膜材的隔热隔音性能优于一般屋面材料。封闭式膜结构建筑白天不需要人工采光，在节能方面有很大优越性。北方做封闭式膜结构建筑，保温隔热性能和能耗问题是非常重要的。鉴于保温与防结露的问题，屋面最好采用双层膜的形式，有效避免了结露现象，同时有着良好的保温性能。

封闭式膜结构的夏季得热量分析
张淑杰张其林刘玉峰
(同济大学土木学院建工系,上海200092)(同济大学机披学院热能工程系,上海200092
提要:本文讨论了在太阳辐射热作用下封闭式膜结构室内得热量的计算问题,由于膜结构表面一般呈曲面形状,不同于其他建筑结构,本文根据膜结构的形状特性编制了用于计算其得热量问题的程序.以上海地区为例针对某一封闭式膜结构工程,计算出夏季某一天中不同时刻,不同方向的得热量数值.本文研究可为封闭式膜结构工程的实际应用和设计提供一定的参考价值.
关健词:封闭式膜结构,太阳辐射热,得热量
一,引言
膜结构造型自由轻巧,具有阻燃,制作简易,安装快捷,节能,使用安全等优点,是21世纪"绿色建筑体系"的宠儿.目前,在全球范围内索膜结构无论在工程界还是在科研领域均处于热潮中.国内外对膜结构的设计,制作和施工全过程的研究已比较深人[w,但在膜结构领域还有很多交叉类应用性问题未得到很好研究和解决,如封闭式膜结构的隔声问题,融雪问题,隔热问题,积灰等问题.虽然对于一般建筑物表面太阳辐射热的研究已趋于成熟,但这类研究都是针对几何规则的建筑物,如墙体,平屋顶,坡屋顶等]2]]3].而膜结构具有不规则的曲面形状,虽然我国已经建造了建筑面积超过3000.'的单体封闭式膜结构,但对于膜材的保温隔热性能以及封闭式膜结构热效应问题的研究还是空白.一般而论,膜结构的几何外形可用解析函数或一组离散数据来表示,但除了简单的单块双曲面或双曲抛物面,绝大部分膜结构的几何外形无法用一个在定义域内处处连续的解析函数来表示.实际上常用一组离散数据来表示膜结构外形.这组离散数据可根据实验结果产生,亦可借助计算机系统,即通过力密度法,动力松驰法,最小膜面积法,形函数确定初始形状法等方法得到膜结构的初始几何形状,从而得出表示膜结构曲面形状的一组离散数据.
二,膜结构得热t分析穿过膜结构面料的热流总量,即房间的得热量包括以下几部分,如图1所示.
(1)直接透射部分;
(2)被膜材吸收的部分.这部分热量使膜材的温度升高,然后以对流换热方式和辐射方式传人室内(即吸收再放热),同时也向室外传递;
(3)膜材两侧面内外温差产生的对流换热量.一般地,不同膜材的透过率T,和日光系数兀均可从膜材的热物理特性中查得.日光系数为透过率T,与部分吸收率之和,即为投射到室内的热量与传到室内部分吸收热之和占总太阳辐射热的百分比.因而,可计算出上述(1),(2)两项之和:
q}二q"F, (1)其中,9一为膜结构表面上获得的太阳总辐射强度,W/.,;
只一为膜材的日光系数.由室内外温差产生的对流换热量为:

,.二K(t- t) (2)
其中,K-膜材的传热系数,W/(m'"`C);

膜结构
太阳热反射热
透过热
长波辐射长波辐射
传到室外的对流热传入室内的对流热
图I太阳辐射热经过膜材进人室内的过程
'一室外温度值,℃;
'一室内温度值,℃.
下面主要求出膜表面上获得的太阳总辐射强度.
三,太阳总辐射强度的计算
任意区域任意形状的膜结构表面上获得的太阳总辐射强度9等于该表面上所接受的太阳直射辐射强度,散射辐射强度以及地面与大气长波辐射强度之和.但在给出太阳总辐射强度时,只考虑直射辐射和散射辐射,但对散射辐射一般只计算其中的天空散射辐射一项,即:
9二4m+9m (3)其中,9,一为任意倾斜面上的太阳直射辐射强度;9k一为任意倾斜面上的天空散射辐射强度.(一)太阳直射辐射强度
(i)太阳高度角a
办一几甭太阳光线
水平投形
图3太阳方位角示意图
地球水平表面
图2太阳高度角示意图
如图2所示,表示地球表面特定位置上,太阳直射光线与水平面的夹角.其正弦关系可根据三维空间几何关系得到[121:sin a二sin dsin L+cos dcos Lcos h(4)
其中,d一为太阳赤纬角.

d = 23 .44sin[ 360 x (284+ N)/365]
N一为一个闰年周期中的天数,1月1日作为1开始计算,N最大为1451;
L一为地球表面上任一地点的纬度;
h一为时角,表示太阳离开中午时刻的角位移.
h二3607/24
T一为太阳时,即中午之前或之后的时间,中午时T=O.
这样,地球上任一地点在某时刻的高度角可由式(4)求出.
(ii)太阳方位角月
太阳方位角是太阳至地面上某给定点的连线在地面上的投影与南向(当地子午线)的夹角
为负,偏西时方向为正,如图3所示,正南方向为0' ,
(5)
(6)
偏东时方向
[B a二
sin h
sin Loos h一cos Ltq d(7)
(iii)膜结构坐标系的建立对某一地点的膜结构来说,建立空间坐标系XYZ,以当地正南方向为X轴,正东方向为Y轴,原点为膜结构中心在地面上的投影,Z轴按右手定则,垂直于XOY面.
由(i),(ii)可知,太阳直射向量为:及{-,acos Q,cos a sin (3,一sin.}(8)
在膜结构的形状确定之后,膜面被离散为许多三角形平面单元,各个三角形膜单元的三个顶点坐标已知.设某平面三角形膜单元ijm的三个顶点坐标分别为(XY,2),(X;,Y;,Z,),(X.,Y,Z.)该坐标均为转化到空间坐标系XYZ的坐标.
由空间解析几何关系,平面三角形ijm的法线向量为:
k二{(Y;;Z'一Zj, Y.) , (X- Zi一X;iz-), (Xj,Y}一Y;,X-)I (9)
其中,Xi;二X;一X,,X}二Xm一X, , Y;;二Y;一Y; ,
Y -=Y.一Y; , Z;,二Zi一Z;,Z.二Z.一Z,
则可求出太阳光线与平面三角形单元On的夹角0:
sing二一-一一I - cos acos f (YfiZ} - Z;,Y)+ cos asin Q(X};Zp一X;;w一sin a ( Xr'一YFX}) I
(珠爪一几珠),+(介耳一戈孔),+(戈介一珠介), 丫(一,acos刀),+(,.咖月),十(一'..),(10)
地面上与太阳光线相垂直的表面上的太阳辐射强度q,可根据该地区的纬度和大气透明度查得.则可农得平面三角形单元ijrn上的太阳直射辐射强度qmo(ll)(l2)
qm二q, sin 0(二)天空散射辐射强度qro
1.:1一尸,0
TV =丁gosm nj万下万面了COS万
.q.一太阳常数,1353W/. ;
P一大气透明系数,可查表得到;
m二1/sin a
由式(1),(2)可求出某时刻穿过平面三角形膜单元ijm的热流总量:(l3)(l4)
q.=(q.+qm)F,+K(t'一'_)
进而求得某时刻穿过整个膜面的热流总量:w=艺qA,
N一为整个膜结构的膜单元总数;
△为第i个三角形膜单元的面积.
四,算例分析
根据以上分析,本文编制了膜结构的得热量计算程序.根据膜结构表面划分的三角形单元,可计算得到相应曲面形状的膜结构在不同地区,不同季节以及某一天中不同时刻的得热量.限于篇幅,本文仅给出了一旋转双曲面膜结构的得热量.对于其它曲面形状的膜结构不同时刻的得热量计算问题,可同样计算出.假设上海地区某一旋转双曲面形封闭式膜结构,高2.2m,顶部为半径0. lm的圆形膜面,底部半径为3m,与下部的围护结构共同构成封闭式膜结构整体,如图4所示.设该膜材为法拉利1202T,其日光系数F,二0.12,膜材的传热系数K=5.6 W/(mz"`C).室外温度'.二34`C,室内温度t.二28.2`C.根据上述太阳辐射热作用下封闭式膜结构的室内得热量计算方法,计算了该膜结构在夏季一天中不同时刻,不同方向的得热量数值.上海地区处于北纬30-,透明度等级为5级,计算7月15日(即式(5)中N=196),这一天不同时刻的得热量结果列于表to别畔少
图4膜结构示意图
表1夏季7月15日这天上海地区某膜结构在不同时刻,不同方向的得热f (w)
朝向SSEENENNWW5wH
时亥if地方太阳时
61148.231289.851446.941429.091244.631148.231148.231148.231226.78
71541.091954.942276.292167.551692.031541.091541.的1541.091893.27
81749.222392.292747.422517.061839.441749.221749.221749.222495.95
91805.622212.262369.212182.541784.221784.221784.221784.222453.63
102332.803136.853311.为27印.062067.032067.032067.032067.034388.34
112071.572222.132184.491978.921900.751900.751900.751900.753005.32
122111.862054.811915.201915.201915.201915.201915.20加M.813093.63
132(Y71.391900.631900.631900.631900.631978.772184.262221.8831洲种.76
142332.812067.042067.042067.042067.042760.053311.763136.824388.27
巧1806.141784.671784.671784.671784.672184.182371.422214.002456.09
161748.981748.981748.981748.981839.082515.852745.912391.232494.76
171541.311541.311541.311541.311692.532168.942277.891955.941894.15
181147.901147.901147.901147.901243.651426.861444.591288.561225.92

五,小结
封闭式膜结构的得热量分析结果,能很好地应用于膜结构的热量分析和空调设计中,该研究适用于任意曲面形状的膜结构在一年中不同时刻的得热量分析,具有一定的工程指导意义.
参考文献
(1)张其林编著.索和膜结构.同济大学出版社,2002
(2)寿荣中,方贤德,何慧姗.空气调节技术.北京:北京航空航天大学出版社,1992,6
(3)彦启森,赵庆珠.建筑热过程.北京:中国建筑工业出版社,1986,12

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