溫度補(bǔ)償墻體的初步研究

董昭祿　張葉　王偉　馬貝貝

【摘 要】我國建筑普遍存在能耗大、效率低、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能差等問題，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗是建筑能耗中占比最大的部分。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境的聯(lián)系紐帶，是建筑物內(nèi)、外環(huán)境進(jìn)行熱量交換的主要通道，所以減少墻體能耗是減少建筑能耗的主要方法之一。但是傳統(tǒng)墻體傳熱系數(shù)固定不變，不利于晝夜溫差大的嚴(yán)寒地區(qū)及時(shí)利用空氣的溫度進(jìn)行散熱和得熱。本文提出了溫度補(bǔ)償墻體墻體，在建筑內(nèi)、外環(huán)境傳熱驅(qū)動(dòng)溫差發(fā)生變化時(shí)，墻體可以及時(shí)的增加“有益”傳熱，減少“有害”傳熱，以達(dá)到有效的降低建筑物能耗的目的，并應(yīng)用CFD軟件包Fluent通過對溫度補(bǔ)償墻體系統(tǒng)進(jìn)行了簡化，研究了溫度補(bǔ)償墻體在不同雙金屬片曲率，不同變熱阻層厚度及不同雙金屬片間距時(shí)熱工特性，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】溫度補(bǔ)償墻體；建筑節(jié)能；傳熱系數(shù)

A Preliminary Study on Temperature Compensated Wall

（Civil Engineering Department， Xinjiang University，Urumqi Xinjiang，830047，China）

【Abstract】Large energy consumption， low efficiency and the poor insulation structure and the huge envelope energy consumption are the most important existing issues. Building envelope is the link between the indoor environment and the outdoor environment， is the main channel of heat exchange between building inside and outside， therefore reduce the wall energy consumption is one of the main methods to reduce building energy consumption. But heat transfer coefficient of traditional wall is fixed， is not suitable for the cold area where the temperature difference between day and night is large. In this paper， the temperature compensation wall is proposed. When the temperature difference between the inside and outside of the building is changed， the wall can increase the “beneficial” heat transfer and reduce the “harmful” heat transfer in order to achieve the effective reduction of the building. The Computational Fluid Dynamics CFD software package Fluent is adopt for simulation of thermal performance of the temperature compensation wall. The influence of different thermal resistance thickness and different bimetallic spacing are simulated.

【Key words】Temperature compensation wall；Building energy efficiency；Heat transfer coefficient

0 引言

建筑向節(jié)能、綠色、智能化發(fā)展已經(jīng)成為國際建筑界實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展理念的一大趨勢[1]。我國建筑能耗約占全社會(huì)總能耗的 27% 左右，且這個(gè)比例仍在逐漸增長，因而開發(fā)新的建筑節(jié)能技術(shù)，推廣新型建筑節(jié)能材料，推行相關(guān)的建筑節(jié)能措施和規(guī)范，全力降低建筑總能耗，應(yīng)是當(dāng)前社會(huì)節(jié)能領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向[2]。在建筑的能耗損失中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱損失所占的比例為40%～50%，因而建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能在建筑節(jié)能工作中有著較為重要的作用[3]。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)又是室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境的聯(lián)系紐帶，是建筑物內(nèi)、外環(huán)境進(jìn)行熱量交換的主要通道[4]，因此減少墻體能耗是減少建筑能耗的主要方法之一。為此，本研究提出了溫度補(bǔ)償墻體，該墻體不僅在冬季隨室外環(huán)境溫度變化而進(jìn)行墻體傳熱系數(shù)自調(diào)節(jié)，降低冬季供暖能耗；在夏季同樣可以隨室外環(huán)境溫度變化自動(dòng)進(jìn)行傳熱系數(shù)調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)省空調(diào)能耗及電能耗等優(yōu)點(diǎn)。

1 溫度補(bǔ)償墻體基本構(gòu)造及原理

1.1 溫度補(bǔ)償墻體基本構(gòu)造

中所示本文研究提出的傳熱系數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)墻體結(jié)構(gòu)主要由：覆面保護(hù)層（1）、變熱阻層（2）、承重層（3）、面層（4）構(gòu)成。其中變熱阻層是墻體能夠進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)闹饕糠?，由雙金屬片（5）和柔性導(dǎo)熱基體（6）構(gòu)成。

1.2 溫度補(bǔ)償墻體原理

在夏季，當(dāng)室外溫度高于室內(nèi)溫度時(shí)，面層（1）受熱，使得雙金屬片（5）溫度升高如圖2所示向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)彎曲，各個(gè)雙金屬片（5）與對應(yīng)的柔性導(dǎo)熱基體（6）發(fā)生分離，使得變熱阻層（2）內(nèi)只有空氣導(dǎo)熱，因此熱阻最大，傳熱系數(shù)最小，此時(shí)通過墻體傳導(dǎo)到室內(nèi)的熱量最小，在不使用空調(diào)的前提下，對室內(nèi)溫度進(jìn)行了補(bǔ)償，減少了建筑物空調(diào)能耗。當(dāng)室外溫度降低直至低于室內(nèi)溫度時(shí)，雙金屬片（5）向下偏轉(zhuǎn)直至與對應(yīng)導(dǎo)熱基體（6）閉合，此時(shí)變熱阻層內(nèi)雙金屬片與柔性導(dǎo)熱基體重新構(gòu)成熱橋，減少了變熱阻層熱阻，傳熱系數(shù)最大。此時(shí)通過墻體傳導(dǎo)到室外的熱量很大，室內(nèi)溫度得到補(bǔ)償，也減少了空調(diào)能耗。

1.3 溫度補(bǔ)償墻體傳熱系數(shù)計(jì)算

根據(jù)熱力學(xué)原理，垂直于傳熱方向由兩種以上材料組成的復(fù)合材料層，溫度補(bǔ)償墻體的平均熱阻應(yīng)按下式計(jì)算：

=-R+R？漬（1）

式中：—平均熱阻（m2·K/W）；

F0—與傳熱方向垂直的總傳熱面積（m2）；

F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n—按平行于熱流方向劃分的各個(gè)傳熱面積（m2）；

R0.1，R0.2，…，R0.n—各個(gè)傳熱部位的熱阻（m2·K/W）；

φ—組合材料的修正系數(shù)。

傳熱系數(shù)按下式計(jì)算：

K=（2）

2 CFD軟件模擬

根據(jù)溫度補(bǔ)償墻體傳熱系數(shù)的計(jì)算式可以看出，溫度補(bǔ)償墻體的熱工特性受變熱阻層尺寸，雙金屬片間距，以及雙金屬片曲率的影響。為此本研究采用了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件CFD，采用了湍流動(dòng)能k方程，對所提出的溫度補(bǔ)償墻體進(jìn)行了初步的模擬。k-ε模型對于較小壓力梯度下的自由剪切流具有較好的計(jì)算結(jié)果；對于壁面流動(dòng)，在零或小平均壓力梯度下，模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的較為一致。

2.1 幾何模型的建立

根據(jù)本文所提出的溫度補(bǔ)償墻體的工作原理，墻體變熱阻層外側(cè)各層為外墻涂層，保溫層，屬各向同性材料，因此將它們簡化為一層，同理變熱阻層內(nèi)側(cè)為結(jié)構(gòu)層和內(nèi)墻表面涂層，也簡化為一層，簡化后模型如圖3所示，模型網(wǎng)格劃分圖如圖4所示。

墻體覆面保護(hù)層的簡化面（1）、承重層的簡化面（2）、變熱阻層空氣間層（3）、上下部分絕熱面層（4）、曲率為20°的雙金屬片（5）。墻體的高度為固定值，H=0.5m；變熱阻層厚度為σ=100mm；雙金屬片間隔為a=100mm，長度為ds=90mm，厚度為σ=0.5mm。

2.2 邊界條件

將柔性導(dǎo)熱基體；模型上下兩面為設(shè)置為絕熱面；進(jìn)口邊界為覆面保溫層。覆面保溫層入口材料設(shè)定為膠粉聚苯顆粒保溫砂漿層，密度為：ρ=230kg/m3；比熱容：=1202j/（kg·K）；導(dǎo)熱系數(shù)：λ=0.059W/（m·K）。覆面保溫層邊界類型設(shè)定為Wall，左側(cè)的邊界設(shè)定為Temperature，溫度初步設(shè)定為30度，墻體厚度為80mm，發(fā)熱率為0W/m3。出口溫度設(shè)置為23°C，出口面為承重層面，使用混凝土的熱物性參數(shù)設(shè)置邊界條件；而進(jìn)入面為保溫層面，使用膠粉聚苯顆粒保溫砂漿熱物性參數(shù)設(shè)置邊界條件，溫度為室外氣象溫度，通過給定一個(gè)固定的值對雙金屬片曲度、豎向間隔、變熱阻層厚度選取最佳值后進(jìn)行改變。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 雙金屬片曲率對溫度補(bǔ)償墻體熱工特性的影響

變熱阻層厚度初步設(shè)定為100mm，雙金屬片間距為100mm，雙金屬片材料選定為主動(dòng)層為Mn75Ni15Cu10，其被動(dòng)層為Ni36的雙金屬片。將雙金屬片的彎曲度設(shè)為自變量。本模型使用FLUENT15.0進(jìn)行模擬，在Workbench的總操作平臺(tái)中創(chuàng)建新的ICEM CFD得版塊進(jìn)行建模。創(chuàng)建雙金屬片彎曲角度分別為0°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°的八個(gè)模型進(jìn)行分別操作。溫度補(bǔ)償墻體傳熱系數(shù)隨雙金屬片曲率變化曲線如圖5所示。

雙金屬片曲率為0°時(shí)的傳熱系數(shù)為雙金屬片曲率20°時(shí)的傳熱系數(shù)的四倍。相當(dāng)于在該簡化的模型中，雙金屬片的彎曲時(shí)由于出現(xiàn)空氣間層，其熱阻較大，通過的熱量較小而改變了該變熱阻層墻體的傳熱系數(shù)。

3.2 變熱阻層尺寸對溫度補(bǔ)償墻體熱工特性的影響

在各部分材料設(shè)定不變的情況下，取上一節(jié)中所得出的傳熱系數(shù)最小的雙金屬片曲率為20°的值，其他邊界條件設(shè)定保持不變，變熱阻層尺寸為自變量。在ICEM CFD中對變熱阻層厚度為50mm、75mm、100mm、125mm、150mm、175mm、200mm的墻體分別建立模型并使網(wǎng)格各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置相同，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

在變熱阻層厚度低的時(shí)候，因傳熱面積小，變熱阻層厚度較薄，傳熱系數(shù)大，從而增大了從外界通過墻體傳入到內(nèi)壁面的熱量。隨著變熱阻層逐漸變厚，傳熱面積增大，傳熱系數(shù)逐漸變小，在變熱阻層厚度為100mm時(shí)，傳熱系數(shù)達(dá)到最小14.17W/㎡·K。而后，隨著變熱阻層厚度增大，因雙金屬片的面積逐漸增大，變熱阻層的導(dǎo)熱系數(shù)也隨之增大，從外界通過變熱阻層傳入到內(nèi)壁的熱量增大，傳熱系數(shù)也增大。

3.3 雙金屬片間距對溫度補(bǔ)償墻體熱工特性的影響

在各部分材料設(shè)定不變的情況下，取3.1中所得出的傳熱系數(shù)最小的雙金屬片曲率為20°的值，變熱阻層厚度取傳熱系數(shù)最小的變熱阻層厚度為100mm的值，與此同時(shí)其他邊界條件設(shè)定保持不變，雙金屬片間距設(shè)為自變量。在ICEM CFD中對雙金屬片間距為25mm、50mm、100mm、125mm的墻體分別建立模型并使網(wǎng)格各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置相同，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

4 結(jié)論

本文分析并簡化了本研究所提出的溫度補(bǔ)償墻體，得到一個(gè)較為簡化的模型，通過CFD軟件FLUENT對簡化模型進(jìn)行了模擬。根據(jù)模擬結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論：

（1） 曲率不同的雙金屬片會(huì)導(dǎo)致溫度補(bǔ)償墻體傳熱系數(shù)變化，從系統(tǒng)帶給室內(nèi)的熱量的角度分析，選取傳熱系數(shù)較小的雙金屬片曲率時(shí)對于整個(gè)系統(tǒng)的從室外導(dǎo)入到室內(nèi)的熱量更多。通過計(jì)算分析，得出雙金屬片曲率為20°時(shí)，傳熱系數(shù)為最小值14.17W/㎡·K。

（2）變熱阻層較厚的墻體雙金屬片傳熱面積較大，會(huì)導(dǎo)致變熱阻層雙金屬片和柔性基體間傳熱增大，通過計(jì)算分析，得變熱阻層厚度為100mm時(shí)，傳熱系數(shù)為最小值14.17W/㎡·K。

（3）在雙金屬片間距較小的時(shí)候，雙金屬片分布密集，金屬導(dǎo)熱的部分夾層導(dǎo)熱面積增大，溫度補(bǔ)償墻體的傳熱系數(shù)有較明顯的增加。雙金屬片分布越密集，墻體傳熱系數(shù)越高，過高的傳熱系數(shù)不利于墻體在夏季對室內(nèi)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，因此最佳雙金屬片間距應(yīng)在100-125mm之間。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]