空心砌塊通風(fēng)墻體技術(shù)及傳熱模型研究進(jìn)展

于靖華 田利偉 徐新華 楊 建

空心砌塊通風(fēng)墻體技術(shù)及傳熱模型研究進(jìn)展

于靖華1田利偉2徐新華1楊 建1

1華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院
2中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

提出采用空心砌塊搭建成通風(fēng)墻體，利用空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)、地道風(fēng)或夏季夜間涼風(fēng)等對(duì)空心砌塊墻體的空腔進(jìn)行通風(fēng)，實(shí)現(xiàn)墻體內(nèi)部冷、熱量的轉(zhuǎn)移。論文回顧了國(guó)內(nèi)外通風(fēng)墻體的傳熱模型并進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。目前通風(fēng)墻體的研究包含一維、二維和三維的穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)的傳熱模型，以穩(wěn)態(tài)模型居多，而實(shí)質(zhì)上瞬時(shí)傳熱特點(diǎn)對(duì)于墻體冷熱負(fù)荷及室內(nèi)熱舒適非常重要。利用數(shù)值方法的動(dòng)態(tài)傳熱模型可以對(duì)通風(fēng)墻體進(jìn)行瞬時(shí)傳熱特性的研究，但是此方法耗時(shí)長(zhǎng)，且不易于嵌入傳統(tǒng)的能耗模擬軟件中進(jìn)行能耗特性分析。簡(jiǎn)化的動(dòng)態(tài)熱網(wǎng)模型可以嵌入到既有的建筑能耗模擬軟件中，在建筑能耗分析中是一種較好的研究方法，然而如何準(zhǔn)確系統(tǒng)地確定模型的階數(shù)及熱阻、熱容等參數(shù)還缺少研究。

通風(fēng)墻體空心砌塊動(dòng)態(tài)傳熱模型能耗特性

隨著我國(guó)墻改政策的實(shí)施與建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，市場(chǎng)上開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出許多類(lèi)型的新型墻體結(jié)構(gòu)，其中空心砌塊占了很大的比例?？招钠鰤K在熱工性能方面較傳統(tǒng)的實(shí)心黏土磚有一定程度的改善。但普通單、雙排孔空心砌塊墻體由于熱阻值較低，其熱工性能依然達(dá)不到建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求[1]。為了得到更好的應(yīng)用，針對(duì)其空心部位始終上下貫通這一特點(diǎn)，構(gòu)建成通風(fēng)墻體，夏季通入冷風(fēng)，冬季通入熱風(fēng)，充分利用砌塊本身的蓄熱性能及空腔內(nèi)氣流與壁面間較大的接觸面積，實(shí)現(xiàn)熱量傳遞與轉(zhuǎn)移。通過(guò)墻體通風(fēng)移除夏季和冬季室外環(huán)境作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量或冷量，可大大降低甚至消除建筑的冷負(fù)荷，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度更加接近室溫，同時(shí)也減少人體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的輻射換熱，提高人體的熱舒適性。

1 空心砌塊通風(fēng)墻體技術(shù)

通風(fēng)墻體出現(xiàn)于上世紀(jì)八十年代，多用于寒冷地區(qū)冬季以阻擋室內(nèi)向室外傳熱，主要有夾層通風(fēng)墻體和動(dòng)態(tài)隔熱墻體。夾層通風(fēng)墻體即在內(nèi)外層墻體材料之間加上一層通風(fēng)隔熱層，將室外空氣引入通風(fēng)夾層經(jīng)太陽(yáng)能或加熱器加熱后，與墻體換熱并阻隔墻體的熱損失，如將火爐中燃燒的高溫?zé)煔饬鹘?jīng)帶有通風(fēng)夾層的墻/地板，或利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)加熱夾層中的空氣從而帶走墻體/地板的冷量；動(dòng)態(tài)隔熱墻的主體是一層多孔材料，以強(qiáng)制的方法（保持室內(nèi)為負(fù)壓狀態(tài)）使室外空氣以滲透方式流過(guò)該墻體進(jìn)入室內(nèi)，從而使?jié)B流空氣將傳向室外的熱量帶回室內(nèi)，是一種熱回收技術(shù)。目前通風(fēng)墻體在國(guó)外尤其是北歐國(guó)家已有較多應(yīng)用[2～6]。

針對(duì)混凝土空心砌塊墻體的特點(diǎn)，提出利用空心部位形成通風(fēng)墻體，如圖1為空心砌塊通風(fēng)墻體示意圖。將墻體上部外表面開(kāi)設(shè)排風(fēng)口，在排風(fēng)口處設(shè)風(fēng)機(jī)以提供動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣介質(zhì)的流動(dòng)，將墻體底端開(kāi)設(shè)進(jìn)風(fēng)口?？招钠鰤K通風(fēng)墻體內(nèi)的通風(fēng)氣流在夏季可以采用空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)、地道風(fēng)和夜間涼風(fēng)，在冬季可以采用室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)?？照{(diào)系統(tǒng)排風(fēng)量約占總風(fēng)量的10%，直接排走會(huì)造成能量的極大浪費(fèi)；地道風(fēng)主要是通過(guò)空氣與土壤換熱降溫為建筑提供冷風(fēng)[7]和新風(fēng)[8]；夏季夜間通風(fēng)也是具有較大節(jié)能潛力的節(jié)能技術(shù)[9]，因此可采用空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)、地道風(fēng)和夜間冷風(fēng)等低品位能源作為通風(fēng)氣流，經(jīng)過(guò)與墻體內(nèi)壁表面對(duì)流換熱，冷卻或加熱空心砌塊墻體，具有較大的節(jié)能潛力。空心砌塊通風(fēng)技術(shù)將空調(diào)系統(tǒng)余熱、地?zé)崮艿鹊推肺荒茉蠢门c降低外墻對(duì)建筑能耗的影響結(jié)合起來(lái)，大大削弱室外氣候?qū)κ覂?nèi)環(huán)境的影響，對(duì)于建筑節(jié)能具有重要的意義。

空心砌塊通風(fēng)墻體同時(shí)受室內(nèi)、外環(huán)境及空腔內(nèi)空氣流速和溫度的綜合作用，準(zhǔn)確地建立空心砌塊通風(fēng)墻體在多外擾作用下的傳熱模型，把握其瞬態(tài)傳熱特性，是空心砌塊通風(fēng)墻體優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用的基礎(chǔ)理論研究，有利于這種墻體的應(yīng)用與推廣。數(shù)值模擬是對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化運(yùn)行的一個(gè)十分有效的工具，而建立簡(jiǎn)單準(zhǔn)確便于工程應(yīng)用的傳熱模型也是極為重要的。本文主要回顧國(guó)內(nèi)外對(duì)該結(jié)構(gòu)的傳熱模型及試驗(yàn)研究，并對(duì)各種模型進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

圖1 空心砌塊通風(fēng)墻體示意圖

2 通風(fēng)墻體傳熱模型及應(yīng)用研究

國(guó)內(nèi)的學(xué)者針對(duì)通風(fēng)墻體的熱特性和節(jié)能效果大都處于起步階段，主要體現(xiàn)在對(duì)通風(fēng)墻體的實(shí)驗(yàn)研究和傳熱模型研究?jī)蓚€(gè)方面。譚志邱等[10]考慮墻體熱阻建立了太陽(yáng)能板復(fù)合墻體的簡(jiǎn)化的一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，重點(diǎn)計(jì)算了太陽(yáng)能板復(fù)合墻夾層中的空氣在靜止、自然對(duì)流和受迫對(duì)流狀態(tài)下該結(jié)構(gòu)的熱阻；鄒付熙等[11]建立了裝有多孔滲透材料層的通風(fēng)隔熱墻體的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值方法計(jì)算了在室內(nèi)、外擾動(dòng)下的穩(wěn)態(tài)傳熱特性，分析了室內(nèi)排風(fēng)滲透速度和滲透材料厚度對(duì)其傳熱特性的影響，并在此基礎(chǔ)上研究了該模型的一維動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型[12]。陳剛[13]通過(guò)建立三維穩(wěn)態(tài)模型，對(duì)空心砌塊通風(fēng)墻體在過(guò)渡季節(jié)引入新風(fēng)室內(nèi)通風(fēng)效果進(jìn)行數(shù)值模擬研究。趙嘉靖等[14]建立了二維穩(wěn)態(tài)模型，在時(shí)域內(nèi)對(duì)通風(fēng)墻體熱工性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。此外，針對(duì)普通空心砌塊墻體，有部分學(xué)者采用有限差分及有限體積的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了傳熱熱阻分析[15]以及最優(yōu)孔洞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究[16～17]。由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于通風(fēng)墻體傳熱特性的研究較少，主要是一維簡(jiǎn)化穩(wěn)態(tài)、一維動(dòng)態(tài)和二維穩(wěn)態(tài)模型的研究。然而室外熱擾是不斷變化的，氣流在空腔內(nèi)流動(dòng)并與墻體換熱，溫度隨高度發(fā)生變化，忽略這種變化只考慮一維傳熱或者穩(wěn)態(tài)傳熱分析，與實(shí)際工況存在著一定的誤差。

國(guó)外學(xué)者對(duì)通風(fēng)墻體的關(guān)注起源于上世紀(jì)八十年代，從九十年代開(kāi)始有較多學(xué)者對(duì)其傳熱模型及熱特性進(jìn)行了理論研究。Taylor等[18]建立了三層隔熱墻體（兩層空腔）的一維穩(wěn)態(tài)模型，給出了包括墻體內(nèi)部溫度分布、熱流密度、傳熱系數(shù)、水蒸氣含量分布、對(duì)流擴(kuò)散水蒸氣流量等在內(nèi)的一維穩(wěn)態(tài)方程式。接著，該學(xué)者采用此簡(jiǎn)化模型研究了氣流速度的變化對(duì)墻體表面溫度變化的影響[19]，并將模型結(jié)果與隔熱箱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。Akander[20]提出采用熱阻熱容網(wǎng)絡(luò)法建立多層構(gòu)件墻體/屋頂?shù)囊痪S傳熱模型，在此基礎(chǔ)上，Ren[21]采用了此方法對(duì)空心預(yù)制板通風(fēng)屋頂?shù)暮?jiǎn)化動(dòng)態(tài)熱網(wǎng)模型進(jìn)行研究，該模型的每層構(gòu)件采用一個(gè)熱阻與熱容相連（即一階模型），熱容和熱阻根據(jù)簡(jiǎn)化的幾何尺寸進(jìn)行確定，并與測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明通風(fēng)出口處溫度最大誤差為1.1℃，該模型還可以直接嵌入建筑環(huán)境與能耗模擬平臺(tái)。Pottler等[22]采用二維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，在時(shí)域內(nèi)采用有限差分法研究了太陽(yáng)能集熱器加熱玻璃與墻體之間的空氣層，模擬計(jì)算了出口空氣溫度、玻璃表面溫度以及吸收裝置不同部位的溫度，該模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

近十年來(lái)，針對(duì)通風(fēng)墻體的傳熱模型及熱特性理論研究仍然以穩(wěn)態(tài)居多。Schmidt等[23]建立了雙層通風(fēng)墻體的二維簡(jiǎn)化穩(wěn)態(tài)模型，研究了空腔內(nèi)空氣沿氣流方向的溫度變化，建議空腔應(yīng)盡量與內(nèi)表面接近以減少熱損失，該方法僅適用于穩(wěn)態(tài)傳熱及線(xiàn)性傳熱系數(shù)的求解。Balocco等[24]給出了通風(fēng)墻體的一維穩(wěn)態(tài)模型，采用有限元法計(jì)算了每個(gè)步長(zhǎng)的墻體表面及熱流溫度，研究了夏季和冬季不同空腔厚度在風(fēng)口開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)的熱特性。Ciampi等[25]考慮墻體熱阻建立了煙囪效應(yīng)下通風(fēng)墻體的簡(jiǎn)化二維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，計(jì)算了夏季通風(fēng)墻體內(nèi)氣流帶走的熱量及節(jié)能特性，分析了表面粗糙度、熱阻、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、空腔層厚度以及不同室內(nèi)外溫差時(shí)對(duì)節(jié)能特性的影響。Sanjuan[26]等分析了西班牙馬德里城市一個(gè)典型的多開(kāi)口夾層通風(fēng)外墻的熱特性，建立了三維穩(wěn)態(tài)及準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法進(jìn)行求解，研究了封閉與多開(kāi)口夾層通風(fēng)墻體在夏季和冬季空腔內(nèi)的溫度分布、熱流傳遞以及能耗情況。Seferis[27]考慮了太陽(yáng)輻射對(duì)墻體傳熱性能的影響，建立了空腔內(nèi)沿氣流方向的一維對(duì)流換熱的數(shù)學(xué)模型，采用了ESP-r模擬軟件計(jì)算分析了夾層通風(fēng)墻體的傳熱特性，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)做了對(duì)比分析，通過(guò)敏感性分析檢測(cè)了主要因素對(duì)墻體溫度分布造成的影響。Mavromatidis等[28]建立了由空氣夾層組成的多層保溫結(jié)構(gòu)墻體傳熱過(guò)程的一維動(dòng)態(tài)模型，采用有限體積法研究了對(duì)流和輻射的綜合換熱過(guò)程、多層保溫構(gòu)件的內(nèi)部溫度分布特性及壁面熱流傳遞特性。此外，一些學(xué)者采用數(shù)值計(jì)算的方法，對(duì)普通空心砌塊墻體的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)熱特性[29～30]以及以當(dāng)量熱阻為標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)孔洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[31]進(jìn)行了研究。

綜上所述，目前關(guān)于通風(fēng)墻體傳熱模型的研究主要包括以下四種：一是穩(wěn)態(tài)傳熱模型，包含一維、二維和三維模型的研究，采用數(shù)值方法如有限差分法等進(jìn)行求解；二是利用數(shù)值方法的動(dòng)態(tài)傳熱模型；三是僅考慮熱阻值的簡(jiǎn)化穩(wěn)態(tài)模型；四是同時(shí)考慮熱阻和熱容的簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)熱網(wǎng)模型。目前的研究仍以穩(wěn)態(tài)模型居多，而實(shí)質(zhì)上瞬時(shí)傳熱特點(diǎn)對(duì)于墻體冷熱負(fù)荷及室內(nèi)熱舒適性分析非常重要。利用差分法及有限元等數(shù)值方法的動(dòng)態(tài)傳熱模型可以對(duì)通風(fēng)墻體進(jìn)行瞬時(shí)傳熱特性的研究，為了準(zhǔn)確評(píng)估使用該結(jié)構(gòu)的房間或建筑物的節(jié)能特性和環(huán)境特性，該模型通常需要和傳統(tǒng)的建筑物能耗模擬軟件集成在一起，但計(jì)算量非常大，且整個(gè)模擬會(huì)變得不穩(wěn)定。采用簡(jiǎn)化的動(dòng)態(tài)熱網(wǎng)模型是一種較好的研究方法，這種模型很容易與現(xiàn)有的建筑能耗仿真軟件包集成在一起，一些學(xué)者研究了通風(fēng)墻體的一維熱網(wǎng)模型，但很少論及如何系統(tǒng)準(zhǔn)確地確定該模型的階數(shù)（即熱容的個(gè)數(shù)）及模型的熱阻、熱容等參數(shù)，而這些參數(shù)對(duì)于預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性非常重要?？招钠鰤K通風(fēng)墻體的瞬時(shí)傳熱受室外側(cè)空氣、空腔內(nèi)氣流及室內(nèi)側(cè)空氣非穩(wěn)態(tài)外擾的綜合作用，使得空心砌塊通風(fēng)墻體的傳熱變得更為復(fù)雜，目前尚未見(jiàn)空心砌塊通風(fēng)墻體的動(dòng)態(tài)傳熱特性及節(jié)能特性的研究，因此，建立準(zhǔn)確把握其動(dòng)態(tài)熱特性的簡(jiǎn)化的動(dòng)態(tài)熱網(wǎng)模型具有非常重要的理論意義，同時(shí)該結(jié)構(gòu)模型還應(yīng)很容易地與既有建筑模擬軟件包集成在一起，以用于該結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及能耗性能的評(píng)估。

3 結(jié)論

本文提出將空心砌塊搭建成通風(fēng)墻體，利用空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)、地道風(fēng)或夏季夜間涼風(fēng)等對(duì)空心砌塊墻體的空腔進(jìn)行通風(fēng)，充分利用砌塊本身的蓄熱性能及空腔內(nèi)氣流與壁面間較大的接觸面積，實(shí)現(xiàn)熱量傳遞與轉(zhuǎn)移，可大大降低甚至消除建筑的冷負(fù)荷。目前夾層通風(fēng)墻體和動(dòng)態(tài)隔熱墻體已有較多應(yīng)用和研究，本文回顧了通風(fēng)墻體的傳熱模型，包含有一維、二維和三維的穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)的傳熱模型，利用數(shù)值方法的動(dòng)態(tài)傳熱模型計(jì)算過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)，且不易于嵌入能耗模擬軟件中進(jìn)行能耗特性分析。簡(jiǎn)化的動(dòng)態(tài)熱網(wǎng)模型可以計(jì)算建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)傳熱且可以嵌入到常用的建筑能耗模擬軟件中，在建筑能耗分析中是一種較好的研究方法，而模型的階數(shù)及熱阻熱容等參數(shù)對(duì)模型準(zhǔn)確性的影響還缺少研究。因此空心砌塊通風(fēng)墻體需要建立準(zhǔn)確且易于嵌入建筑能耗模擬軟件包的簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)熱網(wǎng)模型，以用于該結(jié)構(gòu)的傳熱特性及節(jié)能特性研究。

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Re s e a rc h Proc e s s of The rm a l Mode ling of Hollow Bloc k Ve ntila te d Wa ll

YU Jing-hua1,TIAN Li-wei2,XU Xin-hua1,YANG Jian1
1 School of Environmental Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology
2 China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.

The ventilated wall is built using the hollow blocks,the exhaust air of air-conditioning system,underground tunnel air or cooling air of summer night can be used to flow through the cavity of hollow block,in order to carry away the cool and heat stored in walls.The development of heat transfer models of this structure with concise analysis was reviewed.The current researches on ventilated walls include the steady or dynamic heat transfer models of one-dimension,two-dimension and three-dimension,the majority are the steady-state models,while the instantaneous heat transfer characteristics of wall are essential important to cooling/heating loads and indoor thermal comfort.Transient heat transfer characteristics of the ventilated wall can be studied by the dynamic heat transfer model using numerical methods,but the methods are time-consuming,and can not be easily integrated in conventional building energy simulation packages to analyze the energy performance.Simplified dynamic thermal network model can integrate them in existing building energy simulation packages,which is a good research method for building energy analysis,however, there has been a lack of studies on how to accurately and systematically determine the order and the parameters of these models,such as resistances and capacitances,are hardly addressing.

ventilated wall;hollow block;dynamic;heat transfer model;energy performance

1003-0344（2014）04-040-4

2013-4-24

于靖華（1981～），女，博士，講師；湖北省武漢市華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院（430074）；E-mail:yujinghua323@126.com

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20110142120084）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51208221）