主動通風(fēng)式高效保溫隔熱外墻的傳熱模擬研究

劉 琳 ，余 莊，張 輝 ，王 薇

（1.華中科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 安徽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，安徽 合肥 230022）

高效保溫隔熱外墻系統(tǒng)是當(dāng)前一項運用廣泛的建筑節(jié)能技術(shù)，它是一種采用了外墻外保溫并利用了飾面干掛技術(shù)的復(fù)合墻體．其主體墻體覆蓋外保溫層后，面層采用干掛飾面磚，保溫層與飾面層間留有一定間隙，在自然通風(fēng)作用下可有效形成流動空氣層，構(gòu)成通風(fēng)外墻．該技術(shù)使墻體的隔熱保溫性能得到明顯提升，利于降低建筑空調(diào)負(fù)荷[1-2]．

國外研究人員對帶空氣間層的通風(fēng)外墻已進(jìn)行了一系列研究：Carla利用數(shù)值模擬方法研究了自然通風(fēng)作用下的通風(fēng)外墻，分析了室外空氣綜合溫度、墻體高度及空氣間層厚度對墻體通風(fēng)量和傳熱量的影響[3]．Patania對三種不同材料外飾面板的通風(fēng)外墻做了數(shù)值模擬與比較研究，提出了墻體節(jié)能率指標(biāo)并以此分析了太陽輻射、室外氣溫及間層進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速對墻體節(jié)能效果的影響[4]．Alvaro對通風(fēng)外墻及雙層通風(fēng)幕墻的傳熱模擬研究進(jìn)行了綜述，對各研究中所應(yīng)用的不同數(shù)值模擬方法進(jìn)行了歸納總結(jié)[5]．還有諸多文章通過模擬或?qū)嶒灥姆椒▽νL(fēng)墻體的熱性能展開了研究[6-8]．以上研究多是針對自然通風(fēng)模式下的通風(fēng)外墻展開，即便是研究主動送風(fēng)模式下的通風(fēng)外墻，其通風(fēng)形式也是將室外空氣送入墻體間層．而本文所研究的高效保溫隔熱外墻是對室內(nèi)排風(fēng)進(jìn)行再利用，通過主動方式將其送入空氣間層提高墻體性能．由于室內(nèi)排風(fēng)與室外空氣間存在明顯溫差，此種應(yīng)用形式對通風(fēng)外墻傳熱性能的改善效果尚有待研究．

本文對夏季工況下該通風(fēng)墻體的傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，計算了不同工況下墻體傳熱量及熱阻值．同時分析了不同空氣間層通風(fēng)量與外墻面溫度對墻體隔熱性能的影響．本文的模擬研究過程對帶空氣間層的圍護(hù)結(jié)構(gòu)如：含通風(fēng)流道的光伏組件、應(yīng)用相變材料的通風(fēng)墻體、通風(fēng)狀態(tài)下的特隆布墻等具有一定適用性與參考性．

1 主動通風(fēng)式高效保溫隔熱外墻的傳熱分析

圖1 通風(fēng)外墻傳熱分析Fig. 1 Heat transfer of ventilated facades

圖2 主動通風(fēng)式高效保溫隔熱外墻示意圖Fig. 2 Scheme of the forced ventilated thermal insulating wall

本文研究的主動通風(fēng)式高效保溫隔熱外墻為夏熱冬冷地區(qū)武漢市某可再生能源建筑應(yīng)用示范項目的外墻系統(tǒng)．該通風(fēng)墻體可根據(jù)季節(jié)變化，改變空氣間層通風(fēng)方式，并在主動送風(fēng)模式下還可控制風(fēng)機調(diào)節(jié)空氣間層通風(fēng)量．在冬夏空調(diào)季，建筑利用機械送風(fēng)將室內(nèi)排風(fēng)送入空氣間層；在過渡季利用屋頂無動力風(fēng)機，抽取室內(nèi)空氣進(jìn)入墻體間層．該通風(fēng)墻體主要由三部分組成: 泡沫混凝土內(nèi)墻、中間空氣間層及聚氨酯保溫外墻，如圖2所示．

通風(fēng)外墻的傳熱過程主要由以下四部分組成：墻體內(nèi)外表面與室內(nèi)外環(huán)境間的對流輻射換熱、內(nèi)外層墻體的內(nèi)部導(dǎo)熱、空氣間層兩側(cè)墻體壁面間的輻射換熱以及空氣間層與兩側(cè)壁面的對流換熱，傳熱過程如圖1所示．

本文研究的是墻體經(jīng)一定時間段，通風(fēng)傳熱狀態(tài)穩(wěn)定后的傳熱過程．結(jié)合通風(fēng)外墻運行的實測數(shù)據(jù)，對不同間層通風(fēng)量及室外墻面溫度下的墻體傳熱展開研究．故在 CFD數(shù)值計算模型中以內(nèi)外墻面溫度作其邊界條件，則在本文模擬計算的墻體傳熱過程，不包含上述室內(nèi)外墻面與室內(nèi)外環(huán)境間的對流輻射換熱．采用溫度作為模型內(nèi)外墻面的邊界條件使模擬計算更符合建筑實際運行狀況，避免了對室內(nèi)外墻面對流換熱系數(shù)取經(jīng)驗值帶來的誤差．因而本文計算研究的墻體熱阻為室內(nèi)外墻面溫差作用下的熱阻，不包含室內(nèi)外墻面與室內(nèi)外環(huán)境間的換熱熱阻．對所研究的主動通風(fēng)式高效保溫隔熱外墻，由于流動空氣層的通風(fēng)作用及墻體自身材料的高隔熱性能，室內(nèi)外墻面與環(huán)境間的換熱熱阻占墻體自身熱阻比例極低．結(jié)合規(guī)范推薦的室內(nèi)外墻面對流換熱系數(shù)8.7 W/(m2K)、22.1 W/( m2K)[9]，室內(nèi)外墻面與環(huán)境間的對流換熱熱阻僅為墻體自身熱阻的1.122%（針對表4工況1墻體熱阻最小時計算得到）．故忽略室內(nèi)外墻面的換熱熱阻來計算分析該通風(fēng)墻體的熱阻是合理有效的．

2 CFD計算模型及計算工況

2.1 通風(fēng)外墻的CFD計算模型

如上文所述研究對象為一定時間段內(nèi)通風(fēng)傳熱穩(wěn)定后的動態(tài)通墻傳熱過程，做以下兩點基本假設(shè)：1，認(rèn)為所研究問題為穩(wěn)態(tài)傳熱問題；2，空氣間層內(nèi)空氣為不可壓縮牛頓流體．

模型采用正交六面體網(wǎng)格，由于空氣間層厚度僅60 mm，為了更準(zhǔn)確地模擬空氣間層內(nèi)的流場及溫度場，湍流模型采用對黏性底層可求解的低eR數(shù)法εκ-模型[10]．模型網(wǎng)格在各壁面黏性底層及空氣間層進(jìn)出風(fēng)口處加密．該計算模型在求解過程中耦合了導(dǎo)熱、對流與輻射換熱．輻射計算采用DO模型，在計算中將固體表面作為漫灰表面，進(jìn)出風(fēng)口作為黑體．在邊界條件的指定中：進(jìn)風(fēng)口采用velocity inlet；出風(fēng)口采用outflow；室內(nèi)外墻面給定溫度值作為其邊界條件；空氣間層兩側(cè)壁面為耦合壁面；其余壁面均簡化為絕熱壁面．經(jīng)過600多次迭代后，各變量殘差達(dá)到收斂控制條件．

2.2 通風(fēng)外墻的物理模型及計算工況

示范建筑所應(yīng)用的通風(fēng)墻基本單元如圖2所示，模型考慮了窗戶對氣流的影響．室內(nèi)排風(fēng)從窗戶下側(cè)進(jìn)風(fēng)口送入，通過上側(cè)出風(fēng)口流出．墻體各層材料的熱物性參數(shù)如下表1所示．

根據(jù)示范建筑的實測數(shù)據(jù)：在2013年夏季6-8月室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)開啟期間，通風(fēng)外墻的室內(nèi)墻面溫度能保持在31℃；8:00-18:00時間段的室外南墻溫度平均值在 35-45℃之間變化，溫度峰值出現(xiàn)在56.9℃．示范建筑通風(fēng)外墻按空氣間層通風(fēng)量高低分兩檔運行模式，其空氣間層平均風(fēng)速分別為0.5m/s和1m/s．為研究不同通風(fēng)量和不同外墻面溫度對墻體傳熱性能的影響，選定五組不同通風(fēng)量與外墻溫度值進(jìn)行模擬計算，具體計算工況見表2．而通風(fēng)外墻的室外壁面溫度保持為31℃．

表1 墻體各層材料熱物性參數(shù)Tab. 1 Thermo-physical characteristics of the ventilated facade

表2 模擬計算工況Tab. 2 Cases of calculations

3 模型的實驗驗證

本文研究的通風(fēng)外墻是某可再生能源建筑應(yīng)用示范項目的外墻系統(tǒng)，該建筑在 2009年完成并投入使用．2010年暑期對通風(fēng)外墻的運行情況進(jìn)行了大量實測．實測用到的主要設(shè)備是精度為 0.3%的康銅熱電偶6根以及一臺總線式無紙記錄儀．對建筑中的一扇通風(fēng)墻體的點1-3及6-8位置鉆孔后（如下圖5所示），放入熱電偶進(jìn)行溫度測量并每隔五分鐘存入記錄儀中．

為驗證本文所建CFD模型的準(zhǔn)確性，現(xiàn)選取8月14日中午14:00時的通風(fēng)外墻實測數(shù)據(jù)如表3，對模擬進(jìn)行比較驗證．在 CFD模型中將實測的墻體室內(nèi)外壁面溫度作其邊界條件，間層進(jìn)風(fēng)口溫度設(shè)為室內(nèi)空氣溫度，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速按送風(fēng)設(shè)備通風(fēng)量設(shè)定．比較實測與模擬數(shù)據(jù)，通風(fēng)墻體6個鉆孔點內(nèi)的溫度對比如圖3．從圖中可以看出，各測點的模擬與實測溫度變化趨勢相近，溫度值有一定偏差，最大為 1.36℃．引起偏差的一個重要影響因素是：由于實測時進(jìn)風(fēng)口溫度無法直接測量，模擬中直接將室內(nèi)溫度作為墻體空氣間層的進(jìn)風(fēng)溫度，忽視了從室內(nèi)排風(fēng)經(jīng)過送風(fēng)管送達(dá)墻體進(jìn)風(fēng)口的沿程溫度升高．考慮到墻體進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速溫度無法直接測量對模型邊界條件準(zhǔn)確性造成的影響，得到的對比驗證中各點溫度相近、變化趨勢一致已經(jīng)能說明文中CFD模擬的有效性．

表3 通風(fēng)外墻實測數(shù)據(jù)Tab. 3 Experimental data on the ventilated facade

圖3 模擬與實測驗證對比Fig. 3. Comparison of the validation of the CFD model

4 模擬計算結(jié)果與討論

4.1 空氣間層的風(fēng)速分布

如圖2該通風(fēng)外墻進(jìn)風(fēng)口為一直徑0.1 m的風(fēng)管，位于窗戶一側(cè)下方；出風(fēng)口位于墻體頂端與空氣間層截面一致．空氣從進(jìn)風(fēng)口送入繞窗分左右兩側(cè)流過，最后從上側(cè)出風(fēng)口排走．由于該通風(fēng)墻體采用主動送風(fēng)，外墻面溫度對間層的流速分布基本無影響，圖4為工況四的空氣間層流速分布．

通風(fēng)墻體的進(jìn)風(fēng)口流速很大，空氣送入間層后流向改變，風(fēng)速顯著減?。诳諝忾g層中心剖面上取點1-8（如圖5所示）分析墻體空氣間層不同區(qū)域的風(fēng)速變化特征如圖6所示．流速分布整體呈現(xiàn)出沿氣流流向逐漸將低的特征，且在流向改變區(qū)域風(fēng)速衰減明顯，如點6所示．而窗上方區(qū)域距進(jìn)風(fēng)口最遠(yuǎn)且受遮擋，各工況下此處氣流速度均明顯低于其它區(qū)域．可見對于帶窗的通風(fēng)墻體，空氣間層的流速存在顯著不均勻性．各區(qū)域流速差異明顯．間層通風(fēng)量越大流速分布越不均勻，這也必將影響空氣間層的對流換熱效果．

圖4 工況4空氣間層中心剖面風(fēng)速分布圖Fig. 4 Velocity distribution of the vertical center section in the air gap (Case 4)

圖5 空氣間層中心剖面數(shù)據(jù)采集示意圖Fig. 5 Scheme of the points for data acquisition

圖6 工況1-5各點流速對比圖Fig. 6 Comparison between the velocity at the points for five cases

圖7 工況4空氣間層中心剖面溫度分布圖Fig. 7 Temperature distribution of the vertical center section in the air gap (Case 4)

4.2 空氣間層的溫度分布

室內(nèi)排風(fēng)送入墻體間層后，隨著其與兩側(cè)壁面間對流換熱的發(fā)生，氣流溫度沿流向逐漸升高，圖7為工況4的空氣間層中心剖面溫度分布．圖8為工況4通風(fēng)外墻截面溫度分布．如圖所示，墻體空氣間層斷開了內(nèi)外層墻體的導(dǎo)熱．流動空氣層能有效帶走室外傳入的熱量，顯著降低空氣層兩側(cè)壁面的溫度．而內(nèi)層墻體空氣層壁面溫度的降低，對于減小室內(nèi)墻面輻射溫度，改善室內(nèi)舒適度意義重大．分析各工況模擬結(jié)果，內(nèi)層墻體空氣層壁面溫度均與流動空氣層溫度相近，且其值隨間層流速的增大而減?。g層平均風(fēng)速從0.25 m/s升高至1.25 m/s時，內(nèi)層墻體空氣側(cè)壁面溫度依次降低了0.579℃、0.211℃、0.118℃、0.062℃．而隨各工況外墻面溫度的降低，內(nèi)層墻體空氣側(cè)壁面溫度呈線性下降，數(shù)值約0.12℃．

空氣間層的氣流溫度沿其流向逐漸升高，圖9為窗戶兩側(cè)氣流沿高度方向上的溫度變化，可見各工況下氣流溫度沿流向的變化率差異明顯．同時同一工況的窗戶兩側(cè)氣流溫度變化趨勢基本一致，只是左側(cè)氣流由于進(jìn)出口間路徑較短溫度更低．提高空氣間層通風(fēng)量能有效減小間層氣流沿流向的溫度上升，從而提高墻體的隔熱性能．對工況 1-5，窗戶兩側(cè)氣流溫升均值依次為1.487℃、0.832℃、0.584℃、0.415℃、0.316℃．而對不同外墻面溫度工況，氣流沿流向的溫度上升隨外墻面溫度升高而增大．外墻面溫度從35升至55℃時，溫度升高依次為 0.120℃、0.225℃、0.412℃、0.470℃、0.642℃．外墻面溫度變化對間層氣流的溫度影響明顯不及通風(fēng)量的改變顯著．

圖8 工況4空氣間層截面溫度分布圖Fig. 8 Temperature distribution of the transverse section in the air gap (Case 4)

圖9 不同通風(fēng)量工況氣流沿高度的溫度分布圖Fig. 9. Profiles of air temperature at different height

4.3 通風(fēng)外墻的隔熱性能分析

通風(fēng)外墻熱工計算結(jié)果見表3，其中通風(fēng)墻熱阻由換入室內(nèi)的熱量與室內(nèi)外墻面溫差決定，空氣間層帶走熱量百分比為內(nèi)外層墻體傳熱量之差占外層墻體傳熱量的比例．表4結(jié)果說明：通風(fēng)空氣間層能非常有效地阻擋熱量從外層墻體傳入內(nèi)層墻體，各工況下流動空氣層帶走了90.48%～97.94%的外部熱量，使墻體具有很高的隔熱性能．

4.3.1 空氣間層通風(fēng)量的影響

墻體通風(fēng)量增大加強了空氣間層的對流換熱，流動空氣層帶走更多熱量，墻體熱阻隨之增大如表3．為分析間層空氣流動狀態(tài)對通風(fēng)墻熱阻的影響，以便預(yù)測不同通風(fēng)狀態(tài)下的墻體隔熱性能．對墻體熱阻R與空氣間層平均風(fēng)速V進(jìn)行回歸分析，擬合得到二者之間有很好的線性關(guān)系如圖10，可得墻體熱阻回歸方程如下：

圖11為不同通風(fēng)量工況及不同外墻面溫度工況下的墻體傳入室內(nèi)的熱量對比圖．墻體傳熱量隨空氣間層平均風(fēng)速的增加而減小，并且減小幅度漸趨平緩．平均風(fēng)速從0.25 m/s升高到0.5 m/s時，墻體傳熱量減小了45%．而平均風(fēng)速由1 m/s升至1.25 m/s時，傳熱量僅減小了0.046 W/m2，改善作用很?。畨w間層風(fēng)速過小，不能充分發(fā)揮其隔熱性能．對本文所研究的主動通風(fēng)式高效保溫隔熱外墻，應(yīng)保持其間層平均風(fēng)速在0.5 m/s以上．

表4 主動通風(fēng)式高效保溫隔熱外墻熱工計算結(jié)果Tab. 4 Results of the thermal calculation

4.3.2 外墻面溫度的影響

由表4結(jié)果可知，在外墻面溫度為40℃-55℃時，通風(fēng)外墻熱阻在50.562-50.955 (m2K)/W之間，變化率不到1%．而在外墻面溫度為35℃時，通風(fēng)外墻熱阻為43.956 (m2K)/W，相比其他外墻面溫度工況低約13%．因為此時室外墻面與空氣間層溫差過小僅4℃，導(dǎo)致墻體熱阻的計算在該溫差下準(zhǔn)確度不如其他工況．同時圖11也反應(yīng)墻體傳熱量隨外墻面溫度升高而線性增長．總體而言，外墻面溫度變化對墻體熱阻值影響很小，通風(fēng)外墻有著穩(wěn)定的隔熱性能．

圖10 墻體熱阻與空氣間層平均風(fēng)速擬合圖Fig. 10 The ventilated thermal resistance as a function of the average air velocity

圖11 不同通風(fēng)量及外墻面溫度下墻體傳熱量對比圖Fig. 11 Comparison of the heat transfer rate under different flow rate of the air gap and different external wall temperature

5 結(jié)論

(1)夏季工況下，主動通風(fēng)式高效保溫隔熱外墻有著很好的隔熱性能．墻體利用室內(nèi)排風(fēng)形成流動空氣間層，能有效帶走 90%以上的室外傳入熱量，使通過內(nèi)層墻體的熱量顯著降低．

(2)通風(fēng)外墻利用流動空氣層斷開了內(nèi)外層墻體的導(dǎo)熱，顯著降低了內(nèi)層墻體溫度．而室內(nèi)墻面溫度的降低，利于提高室內(nèi)舒適度．

(3)通風(fēng)外墻熱阻隨空氣間層通風(fēng)量的增加而增大．?dāng)M合得到了熱阻值與間層平均風(fēng)速間的線性回歸方程，可用于預(yù)測不同通風(fēng)狀態(tài)下的墻體熱阻．對本文所研究的通風(fēng)外墻，運行時應(yīng)將間層平均風(fēng)速控制在0.5 m/s以上，能較好地發(fā)揮流動空氣間層作用，提高墻體隔熱性能．

(4)通風(fēng)外墻隔熱性能對外墻面溫度變化不敏感，外墻面溫度在40～55℃之間時，墻體熱阻值基本保持不變．應(yīng)用本文方法得到墻體熱阻來估算墻體負(fù)荷是可行有效的，但若要精確計算實時負(fù)荷，還需考慮外墻面溫度隨時間變化對墻體傳熱過程的影響．

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