北京工业大学绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室  谢静超  陈默  崔亚平  刘加平

       【摘  要】对流换热系数是计算建筑能耗和研究围护结构传热特性的重要参数之一。为探究南海地区建筑水平外表面对流换热特性，本文在风洞实验台中模拟南海气象条件设置实验工况，同时使用萘升华法与热平衡法测量对流换热系数。结果表明：两种测量方法结果基本一致，二者差值的最大百分比为6.71%，可认为两种方法都有较高的可靠性；风速为对流换热系数主要影响因素，当风速较低时，对流换热系数与温度和辐射照度呈正相关关系；南海地区建筑水平外表面对流换热系数一般预测式为h=3.13+7.48v。本研究分析了南海极端气候条件下的对流换热特性，为此地区低能耗建筑的设计研究奠定了理论基础。

       【关键词】对流换热系数 极端热湿气候 一般预测式

       【项目基金】国家自然科学基金重大项目（51590912）；国家自然科学基金面上项目（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

       随着国家对南海岛礁建设进程的加快，文化、教育、科研、医疗、体育、旅游等公共设施数量在不断增多，由于此地区常规建筑材料资源匮乏、能源供给极为困难，所以需要对建筑能耗提出更高的经济性要求。因此，研发适应极端热湿气候、能源资源极度匮乏的地域性超低能耗建筑势在必行，而建筑外表面对流换热系数作为研究围护结构传热特性和计算空调负荷的重要参数，是研究建筑能耗问题的关键点之一。

       在建筑热工和暖通空调领域，建筑外表面对流换热系数的获取一般分为取定值^[1]、简化为风速的一般关系式^[2]以及进行实测，但是对流换热系数是一个取决于多种因素的复杂物理量，根据目前不多的实测与模型试验数据可发现，城市对流换热在空间和时间上表现出极大的变化性，这种变化受到不同地区室外环境热力特性和动力特性等因素的强烈影响^[3]。而南海地区具有海洋性气候特征，与内陆气候条件相差甚远，导致两者室外热环境存在巨大不同，从而导致建筑外表面对流换热特性存在差异，目前的定值或风速的一般关系式均是在一定实验条件下针对内陆地区获得的^[4]，若直接应用在气候条件十分特殊的南海地区，必然会产生偏差，因此，针对南海地区建筑外表面对流换热系数的实验研究十分必要。

       为研究南海地区建筑水平外表面对流换热系数，本文在风洞实验室以南海地区温度、辐射气象参数的统计结果为基础设定实验工况，同时使用萘升华法与热平衡法测量对流换热系数，通过综合分析两种方法测量结果以减少实验误差；分析风速、温度、辐射照度等因素对对流换热系数的影响；最后，利用实验数据得到南海地区建筑水平外表面对流换热系数一般预测式。本研究分析了南海极端气候条件下的对流换热特性，可为此地区低能耗建筑奠定理论基础。

1 实验方案

       1.1 风洞实验台介绍

       本研究所采用的风洞实验台是由广州华南理工大学建筑节能研究中心研发的，此实验台通过设置红外灯、风机、加热、制冷、加湿与除湿装置, 初步实现了对室外自然气候要素如太阳辐射、风速及温湿度环境的模拟控制。此实验台风速分布范围为0～5m/s，控制精度为0.2m/s。辐射范围为0～1030W/m²，控制精度10W/m²。空气温度模拟范围为20～40℃，控制精度为0.3℃。风洞实验段沿风流动方向布置了400 mm×400 mm的5 块试件槽，标记为①-⑤ 试件槽，试件槽可下降一定高度，使试件上表面成为风洞内表面的一部分^[5]。

       经前人大量实测校验和模拟分析，该风洞内流场分布稳定，基本满足实验要求。实验段主流区温度基本不受壁面温度影响，取值断面处于速度场和温度场同程发展的紊流区，同时，各试件槽所受辐射照度基本相同^[6]。

       1.2 实验仪器及实验设计

       实验过程中采用的实验仪器，主要有萘盒、热流计、电子天平、长波辐射感受器、二分位辐射感受器。

       其中核心部件萘盒为一盛满萘物质的圆盒，直径13.3cm，厚度0.9cm，萘表面需平整光洁，以确保表面温度均匀。制作时将液体萘倒入水平摆放的圆盒，直至液体萘刚好溢出为止，若倒入量不足，则会造成萘疏松多孔。为保证升华面的光滑平整，倒入液体萘足量后，需立即用玻璃压盖萘盒。

       本实验选用两块长、宽、厚度分别为300mm、300mm、50mm的水泥墙板放在风洞3、4试件槽中，并使墙板上表面与风洞内表面齐平。

       试件槽③上，采用萘升华法测量对流换热系数。为减小实验误差，同时使用四块萘盒进行测量。通过热电偶测量萘表面温度，为防止辐照影响，热电偶外表面使用小块铝箔保护。每隔一定时间，将萘盒取出，使用电子天平测量萘盒质量变化量。四块萘盒及热电偶的布置情况见图1。

       试件槽④上，采用热平衡法测量对流换热系数。在墙板中心部位分别固定一个热流计和一个热电偶，通过热流计测量墙板表面总热流。另外，墙板接收的短波辐射强度可由风洞控制系统设定，接收的长波辐射强度由长波辐射感受器测得，反射的长波和短波辐射由二分位辐射感受器测得，根据接收的长短波辐射减去反射的长短波辐射即可求得净辐射换热量，再由总热流与净辐射换热量的差值即可求得对流换热量，进而求得对流换热系数。热流计、热电偶、长波辐射感受器及二分位辐射感受器的布置情况见图2。

图1 萘升华法仪器布置                                            图2 热平衡法仪器布置

       本次实验中温度、辐射强度的取值范围均是依据南海地区东沙岛、西沙岛、珊瑚岛、南沙岛及永暑礁5个岛礁地区典型气象年的平均统计结果，不同温度、辐照及风速下的各工况设置情况见表1和表2。 

表1 不同辐照、温度及风速下的工况设置情况

表2 不同风速下的工况设置情况

       1.3 实验步骤

       萘升华法实质上是通过测量萘的升华速率求得萘的传质系数，再由传热与传质之间的类比关系得到该条件下的对流换热系数，具体测试步骤如下：

       (1)制作萘盒试件，测量初始质量；

       (2)将测试墙板放入试件槽中，在④试样槽墙板中心部位固定热流计和热电偶；

       (3)调节风洞条件到实验设置工况；

       (4)工况稳定后放入四块萘盒，用橡皮筋将热电偶固定于萘盒表面；

       (5)经过一定时间间隔后取出萘盒，测量萘试件质量；

       (6)根据实验原理，对实验数据进行处理，分别求出萘升华法与热平衡法测得对流换热系数；

       (7)重新设置风洞工况，重复步骤(4)- (6)。

2 实验结果及分析

       2.1 萘升华法与热平衡法测量结果可靠性分析

       图3为各风速下不同温度、辐照强度下11组工况的萘升华法四块萘盒测量平均值与热平衡法测量结果对比，图中具体组号与工况的对应见表3。两种测量方法测量结果的差值占热平衡法测量结果的最大比值在1m/s风速下为6.39%，在2m/s风速下为6.71%，在3m/s风速下为6.36%。可见，各工况下萘升华法与热平衡法测量结果基本一致，两种方法互为佐证，可认为两种方法的测量结果可靠性都很高，可以用于进行后期的实验数据分析。

表3 不同温度、辐照下的工况与组号对应


图3 不同工况下萘升华法与热平衡法测量结果对比情况

       2.2 对流换热系数影响因素分析

（a）辐照与风速           （b）温度与风速
图4 不同因素对对流换热系数影响分析

       图4分析了风速、温度、辐照强度等因素对对流换热系数的影响。可以看出，风速为对流换热系数的主要影响因素，不同风速下对流换热系数差别巨大。在1m/s风速下，两种方法测量结果都随着温度和辐照强度的增大而增加，而在2m/s风速下和3m/s风速下，两种方法测量结果随温度和辐照强度变化并无明显变化规律，而是在某一个范围内波动。这是因为辐射增大会造成墙体表面与空气温差增大^[7]，从而增大了自然对流，而高温时微观情况下分子热运动加快，会进一步造成自然对流影响加强^[8]，自然对流的加强又进一步导致对流换热系数的增大，当风速较小时，自然对流在混合对流中占比较大，它的变化对对流换热系数仍然存在着较为明显的影响，所以在1m/s风速下，两种方法测量结果都随着温度和辐照强度的增大而单调增加，而当风速增大后，强制对流逐渐占据主导地位，自然对流变化所造成影响变得较为微小，仪器精度有限，难以探查，所以在2m/s风速下和3m/s风速下对流换热系数的变化主要受风流状态和仪器精度影响，温度和辐照强度的作用并不明显。

       2.3 对流换热系数一般预测式

       考虑到温度和辐射照度都会对对流换热特性产生影响，而风速是对流换热系数主要影响因素，故将风洞空气温度设为27.2℃，辐射照度设为222 W/m²，这两个数值为南海地区东沙岛、西沙岛、珊瑚岛、南沙岛及永暑礁5个岛礁地区典型气象年平均温度和平均辐射照度，改变风速，得到一条适用于南海地区的对流换热系数一般预测式。

       建筑水平外表面对流换热系数与风速关系如图5所示，可以看出，对流换热系数h与风速呈较好的线性关系，两种测量方法拟合直线十分接近。为进一步减小误差，取两者平均值进行拟合，得到南海对流换热系数一般预测式为h=3.13+7.48v，相关系数R2达到0.97。

（a）两种方法测量结果对比  （b）两种方法测量结果平均值
  图5 对流换热系数与风速关系

3 结论

       以南海地区气象参数为基础设定实验工况，采用萘升华法与热平衡法两种不同的方法同时测量对流换热系数，进而整理实验数据，进行对比与分析，获得如下结论：

       （1）对比各工况下萘升华法与热平衡法测量结果，二者差值的最大百分比为6.71%，处于实验仪器误差可接受范围之内，两种方法互为佐证，可认为都具有较高的可靠性。

       （2）风速为对流换热系数主要影响因素，在低风速情况下温度和辐射照度对对流换热系数仍有较为明显的影响，并呈正相关关系。

       （3）对于建筑水平外表面，对流换热系数的一般预测式为h=3.13+7.48v。

       本研究分析了南海极端气候条件下的对流换热特性，可为此地区低能耗建筑研究奠定理论基础。

参考文献：

       [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] 陈启高. 建筑热物理基础[M]. 西安交通大学出版社, 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] 罗森诺拓. 传热学应用手册.第一册[M]. 北京科学出版社, 1992.
       [5] 高云飞. 热气候风洞试验台流场模拟与试验[D]. 华南理工大学, 2004.
       [6] 张玉, 孟庆林, 陈渊睿. 动态热湿气候风洞实验台的研制[J]. 华南理工大学学报 (自然科学版), 2008, 36(3):99-103.
       [7] 曹玉璋, 邱绪光. 实验传热学[M]. 国防工业出版社, 1998.
       [8] 刘加平. 建筑物理 第四版[M]. 中国建筑工业出版社, 2009.

       备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。