西安建筑科技大學 建筑設備科學與工程學院  王歡，仝易麟，樊越勝，田國記，高明辰，王云朋 

       【摘 要】膜結構建筑廣泛應用于臨時建筑、工業廠房及大型場館等領域，由于膜建筑材料傳熱系數大、隔熱保溫能力差，導致膜結構建筑內部熱環境受室外環境變化的影響顯著。本文通過搭建拱形膜建筑室內熱環境實驗測試平臺，分析了夏季晴天、夏季陰天、冬季晴天三種典型氣象條件下，膜建筑室內熱環境以及圍護結構內外表面溫度隨太陽輻射強度的變化規律。實驗發現在三種不同的氣象條件下，室內熱環境受太陽輻射強度的影響較大；膜建筑內部白天均存在“溫室效應”，夜間存在“冷室效應”；云量、日照時間以及大氣透明度均會影響太陽輻射強度值；冬季膜建筑各朝向內外壁面溫度差值極小，幾乎為零。

       【關鍵詞】膜結構，太陽輻射，室內熱環境

       【基金項目】國家自然科學基金青年項目（5180080465）；西安建筑科技大學人才科技基金（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

       膜結構建筑是一種新型輕質柔性結構，具有透光性好、內部空間大、無梁柱、施工周期短等優點，并且可自然采光節約能源，被譽為“21世紀的現代綠色建筑”廣泛應用于臨時建筑、工業廠房及大型場館等領域^[1-3]。2021年1月8日，“火眼”氣膜實驗室在石家莊快速搭建并投入使用，滿足當地實現防控疫情發展的需求，并且火眼模式已成為中國樣本落地海外，解決了多個國家和地區生物安全實驗室的問題^[4]。

       與傳統建筑材料不同，膜建筑材料熱容小、傳熱系數大、隔熱保溫能力差^[5]，難以依靠自身的熱阻減少室外溫度、太陽輻射等對室內熱環境的影響^[6-7]。對于具有高透過率的膜結構廠房而言，太陽輻射是影響室內得熱量以及室內溫度的主要原因[8]；在夏季高溫天氣，易出現室內溫度過高的現象，將影響工作人員的工作效率和儀器的正常使用^[9-10]。 

       目前，對膜結構建筑的研究主要集中在建筑結構強度和薄膜材料性能方面，關于膜建筑室內熱環境的研究較少。因此，本文通過搭建膜結構建筑室內熱環境測試實驗臺，測試不同氣象條件下，膜材圍護結構及室內熱環境隨室外氣象參數的變化規律，為膜結構建筑改善室內熱環境及自然通風設計提供參考。

2、實驗測試

       2.1實驗測試平臺

       本文根據某實際工業膜建筑設計并搭建了膜建筑室內熱環境的縮尺實驗測試平臺，使用貨架萬能角鋼搭建尺寸為：2800mm×1200mm×640mm的框架結構，且模型為全封閉式膜結構建筑，如圖1所示。圍護結構選擇德國杜肯生產的底涂層為PVC，表面涂層采用不可焊接PVDF處理的膜材。膜材厚約1mm，導熱系數為0.16W/(m·K)，吸收率為6.75%，透射率為4.91%。

圖1 膜結構室內熱環境實驗縮尺模型

       2.2 測試內容

       為分析不同氣象條件下的膜材傳熱及內部熱環境的變化規律，實驗測試分為冬季工況和夏季工況。冬季為2020年1月12日，天氣狀況晴；夏季為2021年7月29日、2021年8月10日，天氣狀況分別為晴、陰。實驗測試地點位于西安建筑科技大學某大樓樓頂，且四周完全無遮擋可全天接受太陽光照射的位置。主要測試參數：室外環境溫度、風速，太陽輻射強度，膜建筑各朝向內、外壁面溫度，室內空氣溫度。

       室外環境溫度、風速，太陽輻射強度的測試采用美國戴維斯Vantage Pro2 Plus 氣象站，太陽輻射測量范圍：0~1800W/㎡，精度±5%；風速測量范圍為：1~67m/s、精度為±5%；溫度測量范圍：-40℃~65℃，精度為±0.5℃；儀器放置在實驗模型附近四周無遮擋的位置；數據每隔1 min自動采集。測試前利用儀器自動校驗功能進行校核。膜材內、外壁面，室內空氣溫度以及室內、外地面溫度均采用T型熱電偶進行測量，測量精度為±0.5℃；數據采用2701型采集儀記錄，時間間隔為1min。測試前，利用恒溫水箱及精度為0.1℃的溫度計進行校核。

       2.3 測點布置

       測試模型上共布置80個溫度測點，如圖2所示。在東西壁面其中東、西朝向墻體內、外壁面沿對角線均勻布置3個溫度測點；南、北朝向墻體內外壁面沿對角線均勻布置2個溫度測點；頂部屋面內、外壁按梅花形布置5個溫度測點；室內空氣共布置37個溫度測點；室內地面共布置4個溫度測點，室外地面共布置4個溫度測點，均距離地面20cm。

圖2 溫度測點布置圖

3、實驗測試與分析

       實驗測試對輕質膜材圍護結構建筑各朝向內外壁面溫度、室內溫度、室內外地面溫度，室外氣象溫度、太陽輻射強度等進行了24小時連續監測。為了更清晰地分析室外氣象參數對膜建筑室內熱環境的影響，作者對日出和日落期間測試數據進行處理和分析。

       3.1 夏季測試

       從2021年7月初到2021年8月末進行了連續兩個月逐時測試，由于夏季西安地區多陰雨天氣，為避免不良天氣條件影響，最終選用7月29日的測試數據作為晴天的典型實測數據進行分析比較，選用8月10日的測試數據作為陰天的典型實測數據進行分析比較。

       3.1.1夏季晴朗天氣測試分析

       該測試對7月29日24小時的室內外參數進行連續監測，日出時間為6：00，日落時間為20：00。

       1）室內溫度隨室外氣象參數變化

       如圖3所示，膜結構建筑室內溫度隨太陽輻射強度和室外溫度的變化而變化。太陽輻射強度在12：00 ~ 14：00間較大，逐時太陽輻射強度值均在880W/㎡以上。由于膜材對太陽輻射具有高透過率，熱穩定性差，導致室內溫度隨著太陽輻射的變化而迅速變化，延遲時間較短[6]；當太陽輻射強度在13：30達到峰值919.63W/㎡時，室內氣溫隨后在14：00達到最大值45.08℃。雖然室外氣溫也隨室外太陽輻射強度變化而變化，但是室外氣溫最大值出現在16：00，值為38.97℃，這是由于地面具有很強的蓄熱能力，隨太陽輻射強度的增強、減弱，地面會通過輻射、對流等方式向大氣吸收或傳遞熱量^[11]，因此，太陽輻射強度峰值和室外最高氣溫存在3個小時左右的延遲，且相比于室內氣溫最大值，室外氣溫的最大值有所減小。從14：00開始，室內氣溫隨太陽輻射強度的降低逐漸減小，但由于室外氣溫的影響，從16：00開始，室內氣溫與室外氣溫開始趨于一致。

       在20：00日落后，沒有太陽輻射作用，室內、外空氣溫度逐漸降低；在次日6：00日出，接受太陽輻射熱后，室內、外空氣溫度再次逐漸升高。

圖3 夏季晴天室內溫度隨室外氣象參數變化圖

       綜上分析，在夏季白天，受太陽輻射的影響，室內空氣溫度均高于室外空氣溫度，膜結構廠房就如同一個“溫室”^[12]，隨著太陽輻射強度越大，“溫室效應”越明顯。在夜間，沒有陽輻射熱時，室外空氣溫度比室內空氣溫度高，且仍逐漸減小，這時膜結構廠房內存在“冷室效應”現象。

       2）各朝向壁面內、外表面溫度變化

       由圖4可以看出各朝向內外壁面溫度與室內外氣溫呈現一定的相關性，由于同一時間各壁面接受到的太陽輻射熱量不同，所以各朝向內外壁面最高溫度出現的時間也不同。在7：00 ~ 10：00之間，東向外壁面溫度迅速升高，10：00時達到最高溫度45.94℃（見圖4a）；14：00時，屋頂外壁面以及南向外壁面溫度達到最大值，分別為55.66℃、49.01℃（見圖4e、圖4c）；16：00時，西向外壁面以及北向外壁面溫度達到最大值，分別為54.93℃、43.88℃（見圖4b、圖4d）。

       在8：00 ~ 18：00之間，東、南、西以及屋頂內壁面溫度均處于外壁面溫度與室內溫度之間，由于北向壁面接受到的太陽輻射熱量較少，所以內外壁面溫度變化并不劇烈，并且溫度差也極小，基本不超過1℃。

       從圖4中可以看出，在20：00 ~ 6：00之間，即夜間的太陽輻射強度為零，室內空氣溫度、各朝向內外壁面溫度均隨著室外空氣溫度的降低而降低，且均低于室外空氣溫度，即存在“冷室效應”的現象。受膜材厚度薄、且熱惰性小的影響，各朝向內外壁面溫度以及室內空氣之間的溫差很小。

圖4 夏季晴天各朝向內外壁面及室內溫度變化趨勢

       3.1.2 夏季陰天測試分析

       該測試對8月10日陰天條件下室內外參數進行連續監測。

       夏季陰天圍護結構內部空氣溫度隨室外氣象參數變化如圖5所示。室內外溫度隨太陽輻射強度變化的規律與晴天相似，在7：00 ~ 19：00期間，室內空氣溫度高于室外空氣溫度，但是室內外溫差與晴朗天氣相比普遍降低；19：00以后，室外空氣溫度開始逐漸高于室內空氣溫度，但是溫差較小，溫差在1℃左右。由于陰天時天氣狀況不太穩定，中午12：00太陽輻射強度有一個突然下降的現象，導致室內空氣溫度也隨之突然下降，由于室外空氣溫度的變化存在延遲，所以在15：00時室外空氣溫度出現下降現象。

圖5 夏季陰天室內空氣溫度隨室外參數變化圖

       由圖6可知，各朝向內外壁面的溫度變化都在11：00 ~ 13：00存在一個急劇下降與上升，這是太陽輻射急劇變化引起的。日出期間，各朝向內外壁面溫度均高于室外氣溫，且內外壁面溫度變化相似，在11：00時東向外壁面溫度處于各朝向外壁面的最大值，與其他各壁面溫差僅有1℃左右。夜間，各朝向內外壁面溫度均低于室外空氣溫度，且內外壁面溫差極小且趨于平穩。

       陰天白天與夜間的最大溫差為6.74℃，而晴天白天與夜間的最大溫差達到了15.5℃。這是由于大氣對太陽輻射的削弱作用有選擇性，陰天的白天比晴朗的白天氣溫低是由于云層的反射作用使到達地面的輻射很弱；而陰天的夜晚比晴朗的夜晚氣溫高是由于大氣保溫作用結果^[13]。

 
圖6 夏季陰天各朝向內外壁面及室內外溫度變化

       3.2 冬季測試

       從2020年1月1日到15日進行逐時測試，為了清晰顯示實驗測試結果，進行冬季膜結構室內熱環境分析，實驗選擇2020年1月12日9：00 ~ 18：00的逐時測試值作為冬季工況實驗測試數據進行分析比較，日出時間為：8：00，日落時間為18：00。

       圖7為冬季晴天室內空氣溫度隨室外參數變化結果，從圖中可以看出：在冬季的白天太陽輻射強度和室內溫度均在12：00達到最大值，分別為293.36W/㎡和8.97℃；室外空氣溫度在17：00達到最大值，為6.59℃，延遲時間較長。冬季日照時間的減小以及大氣透明度的升高，是造成冬季太陽輻射強度比夏季太陽輻射強度低的原因^[14-15]，所以冬季白天膜建筑內部的“溫室效應”現象沒有夏季明顯。

       由圖8可以看出室內空氣溫度在12：00達到最大值8.97℃時，除西向壁面外，其他各朝向內外壁面均達到一天當中的最高氣溫，其中屋頂外壁面溫度以及南向外壁面溫度在各朝向外壁面溫度中處于最大值，分別為8.55℃和9.63℃；南向內壁面溫度在各朝向內壁面溫度中處于最大，值為7.94℃。在15：00時，西向內外壁面溫度達到該壁面當天溫度的最大值，且內外壁面溫度趨于一致。與夏季相比，冬季膜建筑各朝向內外壁面溫度差值極小，幾乎為零。

圖7 冬季室內空氣溫度隨室外參數變化圖
 
（a）各朝向外壁面溫度及室內外溫度變化   （b） 各朝向內壁面溫度及室內外溫度變化
圖8 冬季各朝向內外壁面及室內外溫度變化圖

4、結論

       本文通過搭建拱形膜建筑室內熱環境實驗測試平臺，分析了不同氣象條件下膜建筑室內熱環境以及圍護結構內外表面溫度隨室外空氣溫度和太陽輻射強度的變化規律，得出以下結論：

       （1）在三種不同的氣象條件下，膜結構建筑內部白天均存在“溫室效應”，夜間存在“冷室效應”，并且太陽輻射強度越大，“溫室效應”和“冷室效應”表現越明顯。

       （2）云量對直接輻射影響很大，與夏季晴天相比，陰天的太陽輻射強度明顯降低；日照時間和大氣透明度也會對直接輻射有較大影響，冬季的日照時間比夏季短5個小時，同時大氣透明度在冬季最大，所以冬季的太陽輻射強度峰值要比夏季的低約600W/㎡。

       （3）由于膜建筑圍護結構厚度小、熱惰性較低，室內熱環境受室外太陽輻射強度的影響較大，并且圍護結構各朝向內外壁面溫度差值很小。相比與冬季，夏季晴天各朝向內外壁面溫度差值最大達到5℃。

       本測試是在無內熱源、全封閉的條件下進行的，實際工程內熱源散熱和廠房通風對室內空氣溫度以及各壁面溫度均有影響，所以接下來我們會進一步研究膜建筑內不同內熱源對室內熱環境的影響，以及如何高效利用通風改善膜建筑內部熱環境。

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2021年10月刊 總第48期（第二十二屆全國通風技術學術年會論文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。