abstract:Convective heat transfer coefficient is an important parameter to calculate the energy consumption in buildings and investigate the heat-transfer character of exterior-protected construction. In order to investigate the CHTC of horizontal external surface in the South China Sea, contrast experiment of naphthalene sublimation method and heat balance method was conducted in the wind tunnel based on the meteorologic condition of the South China Sea. It can be found the largest percentage of the difference between the results of naphthalene sublimation and the heat balance is only 6.71% which can be accepted by the accuracy of the instruments. Wind velocity is the major factor to CHTC and the there is a positive relation between CHTC and temperature and solar radiation when the wind velocity is low. The general CHTC predictive formula of horizontal external surface in the South China Sea can be expressed as h= 3.13+7.48v. This study analyze the CHTC in the South China Sea and it can lay a solid foundation for the design of low energy consumption building in this area.  

Keywords: Convective heat transfer coefficient；extreme climate；general predictive formula

0 引言

       隨著國家對南海島礁建設進程的加快，文化、教育、科研、醫療、體育、旅游等公共設施數量在不斷增多，由于此地區常規建筑材料資源匱乏、能源供給極為困難，所以需要對建筑能耗提出更高的經濟性要求。因此，研發適應極端熱濕氣候、能源資源極度匱乏的地域性超低能耗建筑勢在必行，而建筑外表面對流換熱系數作為研究圍護結構傳熱特性和計算空調負荷的重要參數，是研究建筑能耗問題的關鍵點之一。

       在建筑熱工和暖通空調領域，建筑外表面對流換熱系數的獲取一般分為取定值^[1]、簡化為風速的一般關系式^[2]以及進行實測，但是對流換熱系數是一個取決于多種因素的復雜物理量，根據目前不多的實測與模型試驗數據可發現，城市對流換熱在空間和時間上表現出極大的變化性，這種變化受到不同地區室外環境熱力特性和動力特性等因素的強烈影響^[3]。而南海地區具有海洋性氣候特征，與內陸氣候條件相差甚遠，導致兩者室外熱環境存在巨大不同，從而導致建筑外表面對流換熱特性存在差異，目前的定值或風速的一般關系式均是在一定實驗條件下針對內陸地區獲得的^[4]，若直接應用在氣候條件十分特殊的南海地區，必然會產生偏差，因此，針對南海地區建筑外表面對流換熱系數的實驗研究十分必要。

       為研究南海地區建筑水平外表面對流換熱系數，本文在風洞實驗室以南海地區溫度、輻射氣象參數的統計結果為基礎設定實驗工況，同時使用萘升華法與熱平衡法測量對流換熱系數，通過綜合分析兩種方法測量結果以減少實驗誤差；分析風速、溫度、輻射照度等因素對對流換熱系數的影響；最后，利用實驗數據得到南海地區建筑水平外表面對流換熱系數一般預測式。本研究分析了南海極端氣候條件下的對流換熱特性，可為此地區低能耗建筑奠定理論基礎。

1 實驗方案

       1.1 風洞實驗臺介紹

       本研究所采用的風洞實驗臺是由廣州華南理工大學建筑節能研究中心研發的，此實驗臺通過設置紅外燈、風機、加熱、制冷、加濕與除濕裝置, 初步實現了對室外自然氣候要素如太陽輻射、風速及溫濕度環境的模擬控制。此實驗臺風速分布范圍為0～5m/s，控制精度為0.2m/s。輻射范圍為0～1030W/m²，控制精度10W/m²?？諝鉁囟饶M范圍為20～40℃，控制精度為0.3℃。風洞實驗段沿風流動方向布置了400 mm×400 mm的5 塊試件槽，標記為①-⑤ 試件槽，試件槽可下降一定高度，使試件上表面成為風洞內表面的一部分^[5]。

       經前人大量實測校驗和模擬分析，該風洞內流場分布穩定，基本滿足實驗要求。實驗段主流區溫度基本不受壁面溫度影響，取值斷面處于速度場和溫度場同程發展的紊流區，同時，各試件槽所受輻射照度基本相同^[6]。

       1.2 實驗儀器及實驗設計

       實驗過程中采用的實驗儀器，主要有萘盒、熱流計、電子天平、長波輻射感受器、二分位輻射感受器。

       其中核心部件萘盒為一盛滿萘物質的圓盒，直徑13.3cm，厚度0.9cm，萘表面需平整光潔，以確保表面溫度均勻。制作時將液體萘倒入水平擺放的圓盒，直至液體萘剛好溢出為止，若倒入量不足，則會造成萘疏松多孔。為保證升華面的光滑平整，倒入液體萘足量后，需立即用玻璃壓蓋萘盒。

       本實驗選用兩塊長、寬、厚度分別為300mm、300mm、50mm的水泥墻板放在風洞3、4試件槽中，并使墻板上表面與風洞內表面齊平。

       試件槽③上，采用萘升華法測量對流換熱系數。為減小實驗誤差，同時使用四塊萘盒進行測量。通過熱電偶測量萘表面溫度，為防止輻照影響，熱電偶外表面使用小塊鋁箔保護。每隔一定時間，將萘盒取出，使用電子天平測量萘盒質量變化量。四塊萘盒及熱電偶的布置情況見圖1。

       試件槽④上，采用熱平衡法測量對流換熱系數。在墻板中心部位分別固定一個熱流計和一個熱電偶，通過熱流計測量墻板表面總熱流。另外，墻板接收的短波輻射強度可由風洞控制系統設定，接收的長波輻射強度由長波輻射感受器測得，反射的長波和短波輻射由二分位輻射感受器測得，根據接收的長短波輻射減去反射的長短波輻射即可求得凈輻射換熱量，再由總熱流與凈輻射換熱量的差值即可求得對流換熱量，進而求得對流換熱系數。熱流計、熱電偶、長波輻射感受器及二分位輻射感受器的布置情況見圖2。

圖1 萘升華法儀器布置                                            圖2 熱平衡法儀器布置

       本次實驗中溫度、輻射強度的取值范圍均是依據南海地區東沙島、西沙島、珊瑚島、南沙島及永暑礁5個島礁地區典型氣象年的平均統計結果，不同溫度、輻照及風速下的各工況設置情況見表1和表2。 

表1 不同輻照、溫度及風速下的工況設置情況

表2 不同風速下的工況設置情況

       1.3 實驗步驟

       萘升華法實質上是通過測量萘的升華速率求得萘的傳質系數，再由傳熱與傳質之間的類比關系得到該條件下的對流換熱系數，具體測試步驟如下：

       (1)制作萘盒試件，測量初始質量；

       (2)將測試墻板放入試件槽中，在④試樣槽墻板中心部位固定熱流計和熱電偶；

       (3)調節風洞條件到實驗設置工況；

       (4)工況穩定后放入四塊萘盒，用橡皮筋將熱電偶固定于萘盒表面；

       (5)經過一定時間間隔后取出萘盒，測量萘試件質量；

       (6)根據實驗原理，對實驗數據進行處理，分別求出萘升華法與熱平衡法測得對流換熱系數；

       (7)重新設置風洞工況，重復步驟(4)- (6)。

2 實驗結果及分析

       2.1 萘升華法與熱平衡法測量結果可靠性分析

       圖3為各風速下不同溫度、輻照強度下11組工況的萘升華法四塊萘盒測量平均值與熱平衡法測量結果對比，圖中具體組號與工況的對應見表3。兩種測量方法測量結果的差值占熱平衡法測量結果的最大比值在1m/s風速下為6.39%，在2m/s風速下為6.71%，在3m/s風速下為6.36%?？梢?，各工況下萘升華法與熱平衡法測量結果基本一致，兩種方法互為佐證，可認為兩種方法的測量結果可靠性都很高，可以用于進行后期的實驗數據分析。

表3 不同溫度、輻照下的工況與組號對應


圖3 不同工況下萘升華法與熱平衡法測量結果對比情況

       2.2 對流換熱系數影響因素分析

（a）輻照與風速           （b）溫度與風速
圖4 不同因素對對流換熱系數影響分析

       圖4分析了風速、溫度、輻照強度等因素對對流換熱系數的影響?？梢钥闯?，風速為對流換熱系數的主要影響因素，不同風速下對流換熱系數差別巨大。在1m/s風速下，兩種方法測量結果都隨著溫度和輻照強度的增大而增加，而在2m/s風速下和3m/s風速下，兩種方法測量結果隨溫度和輻照強度變化并無明顯變化規律，而是在某一個范圍內波動。這是因為輻射增大會造成墻體表面與空氣溫差增大^[7]，從而增大了自然對流，而高溫時微觀情況下分子熱運動加快，會進一步造成自然對流影響加強^[8]，自然對流的加強又進一步導致對流換熱系數的增大，當風速較小時，自然對流在混合對流中占比較大，它的變化對對流換熱系數仍然存在著較為明顯的影響，所以在1m/s風速下，兩種方法測量結果都隨著溫度和輻照強度的增大而單調增加，而當風速增大后，強制對流逐漸占據主導地位，自然對流變化所造成影響變得較為微小，儀器精度有限，難以探查，所以在2m/s風速下和3m/s風速下對流換熱系數的變化主要受風流狀態和儀器精度影響，溫度和輻照強度的作用并不明顯。

       2.3 對流換熱系數一般預測式

       考慮到溫度和輻射照度都會對對流換熱特性產生影響，而風速是對流換熱系數主要影響因素，故將風洞空氣溫度設為27.2℃，輻射照度設為222 W/m²，這兩個數值為南海地區東沙島、西沙島、珊瑚島、南沙島及永暑礁5個島礁地區典型氣象年平均溫度和平均輻射照度，改變風速，得到一條適用于南海地區的對流換熱系數一般預測式。

       建筑水平外表面對流換熱系數與風速關系如圖5所示，可以看出，對流換熱系數h與風速呈較好的線性關系，兩種測量方法擬合直線十分接近。為進一步減小誤差，取兩者平均值進行擬合，得到南海對流換熱系數一般預測式為h=3.13+7.48v，相關系數R2達到0.97。

（a）兩種方法測量結果對比  （b）兩種方法測量結果平均值
  圖5 對流換熱系數與風速關系

3 結論

       以南海地區氣象參數為基礎設定實驗工況，采用萘升華法與熱平衡法兩種不同的方法同時測量對流換熱系數，進而整理實驗數據，進行對比與分析，獲得如下結論：

       （1）對比各工況下萘升華法與熱平衡法測量結果，二者差值的最大百分比為6.71%，處于實驗儀器誤差可接受范圍之內，兩種方法互為佐證，可認為都具有較高的可靠性。

       （2）風速為對流換熱系數主要影響因素，在低風速情況下溫度和輻射照度對對流換熱系數仍有較為明顯的影響，并呈正相關關系。

       （3）對于建筑水平外表面，對流換熱系數的一般預測式為h=3.13+7.48v。

       本研究分析了南海極端氣候條件下的對流換熱特性，可為此地區低能耗建筑研究奠定理論基礎。

參考文獻：

       [1] M.G. Emmel, M.O. Abadie, N. Mendes, New external convective heat transfer coefficient correlations for isolated low-rise buildings, Energy and Buildings 39(3) (2007) 335-342.
       [2] 陳啟高. 建筑熱物理基礎[M]. 西安交通大學出版社, 1991.
       [3] Clear R D, Gartland L, Winkelmann F C. An empirical correlation for the outside convective air-film coefficient for horizontal roofs[J]. Energy & Buildings, 2003, 35(8):797-811.
       [4] 羅森諾拓. 傳熱學應用手冊.第一冊[M]. 北京科學出版社, 1992.
       [5] 高云飛. 熱氣候風洞試驗臺流場模擬與試驗[D]. 華南理工大學, 2004.
       [6] 張玉, 孟慶林, 陳淵睿. 動態熱濕氣候風洞實驗臺的研制[J]. 華南理工大學學報 (自然科學版), 2008, 36(3):99-103.
       [7] 曹玉璋, 邱緒光. 實驗傳熱學[M]. 國防工業出版社, 1998.
       [8] 劉加平. 建筑物理 第四版[M]. 中國建筑工業出版社, 2009.

       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。