太陽能誘導(dǎo)式通風(fēng)屋頂模型的研究

林會(huì)文　王榮　任杰　茍超　康威

【摘 要】基于太陽能誘導(dǎo)式通風(fēng)屋頂?shù)臉?gòu)造和原理，建立太陽能誘導(dǎo)式通風(fēng)屋頂模型，通過正交試驗(yàn)得出實(shí)驗(yàn)方案，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步分析出太陽能誘導(dǎo)式通風(fēng)屋頂隔熱能力。為實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)學(xué)模型的建立奠定基礎(chǔ)，得出太陽能誘導(dǎo)式通風(fēng)屋頂?shù)母魺崮芰εc風(fēng)管露出屋頂?shù)母叨取L(fēng)管所在平屋頂面積、第二層屋面結(jié)構(gòu)至原屋面距離、有無風(fēng)帽及不同風(fēng)帽結(jié)構(gòu)、不同截面風(fēng)管、第二層屋面材料有一定的相關(guān)性。

【關(guān)鍵詞】太陽能；誘導(dǎo)式；通風(fēng)屋頂；模型

【Abstract】Based on the structure and principles of solar induced ventilation of the roof， build solar induced ventilation roof model， obtained by orthogonal experimental program， and preliminary analysis of the experimental data of solar induced ventilation roof insulation capacity. Lay the foundation for the establishment of experimental research and mathematical models， obtained the solar induced ventilation roof insulation capacity related to the exposed roof duct height， duct of the area of flat roof， the distance between the second layer of the roof and the original， with or without hood and different structures of the hood， different duct cross-section， the material of second layer of roof.

【Key words】Solar energy； Inducing formula； Roof ventilation； Model

0 引言

我國大部分地區(qū)太陽能資源較豐富，全年日照時(shí)數(shù)為2800～3300h，且太陽總輻射為600～800kJ/cm2的地區(qū)包括西藏、新疆、甘肅、寧夏、青海的絕大部分地區(qū)，還包括陜西北部、內(nèi)蒙古中西部[1-2]。但基于空間及成本等因素，為人類所利用的非常少。而空調(diào)建筑夏季冷負(fù)荷，主要來源于：（1）通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱；（2）通過透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入的太陽輻射熱量；（3）人體散熱量；（4）設(shè)備、照明燈具散熱量等[3]。通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱以及窗戶進(jìn)入的太陽輻射熱量占總冷負(fù)荷的30%以上，其中夏季屋頂?shù)脽崃繛闁|南西北四面墻壁的2～3倍。

利用太陽能進(jìn)行屋頂誘導(dǎo)式通風(fēng)，可以減少建筑物夏季得熱量，降低建筑物夏季制冷負(fù)荷，進(jìn)而降低制冷設(shè)備裝機(jī)容量，并提高室內(nèi)空間舒適度是進(jìn)行建筑節(jié)能減排的可行途徑。

1 通風(fēng)屋頂?shù)脑?/p>

太陽輻射照射于建筑物雙層屋頂外構(gòu)造使上層屋頂構(gòu)造表面不斷吸收熱量，部分熱量會(huì)反射及對(duì)流散失于大氣中，大多數(shù)的熱量借由熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流傳入自然通風(fēng)空氣層中，空氣受熱升溫后因密度差產(chǎn)生熱浮力，熱空氣上升產(chǎn)生熱壓導(dǎo)致空氣層內(nèi)空氣的流動(dòng)；另外，室外空氣流動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生風(fēng)壓使得空氣發(fā)生流動(dòng)。通風(fēng)屋頂基本原理如圖1所示。

利用熱壓和風(fēng)壓，大部分的熱量將會(huì)被流動(dòng)的空氣帶走，只有少部分熱量以熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)入室內(nèi)。

2 通風(fēng)屋頂?shù)哪Ｐ?/p>

屋頂構(gòu)造的隔熱能力對(duì)于室內(nèi)居住環(huán)境十分重要，更是左右屋內(nèi)舒適度及空調(diào)負(fù)荷的重要因素，為加強(qiáng)通風(fēng)屋頂通風(fēng)效果，在第二層屋頂構(gòu)造上安裝豎向風(fēng)管，并涂成黑色，加上風(fēng)帽或無動(dòng)力通風(fēng)風(fēng)帽，利用煙囪效應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)。

建立通風(fēng)屋頂模型，從影響通風(fēng)屋頂隔熱能力的風(fēng)壓和熱壓角度分析通風(fēng)屋頂隔熱能力的相關(guān)因素。影響因素可以為兩類：屋頂本身的構(gòu)造和氣候條件。

（1）屋頂本身的構(gòu)造。構(gòu)造主要影響熱壓。首先，熱壓的大小由屋頂面積及間層厚度有關(guān)。屋頂面積越大，吸熱量越大；空氣間層越厚，熱壓作用越明顯。其次，為了增強(qiáng)熱壓的作用，加上屋頂豎向通風(fēng)管，影響豎向通風(fēng)管熱壓大小的有通風(fēng)管的長度、截面積、材質(zhì)及表層顏色。長度和截面積影響吸熱能力的大小，另外，如果在豎向通風(fēng)管頂部加上無動(dòng)力通風(fēng)風(fēng)帽，通風(fēng)作用亦會(huì)加強(qiáng)[4]。

綜上，影響通風(fēng)屋頂隔熱能力的屋頂構(gòu)造主要有：風(fēng)管露出屋頂?shù)母叨取L(fēng)管所在平屋頂面積、第二層屋面結(jié)構(gòu)至原屋面距離、有無風(fēng)帽及不同風(fēng)帽結(jié)構(gòu)、不同截面風(fēng)管、第二層屋面材料。

（2）氣候條件。影響通風(fēng)屋頂隔熱能力的氣候條件有：太陽輻射強(qiáng)度、太陽輻射高度角、室外風(fēng)速、室外溫度等。

3 實(shí)驗(yàn)方案及測試結(jié)果分析

根據(jù)通風(fēng)屋頂?shù)脑砑澳Ｐ停x取40cm、50cm、60cm長的豎向通風(fēng)通道（方/圓）并刷黑漆、每個(gè)豎向通風(fēng)通道配有無動(dòng)力通風(fēng)帽。調(diào)節(jié)豎向通風(fēng)通道的數(shù)量為2、4、6個(gè)；調(diào)整通風(fēng)屋頂空氣間層的厚度20cm、25cm、30cm。按照正交試驗(yàn)原理可得到實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

4 隔熱能力分析

加裝通風(fēng)屋頂?shù)奈菝媾c不加裝通風(fēng)屋頂?shù)奈菝嫦蚴覂?nèi)傳遞的熱量可以通過式（1）[5]計(jì)算得出。

根據(jù)測試結(jié)果，如圖3所示，這是測試期間某日測試數(shù)據(jù)，可以看出通風(fēng)屋頂上表面與原始屋面的上表面溫差在11點(diǎn)15分左右即達(dá)到10℃，后逐漸增大，至13點(diǎn)40分達(dá)到最大值18℃，至18點(diǎn)25分左右又下降至10℃。

當(dāng)房間確定，屋頂面積確定，屋頂傳熱系數(shù)確定，傳熱量的大小與屋頂內(nèi)表面溫度、屋頂外表面溫度直接相關(guān)。如下部房間設(shè)計(jì)溫度為26℃，屋頂內(nèi)表面溫度為28℃。如圖3所示，加裝通風(fēng)屋頂?shù)奈菝嫱獗砻鏈囟?0℃，向室內(nèi)傳遞的熱量12 K·F；不加裝通風(fēng)屋頂?shù)奈菝嫱獗砻鏈囟?8℃，向室內(nèi)傳遞的熱量30 K·F。不加裝通風(fēng)屋頂?shù)奈菝嫦蚴覂?nèi)傳遞的熱量為加裝通風(fēng)屋頂?shù)奈菝嫦蚴覂?nèi)傳遞熱量的2.5倍，因此，加裝通風(fēng)屋頂對(duì)建筑節(jié)能的貢獻(xiàn)還是很可觀的，尤其是太陽能誘導(dǎo)式通風(fēng)屋頂?shù)墓?jié)能效果非常顯著。具體應(yīng)用還要考慮經(jīng)濟(jì)性和地區(qū)適用性。

5 結(jié)論

加裝通風(fēng)屋頂對(duì)建筑節(jié)能的貢獻(xiàn)很可觀，尤其是太陽能誘導(dǎo)式通風(fēng)屋頂?shù)墓?jié)能效果非常顯著，在新疆地區(qū)不加裝通風(fēng)屋頂?shù)奈菝嫦蚴覂?nèi)傳遞的熱量為加裝通風(fēng)屋頂?shù)奈菝嫦蚴覂?nèi)傳遞熱量的2.5倍。風(fēng)管露出屋頂?shù)母叨取L(fēng)管所在平屋頂面積、第二層屋面結(jié)構(gòu)至原屋面距離、有無風(fēng)帽及不同風(fēng)帽結(jié)構(gòu)、不同截面風(fēng)管、第二層屋面材料等均會(huì)對(duì)通風(fēng)屋頂隔熱性能產(chǎn)生影響。這七個(gè)因素對(duì)屋頂?shù)母魺崮芰胁煌挠绊懀疚牡某醪教剿饕云跒閷?shí)驗(yàn)研究及數(shù)學(xué)模型的建立奠定基礎(chǔ)，為今后建筑節(jié)能及被動(dòng)式建筑的設(shè)計(jì)使用提供更可靠有力依據(jù)。對(duì)于不同地區(qū)通風(fēng)屋頂?shù)母魺崮芰Φ挠绊懸蛩匮芯考盎A(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立還有待進(jìn)一步的探索。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]