自然通風(fēng)狀態(tài)下輕質(zhì)屋面隔熱性能分析

付昌杰 馮雅 劉東升

摘要：在自然通風(fēng)狀態(tài)下，室內(nèi)空氣和屋面是耦合傳熱過程，文章建立輕質(zhì)保溫屋面和室內(nèi)空氣耦合傳熱的三維物理及數(shù)學(xué)模型，分析了屋頂有無保溫措施和保溫層厚度對(duì)屋頂隔熱性能及室內(nèi)熱環(huán)境的影響。分析表明：輕質(zhì)保溫屋頂比傳統(tǒng)無保溫屋頂能顯著降低屋頂內(nèi)表面溫度波動(dòng)，保溫厚度增加到200 mm，溫度波動(dòng)衰減幾乎不變;在延遲效果上，有保溫屋頂對(duì)溫度的延遲效果明顯，延遲程度隨保溫厚度增加逐漸減弱。

[基金項(xiàng)目]國家政府間國際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)：2019YFE0100300-11）

[作者簡介]付昌杰（1988—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能及建筑熱物理方面。

既有傳統(tǒng)建筑中木結(jié)構(gòu)屋面頂熱工性能差，夏季屋面頂內(nèi)表面溫度高，夏季屋面頂內(nèi)表面溫度對(duì)人體的輻射占到很大部分室內(nèi)熱環(huán)境差，嚴(yán)重影響了建筑室內(nèi)的熱舒適性。因此，提高屋面保溫隔熱性能，對(duì)提高抵抗夏季室外熱作用的能力尤其重要，也能減少空調(diào)能耗，改善室內(nèi)熱環(huán)境具有極為重要的作用。

近年來國內(nèi)外對(duì)輕質(zhì)屋面保溫隔熱性能進(jìn)行了大量研究，但大部分都是在空調(diào)模式下對(duì)屋面頂熱工狀況做研究。王平[1]對(duì)平屋面通風(fēng)隔熱性能做了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和CFD數(shù)值研究，研究表明：屋面通風(fēng)隔熱效果顯著，并驗(yàn)證了Fluent在屋面模型傳熱計(jì)算中的可行性;黃夏東[2]通過實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)位于福建建筑科學(xué)研究院金山基地屋面頂做了4種隔熱保溫性能熱工分析，給出常規(guī)架空屋面不能滿足節(jié)能要求，對(duì)屋面頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)控制在1.0 w/m2K以下。

以上研究所建立的分析模型均人為設(shè)定室內(nèi)空氣溫度及室內(nèi)壁換熱系數(shù)，僅對(duì)屋面固體結(jié)構(gòu)傳熱進(jìn)行分析。實(shí)際上，室內(nèi)空氣流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁面各處換熱性能不同，必須對(duì)屋面和室內(nèi)空氣進(jìn)行耦合傳熱分析才能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)室內(nèi)熱環(huán)境及屋面表現(xiàn)的熱工性能。

針對(duì)既有傳統(tǒng)建筑的屋面頂改造，本文主要分析在自然通風(fēng)狀態(tài)下，對(duì)輕質(zhì)屋面熱工性能的改造對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響。

1 傳統(tǒng)民居輕質(zhì)保溫隔層屋面物理模型

房屋物理模型見圖1，東西方向?yàn)閮擅鎵Γ蠅в虚T，北墻有開窗，南北方向?qū)崿F(xiàn)通風(fēng)，頂部是南北坡向的輕質(zhì)屋面頂。房間四周墻體的主體結(jié)構(gòu)尺寸，長6.52 m，寬5.02 m，高3.6 m，墻厚0.26 m，墻兩側(cè)存在抹灰0.01 m。南墻門開口尺寸2 m×1.8 m，北墻窗開口尺寸1.5 m×1.8 m。屋面分為3層，由上到下依次為15 mm瓦、保溫層、10 mm木制天花板，為了比較保溫層厚度對(duì)屋面熱工性能和室內(nèi)熱環(huán)境影響，保溫層厚度分別取0 mm、100 mm、200 mm、300 mm。因?yàn)楸狙芯繉?duì)象為東西對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了簡化計(jì)算，所以取整間房屋的一半來研究。

模型材料的物性參數(shù)詳見表1。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 流動(dòng)控制方程

本文考慮了自然對(duì)流的影響，因?yàn)樵诿總€(gè)時(shí)刻空氣存在溫差，空氣密度隨溫度變化，在熱壓的作用下，空氣會(huì)上浮，因此將空氣采用Boussinesq假設(shè)，在溫度變化不是很大的時(shí)候，此假設(shè)能很好的模擬自然對(duì)流現(xiàn)象。

對(duì)于湍流模型，金新陽[3]等對(duì)數(shù)值風(fēng)工程應(yīng)用中湍流模型做了比較研究，謝海英[4]也對(duì)前后通風(fēng)建筑內(nèi)外流動(dòng)湍流模型做了比較。根據(jù)前人的結(jié)果本文選用RNG k-ε二方程湍流模型。

2.2 邊界條件

圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面接收的太陽輻射量可以認(rèn)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面和天空進(jìn)行輻射換熱，天空可以假定成一個(gè)無限大的黑體平面。當(dāng)有太陽輻射時(shí)，屋面和墻體南側(cè)外表面接收的太陽輻射熱流量可以表示為qb=ρI=εσ（Tb4-T4r），其中ρ為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)太陽輻射的吸收系數(shù);ε為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面發(fā)射率，在灰體輻射中ρ=ε;I為太陽輻射強(qiáng)度;Tr為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度。Tb為天空有效黑體輻射溫度。

當(dāng)無太陽輻射時(shí)，即夜間的時(shí)候，Tb采用成都地區(qū)典型氣象年一天的逐時(shí)天空有效溫度。

（1）屋面外表面、南側(cè)豎直端面采用壁面第三類邊界條件和輻射邊界條件的混合邊界條件。

式中：tf為室外溫度;tr為屋面外表面溫度;ts為南墻外表面溫度; hr為屋面外表面對(duì)流換熱系數(shù)，W·（m2·K）-1;hs為南墻外表面對(duì)流換熱系數(shù)，W·（m2·K）-1;ε為屋面或墻體外表面發(fā)射率;σ為黑體輻射常數(shù)，其值為5.67×10-8W·（m2·K4）。

（2）為了分析房屋在自然通風(fēng)狀態(tài)下表現(xiàn)出來的熱物理性質(zhì)，南墻門和北墻窗都采用壓力出口邊界條件，壓力出口表壓力取0 Pa;東西墻和北墻采用定壁溫邊界條件T=299 K。

室外溫度和太陽輻射強(qiáng)度采用成都地區(qū)7月20日典型氣象年的數(shù)據(jù)，屋面和南墻外表面對(duì)流換熱系數(shù)取18W·（m2·K）-1，屋面頂和南墻外表面吸收系數(shù)分別取0.8和0.67[5]。建筑論壇與建筑設(shè)計(jì)付昌杰， 馮雅， 劉東升： 自然通風(fēng)狀態(tài)下輕質(zhì)屋面隔熱性能分析

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 屋面隔熱性能分析

熱惰性是表征圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)外界溫度波動(dòng)的抵抗能力，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性越大，對(duì)室外溫度波動(dòng)的抵抗能力越強(qiáng)，房屋室內(nèi)的溫度波動(dòng)較小，室內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定。因屋面南北兩側(cè)只是輻射強(qiáng)度不同，對(duì)屋面熱惰性的研究，本節(jié)以南側(cè)屋面頂為研究對(duì)象。屋面外表面平均溫度逐時(shí)分布曲線見圖2。屋面內(nèi)外表面平均溫度逐時(shí)分布曲線見圖3。

由圖2可知，由于屋面保溫板的存在，導(dǎo)致有太陽直射的時(shí)間段，屋面外表面溫度會(huì)略高于保溫屋面外表面溫度2 ℃左右，但當(dāng)太陽落山，由于保溫板對(duì)室內(nèi)熱量的阻隔，屋面外表面溫度由于室外對(duì)流的作用，溫度減低速度明顯優(yōu)于無保溫屋面，對(duì)城市熱島強(qiáng)度的降低起到有利作用。

自然通風(fēng)下圖2與圖3進(jìn)行對(duì)比，無保溫屋面內(nèi)外表面溫度差在1 ℃左右，屋面幾乎對(duì)外表面溫度沒有延遲和衰減作用，屋面內(nèi)表面溫度隨太陽輻射強(qiáng)度增減規(guī)律一致;有保溫屋面內(nèi)表面溫度波動(dòng)幅度相對(duì)平穩(wěn)。

屋面采取保溫后，內(nèi)表面溫度會(huì)有明顯的降低，但隨著保溫層厚度的增加屋面內(nèi)表面溫度衰減幅度逐漸減小，說明在采用保溫屋面時(shí)存在一個(gè)合理的保溫層厚度。不同保溫層厚度屋面隔熱性能和對(duì)溫度的延遲及衰減程度見表2。

由表2可知，對(duì)屋面增加保溫層，提高了屋面的熱阻，能有效地改善屋面內(nèi)表面溫度過高的現(xiàn)象，顯著地降低屋面內(nèi)表面對(duì)人體的長波輻射作用;當(dāng)保溫層厚度增加到一定程度之后，屋面內(nèi)表面溫度全天溫差將會(huì)趨于一致，溫度衰減值與延遲時(shí)間逐漸增加，增加保溫層厚度對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境改善作用越來越小。

3.2 室內(nèi)熱環(huán)境分析

因正午時(shí)分太陽輻射強(qiáng)度最大，選取正午時(shí)的室內(nèi)溫度場，對(duì)有保溫與無保溫措施屋面頂作比較。根據(jù)3.1章節(jié)的分析，100 mm的保溫板已經(jīng)可以對(duì)屋面內(nèi)表面溫度起到很好的改善作用，所以本節(jié)取100 mm保溫屋面與無保溫屋層頂作比較，室內(nèi)溫度場分布見圖4。

從圖4可以看出，在屋面外表面有持續(xù)的太陽輻射下，無保溫屋面房屋空氣上層出現(xiàn)悶頂現(xiàn)象，由上到下溫度依次降低;有保溫屋面室內(nèi)沒有出現(xiàn)悶頂現(xiàn)象，室內(nèi)空氣溫度均衡。悶頂?shù)拇嬖谑狗课萆蠈涌諝庑纬梢粋€(gè)大的保溫層，且室內(nèi)低溫區(qū)域會(huì)明顯減少，對(duì)既有建筑增加屋面頂保溫能有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境，提升室內(nèi)舒適區(qū)域范圍。

4 結(jié)論

通過對(duì)既有傳統(tǒng)輕質(zhì)屋面房屋的耦合傳熱模擬計(jì)算，得出結(jié)論：

（1）對(duì)既有輕質(zhì)屋面增設(shè)保溫層能顯著降低屋面內(nèi)表面溫度及波動(dòng)，且能夠在一定程度上對(duì)降低城市熱島現(xiàn)象上起到有利作用。當(dāng)保溫層厚度增加到一定程度之后，屋面內(nèi)表面溫度全天溫差將會(huì)趨于一致，溫度衰減值與延遲時(shí)間逐漸增加，增加保溫層厚度對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境改善作用越來越小。

（2）在屋面外表面有持續(xù)的太陽輻射下，無保溫層屋面室內(nèi)空氣由上到下溫度依次降低，且室內(nèi)低溫區(qū)域會(huì)明顯減少;有保溫層屋面室內(nèi)空氣溫度均衡，能有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境，提升室內(nèi)舒適區(qū)域范圍。

（3）對(duì)既有傳統(tǒng)輕質(zhì)屋面通過增加保溫材料的做法有助于改善室內(nèi)熱環(huán)境，保溫層厚度在100 mm級(jí)（以XPS保溫板熱工性能為例）為宜。

參考文獻(xiàn)

[1] 王平.通風(fēng)屋面隔熱性能分析研究[D]. 長沙： 湖南大學(xué)，2008.

[2] 黃夏東.屋頂隔熱構(gòu)造的熱工性能分析[J]. 福建建筑，2005（2）：32-33.

[3] 金新陽，楊偉，金海，等. 數(shù)值風(fēng)工程應(yīng)用中湍流模型的比較研究[J]. 建筑科學(xué)，2006，22（5）：1-3.

[4] 謝海英，張道方.前后通風(fēng)的建筑內(nèi)外流動(dòng)湍流模型比較[J]. 上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（5）：449-452.

[5] 華南理工大學(xué)，重慶大學(xué)，大連理工大學(xué)，等.建筑物理[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2002.