通风斜屋顶隔热性能及气候适应性分析.pdf

SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.082023SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 08 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期 ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术通风斜屋顶隔热性能及气候适应性分析龙正熠李光辉罗清海邓滔文李晓杰南华大学 土木工程学院摘要：对在热压作用下的通风斜屋顶传热过程进行分析，并建立相应的通风屋顶模型，运用CFD数值模拟技术研究其在不同的气候因素（太阳辐射及室外空气温度）下的隔热性能表现，结果表明：太阳辐射强度的增加有利于增强通风屋顶的隔热性能，而室外空气温度的增加则作用相反，且其对屋顶隔热性能的影响要大于太阳辐射强度；对于通风层间距较大的通风屋顶，其隔热性能还应考虑通风层内非边界层空气厚度的热阻影响。分析了通风屋顶在不同地区的隔热性能表现，分析其气候适应性，结果表明，通风屋顶在室外气温低且太阳辐射强度大的地区会拥有更好的隔热性能表现。关键词：通风斜屋顶；隔热性能；气候因素；气候适应性DOI:10.13770/ki.issn2095-705x.2023.08.016Thermal Insulation Performance and Climate AdaptabilityAnalysis of Ventilated Sloping RoofsLONG Zhengyi,LI Guanghui,LUO Qinghai,DENG Taowen,LI XiaojieSchool of Civil Engineering,South China UniversityAbstract:Analyze the heat transfer process of a ventilated sloping roof under thermal pressure,estab-lish a corresponding ventilated roof model,and use CFD numerical simulation technology to study itsinsulation performance under different climatic factors(solar radiation and outdoor air temperature).The results show that an increase in solar radiation intensity is beneficial for enhancing the insulationperformance of a ventilated roof,while an increase in outdoor air temperature has the opposite effect,And its impact on roof insulation performance is greater than the intensity of solar radiation;for ventila-收稿日期：2022-09-06第一作者：龙正熠（1997-08-），男，研究生，主要研究方向为建筑节能1167SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.082023ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术0 引言中国建筑能耗研究报告2020 指出，2018年我国建筑总能耗为21.47亿tce，其中建筑运行能耗占据了46.6%1，如何降低建筑运行能耗始终是人们所关注的热点，被动式建筑节能技术因其自身特点备受青睐。作为一种被动式节能屋顶，通风屋顶在减少室内屋顶得热及提高室内热舒适方面有显著作用而受到广泛研究。相比于普通屋顶，通风屋顶在减少室内得热及提高室内热舒适方面的作用更为优越。Susanti L2等计算对比了采用空腔屋顶和单屋顶工厂在日本气候下的热环境和冷负荷，结果表明，相比于单屋顶，屋顶空腔下的操作温度要低约4.4，在夏季26 的操作温度下冷负荷减少大约50%；Lee S等人3则研究了是否带肋板对通风屋顶热性能的影响，表面带肋板的空气间层要比平板的排热量大，但由于肋板的关系，会使前者空腔层下表面温度更高；Li H等4重点研究了通风层空腔高宽比对倾斜通风屋顶热性能的影响，发现当空腔高宽比大于4时，腔内气流阻力的影响相对较小，此时对通风屋顶热性能的影响最小；董鑫等5则表明合理利用当地的风环境资源可以有效提升通风屋顶的热惰性指标；柳晟等人6对双层通风斜屋顶建立了动态传热数值模型并进行动态特性模拟，表明最佳空腔宽度约为6 cm，屋面倾角从15增加到45，最大热流和日透过热量分别约降低40%和39%；Kumar D等人7主要研究外界风向对通风层气流流动的影响，表面外部风环境会促进倾角在1545间的通风空腔内气流的流动，而对倾角为60的通风层会产生不利影响。本文在相关文献研究的基础上，采用数值模拟方法来研究气候因素，如太阳辐射强度及室外空气温度对通风屋顶热性能的影响，以分析通风屋顶在不同地区的适应性。1 双层通风屋顶模型本文所研究的通风屋顶主体结构主要由三部分组成：遮阳层、空腔层和隔热层，如图1所示。遮阳层包括瓷砖瓦块、聚乙烯板及木板，主要起隔热遮阳作用，避免太阳辐射直接作用于屋顶隔热层；空腔层与外盖板及隔热层对流换热，在热压作用下形成向上流动的气流，从而带走外盖板及隔热层的部分得热；隔热层由刚性玻璃面板、空心砖加筋密肋楼板及石灰石膏抹灰层构成，进一步减少进入室内的热流密度8。具体的尺寸及热性能参数见表1。屋顶长度L=3 m，屋顶倾角=30，空腔宽度W=1 m。2 热传递过程分析遮阳层上表面不仅与室外空气进行对流换热，还受到太阳辐射作用的影响，采用室外空气综合温度Ta来考虑上述二者对围护结构外表面的综合热作用：Ta=T0+(I-Qw)re（1）式（1）中：围护结构外表面太阳辐射吸收系数；re对流换热热阻，m2 k/W；tion roofs with large spacing between ventilation layers,their insulation performance should also con-sider the thermal resistance effect of the non boundary layer air thickness inside the ventilation layer.Analyzed the insulation performance of ventilated roofs in different regions,analyzed their climateadaptability,and found that ventilated roofs have better insulation performance in areas with low out-door temperatures and high solar radiation intensity.Key words:Ventilated Sloping Roof;Thermal Insulation Performance;Climate Factor;Climate Adapt-ability1168SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.082023SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 08 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期 ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术Qw围护结构外表面与环境的长波辐射换热量，W/m2；T0室外空气温度，K；本文不考虑长波辐射换热对围护结构外表面的影响，即：Qw=0 W/m2。在空腔内部，不仅有遮阳层下表面与隔热层上表面的辐射换热，还有气流与空腔层上下表面的对流换热，且二者存在耦合作用，通风屋顶整体传热过程分析见图 2。M.Ciampi9及 ShanshanTong10等人均采用热网络分析法来对空腔内的传热进行分析，如图3所示，但不同的空腔层高度会对腔内气流流态的形成产生影响11，即会影响其热边界层的发展，对于较高的空腔层，其传热过程可能还要考虑腔内未被发展成边界层的空气热阻的影响。由于通风屋顶为轻质结构，具有较低的热惯量，故该通风屋顶模型可以以稳态方式来求解分析 8。若把通风屋顶当成一个整体来看待，当太阳辐射强度一定而其他参数不变时，整个通风屋顶，包括空腔气体，最终会达到一个动态的热平衡，此时的通风屋顶温度分布不再与时间有关，空腔气流进出流量恒定，入口段及充分发展段不再改变，故在本文中，为综合考虑通风层空腔气流对通风屋顶整体的热作用，定义通风屋顶整体传热热阻为：R=（Ta-Ti）/q（2）式（2）中：Ta室外空气综合温度，K；Ti室内空气温度，K；q通过通风屋顶进入室内的热流密度，W/m2；运用CFD数值模拟技术研究在不同太阳辐射强度I及室外空气温度T0下的通风屋顶整体传热热阻变化。图1 双层通风屋顶模型结构图表1 通风屋顶构成及材料参数序号12345材料名称瓷砖瓦块聚乙烯层木板空腔层刚性玻璃面板空心砖加筋密肋楼板石灰石膏层厚度（m)0.0250.0010.040.120.030.180.015密度2 0009504501001 8001 400导热系数0.90.350.120.0380.60.7备注遮阳层通风层隔热层通风斜屋顶隔热性能及气候适应性分析1169SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.082023ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术图2 通风屋顶热传递过程图3 热网络分析法分析通风屋顶传热过程103 CFD数值模拟运用CFD数值模拟，在考虑空腔内部辐射传热及对流换热耦合作用下，研究通风屋顶在夏季不同太阳辐射强度及室外空气温度下的热性能表现。3.1 数值模拟模型CFD数值模拟模型具体参数及部分边界条件设置见图4。为充分考虑通风屋顶进出口发生的能量和动量扩散，以及对空腔层气流流态发展的影图4 CFD计算区域及部分边界条件设置1170SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.082023SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 08 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期 ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术响，在通风屋顶进出口两侧设置了如图4所示的室外空气流域计算区10,12；空腔层内气流受热压作用而产生沿屋顶斜面向上的气流，气流的温度变化及流态的改变主要体现在空腔层纵向上，故本文忽略气流在横向上的变化影响，并假定空腔层内的气流流动为二维的。本文采用两方程Standard k-模型来模拟空腔层内的气流流动，并用CFD来求解下述的湍流二维控制方程：质量守恒方程：(u)x+(v)y=0（3）分别在x、y方向上的动量守恒方程：(uu)x+(uv)y=-Px+x(+t)ux+y(+t)uy-23kx（4）(uv)x+(vv)y=-Py+x(+t)vx+y(+t)vy-23ky+(-0)g（5）能量守恒方程：()uTx+()vTy=x Pr+ttTx+y(Pr+tt)Ty（6）湍流动能k及动能耗散率由以下运输方程来确定：(uk)x+(vk)y=x(+tk)kx+y(+tk)ky+Gk+Gb-（7）(u)x+(v)y=x(+t)x+y(+t)y+C1k(Gk+C3Gb)-C22k（8）t=Ck2/（8）Gb=gittTxi（9）Gk=t(uixj+ujxi)uixj-23kijuixj（10）上述式中的常数值C1、C2、C3、C及k均选取为系统默认值10。压力求解器选择为PRESTO!；在近壁面区域，选择壁面函数增强法来模拟近壁湍流，第一层网格近壁节点的y+1；当各方程的计算残差小于10-4时，视为计算收敛；对于质量守恒方程的残差小于10-2，当计算完成后，进出口的质量流量差小于0.5%1%时，也可认为该计算收敛。3.2 网格无关性验证在模拟计算过程中，网格精度会对计算模拟的结果产生一定的影响。为得到与网格无关的计算模拟结果，在保证近壁网格第一层节点的y+1的前提下，分别划分了不同的网格数量来进行模拟，并用进入室内的热流密度来进行网格无关性验证，具体结果见表 2。结果表明，当网格数量达到342 153时，其热流密度与后三种情况相比，差值不大，在节省计算资源并保证计算结果精确性的前提下，选用序号3的网格划分结果可以满足要求。表2 网格无关性验证结果序号123456网格数176 760249 299342 153448 029545 217589 282通过通风屋顶的热流密度（W/m2)9.1859.1899.2729.2929.2539.278工况I=850 W/m2T0=305.15 KTi=300.15 K3.3 边界条件设置在研究热压作用下的通风屋顶夏季热量传递过程中，通常把室外无风情况视为不利条件7，13；遮阳板外表面对流换热热阻re=0.04 m2 K/W14，其外表面太阳辐射吸收系数=0.65；空腔上下表面的发射率1=2=0.9，且上下表面均为无滑移条件；室内温度恒定为Ti，隔热层下表面即抹灰层与室内通风斜屋顶隔热性能及气候适应性分析1171SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.082023ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术空气对流换热的热阻为ri=0.13 m2 K/W14。模拟工况设置见表3。表3 通风屋顶模拟工况设置室内气温Ti/K序号ab数值297.15300.15室外气温T0/K序号abcdefghi数值298.15299.15301.15303.15305.15307.15309.15311.15313.15太阳辐射强度W/m2序号abcdefghijklmnopqr数值1050100150200250300350400450500550600650700750800850如工况a-a-a即表示室内温度为297.15 K，室外温度为298.15 K，此时的太阳辐射强度为10 W/m2；室内空气的温度由空调来维持，本次模拟所有工况室外气温T0均大于室内气温Ti。4 结果分析与讨论4.1 空腔内的温度场和速度场绘制工况b-d-q下空腔内部不同截面温度及速度分布见图5。依据温度边界层的定义，以过余温度为来流过余温度的99%处定义为热边界层的外边界15。XL为沿通风层轴向的长度，取值范围为0L，起点为通风层入口处；从温度分布可以看出，由垂直于通道轴向的截面XL/L=0.05至截面XL/L=0.55的腔体中，空腔上下两侧的热边界层分别得到发展，下侧热边界层厚度由0.015 m增加至0.06 m左右，空腔上侧热边界层厚度由0.02 m增至0.05 m左右，在此过程中，上下侧热边界层逐渐靠近；由截面XL/L=0.55至XL/L=0.95的腔体中，下侧热边界层厚度有所减少，由0.06 m减至0.04 m，上侧热边界层厚图5 不同空腔截面上的温度及速度分布度逐渐增大，由0.05 m增至0.06 m；在XL/L=0.75至XL/L=0.95的腔体段，热边界层发展趋于稳定，空腔后段非热边界层厚度基本维持在0.02 m左右；随着X距离的增大，腔体轴线附近的气流温度呈上升趋势。以上数据说明，在通风屋顶空腔传热过程中，不仅需要考虑上下两侧的辐射换热及边界层的对流换热，还需考虑通风层内非边界层空气部分对传热的影响。从速度分布来看，由截面 XL/L=0.05 至截面XL/L=0.35的腔体中，空腔两侧速度边界层均得到发展，其中下侧速度边界层发展较快，腔体轴线附近的气流速度逐渐降低；由截面XL/L=0.35至XL/L=0.55的腔体中，两侧速度边界层发展均受到抑制，轴线附近气流速度进一步降低；由截面 XL/L=0.55 至XL/L=0.95的腔体中，空腔上侧速度边界层得到较大发展，而下侧速度边界层发展受到抑制，其气流速度降低，轴线附近气流速度有较显著提升，但始终低于入口位置气流流速。腔体轴线附近气流流1172SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.082023SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 08 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期 ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术速先降低后略有提升的变化，可能与腔体两侧热边界层及速度边界层的发展以及随温升而增加的黏性系数有关，边界层厚度的增加可能会阻碍轴线附近气流的流动。4.2 夏季气候因素对通风屋顶隔热性能的影响本文主要研究在室内温度为2427，室外空气温度为2540 及倾斜屋顶所受太阳辐射强度在10850 W/m2范围内通风屋顶的隔热性能表现，目的是模拟在夏季时段室内开启空调时，随着室外气温及太阳辐射强度的改变，通过通风屋顶的热流密度q的变化情况。鉴于空腔传热的复杂特性，及其传热可能还受到边界层厚度影响等问题，根据第二节内容分析，计算达到热平衡时刻的通风屋顶整体传热热阻R，其计算式见式（11）。R=(Ta-Ti)/q（11）式(11)中，Ta室外空气综合温度，K；Ti室内空气温度，K；q通过通风屋顶进入室内的热流密度，W/m2；依据表1及3.3节内容，通风屋顶材料导热热阻、遮阳层外表面及室内对流换热热阻已知，取空腔层整体传热热阻为Rair，则空腔层整体传热热阻可表示为：Rair=(Ta-Ti)/q-RA-RB-re-ri（12）式(12)中，RA，RB分别为遮阳层及隔热层的导热热阻，m2 K/W。依照表 1 中数值，计算得到 RA+RB+re+ri=1.644 m2K/W；对 比 综 合 传 热 热 阻 为 R普 通=1.644 m2K/W的普通屋顶，若Rair0-PRair0.356表6 不同地区Rair值的分布概率地区长沙衡阳海口福州广州贵阳杭州南昌南京南宁上海武汉重庆室内温度Ti=297.15 KT0297.15K的小时数/h1 1651 4472 6371 8232 2157781 2611 3951 2712 1221 1751 3871 228Rair0的概率0.8560.8790.8720.8760.8370.9600.8810.8660.8610.8610.8890.8180.846Rair0.156的概率0.7720.8060.7620.7670.7090.9180.7800.7750.7470.7550.8010.6990.726Rair0.256的概率0.7030.7570.6770.6750.5860.8820.7030.6900.6580.6630.7280.5970.630Rair0.356的概率0.6090.6900.5950.5920.4770.8500.6210.6040.5680.5550.6490.5130.528室内温度Ti=300.15KT0300.15K的小时数/h8781 0031 9741 3121 5123458789809071 4787331 025794Rair0的概率0.9180.9310.9870.9700.9241.0000.9510.9380.9430.9640.9670.9210.926Rair0.156的概率0.8620.8860.9580.9200.8620.9860.9210.8890.8960.8900.9190.8550.837Rair0.256的概率0.8220.8480.9300.8830.8100.9540.8910.8510.8630.8360.8730.7950.776Rair0.356的概率0.7640.8160.8870.8340.7430.9280.8440.7920.8110.7670.8220.7190.707表5 不同地区夏季起止时间及太阳辐射小时数地区长沙衡阳海口福州广州贵阳杭州南昌南京南宁上海武汉重庆夏季起止时间5月15日-9月25日5月14日-10月17日3月31日-11月17日5月3日-11月3日4月16日-11月2日5月31日-9月14日6月1日-10月6日5月24日-10月20日5月28日-9月29日4月18日-10月21日6月3日-10月1日5月21日-9月30日5月27日-10月2日夏季太阳辐射存在的小时数/h1 6601 9392 8612 3662 5701 4251 5401 8411 6242 3681 5801 7081 686通风斜屋顶隔热性能及气候适应性分析1175SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.082023ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术最大，为36.0%；贵阳地区的概率差值PRair0-PRair0.356最小，为11.0%；在室内温度为27 时，重庆地区的概率差值PRair0-PRair0.356最大，为21.9%；贵阳地区的概率差值PRair0-PRair0.356最小，为7.2%。单从Rair的变化来看，贵阳地区通风屋顶的隔热性能表现在13个比较地区中是最优异和稳定的，大部分时刻Rair都处于较高值；而广州地区及重庆地区通风屋顶的隔热性能表现稳定性较差。此外，当室内温度由24 提升至27 时，各个地区Rair的值均有较大提升，说明降低室内外空气温差有利于提升Rair值，也即减少进入室内的热流密度。5.3 通风屋顶与普通屋顶（R普通=1.644 mK/W）隔热性能的比较比较通风屋顶与普通屋顶的隔热性能，主要是比较在相同的气候条件下通过二者进入室内的热流密度。表7展示了整个夏季各个地区通过通风屋顶与普通屋顶的热流密度，减少进入室内热流密度的比例为通过二者的热流密度差值与通过普通屋顶的热流密度比值。可以看出，在室内温度为24 时，贵阳地区减少进入室内热流密度的比例最大，达到 37.7%；广州地区的最小，仅有19.8%。但从减少的热流密度总量来看，海口地区的最大，达到 5 442.9 W/m2；重庆地区最小，仅有1 917 W/m2。在室内温度为27 时，依旧是贵阳地区减少进入室内热流密度的比例最大，达到45.8%；武汉地区的最小，仅有29.5%。但从减少的热流密度总量来看，仍然是海口地区的最大，达到7 086.7 W/m2；贵阳地区最小，仅有1 599.1 W/m2。表7 夏季通过通风屋顶与普通屋顶热流密度的比较地区长沙衡阳海口福州广州贵阳杭州南昌南京南宁上海武汉重庆Ti=297.15K通过通风屋顶的热流密度W/m28 553.59 035.116 032.711 643.612 496.43 851.78 023.19 473.88 185.712 699.76 430.79 302.27 299.3通过普通屋顶的热流密度W/m210 737.311 928.221 475.615 364.915 588.56 181.010 662.312 511.910 723.216 593.58 972.211 779.99 216.3减少进入室内热流密度的比例20.3%24.3%25.3%24.2%19.8%37.7%24.8%24.3%23.7%23.5%28.3%21.0%20.8%减少的热流密度总量W/m22 183.82 893.15 442.93 721.43 092.12 329.22 639.23 038.02 537.53 893.82 541.52 477.71 917.0Ti=300.15K通过通风屋顶的热流密度W/m27 430.66 484.212 255.38 715.19 206.61 891.25 967.97 147.96 049.69 284.74 274.57 090.85 359.6通过普通屋顶的热流密度W/m210 608.99 607.519 341.913 177.913 134.43 490.29 015.210 622.88 933.713 946.06 782.310 056.27 636.9减少进入室内热流密度的比例30.0%32.5%36.6%33.9%29.9%45.8%33.8%32.7%32.3%33.4%37.0%29.5%29.8%减少的热流密度总量W/m23 178.33 123.37 086.74 462.83 927.81 599.13 047.33 474.92 884.14 661.32 507.82 965.32 277.3综合来看，在海口地区使用通风屋顶的回收效益最好，在贵阳地区的通风屋顶隔热性能表现更好，虽然其夏季减少的热流密度总量较低，但这主要是由于贵阳地区室外气温偏低，多数时候室外气温低于24，不需要开启空调制冷，而该节内容主要是计算在室内温度维持在2427 范围内通过屋顶的热流密度，故而其计算出来的减少热流密度总量较低，这也说明了在室外气温较低的地区，通风屋顶的隔热性能表现更好。6 总结本文通过数值模拟，研究了通风屋顶在不同太阳辐射强度及室外空气温度下的隔热性能表现，结果表明：太阳辐射强度的增大会加强热压作用，从1176SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.082023SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 08 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期 ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术而增强通风屋顶的隔热性能；室外空气温度的升高则会降低通风屋顶的隔热性能；室外空气温度对通风屋顶隔热性能的影响可能要比太阳辐射对其的影响更大；通过对通风层气流温度分布及速度分布的分析，贴附于通风层两侧发展的热边界层及速度边界层未能在纵向距离上充分占据通风层，故而通风屋顶的隔热性能还应考虑边界层夹层间空气厚度的热阻影响。本文还分析了通风屋顶在夏热冬冷或者夏热冬暖气候区13个地区的气候适宜性。通过对模拟数据的拟合分析得出相应拟合关系式，来计算通风屋顶在不同地区整个夏季的热性能表现以及通过通风屋顶的总热流密度。在所比较的13个地区中，在海口地区使用通风屋顶的回收效益最好；而在贵阳地区的通风屋顶隔热性能表现最好；其结果表明通风屋顶在室外气温低且太阳辐射强度大的地区会拥有更好的隔热性能表现。参考文献1中国建筑能耗研究报告2020 J.建筑节能(中英文),2021,49(2):1-6.2Susanti L,Homma H,Matsumoto H.A naturally ventilated cavity roofas nNhuopopotential benefits for improving thermal environment andcooling load of a factory buildingJ.Energy and Buildings,2011,43(1):211-218.3Lee S,Park S H,Yeo M S,et al.An experimental study on airflow inthe cavity of a ventilated roof J.Building and Environment,2009,44(7):1431-1439.4Li H,Tong S.Natural convective heat transfer in the inclined rectangu-lar cavities with low width-to-height ratios J.International journal ofheat and mass 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