被動房冬季南北向墻體間的傳熱過程研究

王政 龔延風(fēng) 陳麗萍

南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

0 引言

隨著當(dāng)前建筑節(jié)能工作的持續(xù)推進(jìn)，被動房在我國夏熱冬冷地區(qū)的試點(diǎn)和推廣已陸續(xù)展開。由于被動房圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的保溫隔熱性和氣密性，冬季室內(nèi)溫度可維持在20℃以上[1-2]?？孜膽挼萚3]通過對夏熱冬冷地區(qū)某德國標(biāo)準(zhǔn)被動房冬季實(shí)際運(yùn)行情況實(shí)測分析，進(jìn)一步表明在室內(nèi)無人且無任何輔助供熱措施條件下，被動房在寒潮期間的自然室溫穩(wěn)定在18℃左右。建筑在冬季期間室內(nèi)得熱量主要來源于太陽輻射引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、內(nèi)熱源散熱和空調(diào)投入熱量三個(gè)部分，其中由太陽輻射帶來的圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間傳熱是最重要的組成部分[4]。太陽輻射得熱由南向北、由外向內(nèi)逐步反應(yīng)到建筑內(nèi)部，墻體又具有一定的蓄熱特性和保溫功能，使室內(nèi)平均溫度一直保持在高于室外氣溫的水平。

以往的研究缺少對被動房自然室溫形成原因和過程的分析，針對建筑南北向墻體間大跨度傳熱過程的研究更少。因此，本文基于FLUENT，針對被動房南向墻體到北向墻體的傳熱過程進(jìn)行研究，為夏熱冬冷地區(qū)被動房冬季室內(nèi)熱環(huán)境的形成、保障和實(shí)際運(yùn)行策略提供參考，對于被動房氣密性標(biāo)準(zhǔn)的制定和優(yōu)化也具有一定工程應(yīng)用價(jià)值。

1 物理模型

1.1 模型建筑概況

選取夏熱冬冷地區(qū)某居住建筑為研究對象，采用Gambit軟件對目標(biāo)建筑進(jìn)行三維幾何建模，為突出南向外墻到北向外墻動態(tài)傳熱過程的特性，忽略外門窗，如圖1所示。本次模型建筑為三室兩廳居住戶型，坐北朝南，共三層，以第二層為研究對象，其房間尺寸為10.7 m×15 m×3 m，平面布置見圖2。

圖1 模型建筑幾何外觀圖

圖2 模型建筑平面布置簡圖

1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系

德國標(biāo)準(zhǔn)被動房圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及其熱工參數(shù)列舉如表1～4所示，符合《江蘇省居住建筑熱環(huán)境和節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ32/J71-2008）中規(guī)定的節(jié)能達(dá)到50%和65%建筑的外墻、內(nèi)墻、屋面和樓板等其他構(gòu)造的熱工參數(shù)均可查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 被動房外墻構(gòu)造

表2 被動房內(nèi)墻構(gòu)造

表3 被動房屋面構(gòu)造

表4 被動房樓板構(gòu)造

三種節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)下的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)匯總?cè)缦?，見?。

表5 各節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 墻體傳熱控制方程

對南向墻體到北向墻體動態(tài)傳熱過程作合理簡化，假定如下：墻體溫度只沿房間進(jìn)深變化；室內(nèi)無內(nèi)熱源；墻體為多層的定常物性結(jié)構(gòu)，且墻體材料各向同性；各材料層間接觸緊密，忽略接觸熱阻。墻體傳熱控制方程可表示為：

式中：ρ為密度，kg/m3；c 為定壓比熱容，J/(kg·K)；T 為墻體材料在τ時(shí)刻的溫度，K；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)。

2.2 初始條件及邊界條件

①初始條件

式中：T0為計(jì)算開始時(shí)的墻體溫度，K，設(shè)定為281 K。

②邊界條件

南向外墻：

東西向外墻為絕熱邊界：

北向外墻及屋面：

式中：tz為室外空氣綜合溫度，K；tf為邊界面周圍空氣溫度，K；h為外墻外表面與室外空氣之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，取h=23 W/(m2·K)。

2.3 室外空氣綜合溫度及其函數(shù)擬合

工程上把室外空氣與太陽輻射兩者對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用，用一個(gè)假想的溫度tz來衡量，即室外空氣綜合溫度，本文采用室外空氣綜合溫度作用于南向外墻，研究墻體傳熱過程。選取夏熱冬冷地區(qū)典型氣象年最冷月某寒潮天的室外氣象數(shù)據(jù)[5]，繪制出室外空氣綜合溫度在一天內(nèi)的變化情況，如圖3所示。

任何連續(xù)的周期性波動曲線都可以用多項(xiàng)余弦函數(shù)疊加而成，即用傅里葉級數(shù)表示。實(shí)測資料表明，室外空氣綜合溫度的周期性波動規(guī)律可視為一簡單的簡諧波曲線[6]。通過OriginPro數(shù)據(jù)擬合，作用于南向外墻面綜合溫度的變化可寫成余弦函數(shù)形式：

式中：T為南向外表面在τ時(shí)刻的溫度，K。

圖3 室外空氣綜合溫度

最后，使用FLUENT軟件中的用戶自定義函數(shù)功能（即UDFs）來描述室外空氣綜合溫度的控制方程，在南向外墻面產(chǎn)生依賴于時(shí)間變量的溫度邊界條件。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 被動房墻體傳熱過程分析

本文以建筑第二層，距其地板1 m高處的橫截面為熱流和溫度的研究對象，分析被動房冬季自然室溫的形成過程。模型建筑墻體的初始溫度設(shè)置為8℃，選取軟件連續(xù)模擬運(yùn)行12天的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。建筑的目標(biāo)截面在第2天和第10天時(shí)墻體溫度分布情況，如模擬結(jié)果圖4～5所示，單位為K。

圖4 墻體橫截面在第2天時(shí)溫度分布

圖5 墻體橫截面在第10天時(shí)溫度分布

將不同模擬時(shí)刻南向主臥、北向次臥內(nèi)墻壁的熱流和溫度變化統(tǒng)計(jì)如圖6、圖7所示。其中，熱流為正表示熱流方向由室外到室內(nèi)，即室內(nèi)得熱；熱流為負(fù)表示熱流方向由室內(nèi)到室外，即室內(nèi)散熱。

圖6 南向主臥內(nèi)墻壁熱流和溫度變化

由圖6分析可知：對于熱流密度，前6天曲線波動明顯，最大值為16 W/m2，最小值為-14 W/m2，得熱量與部分散熱量相互抵消，結(jié)果表現(xiàn)為室內(nèi)得熱，這也是南向主臥室溫逐步升高的原因；第7、8兩天，熱流曲線變化放緩，平均熱流密度在2 W/m2左右；第9天時(shí)，熱流密度逐漸穩(wěn)定在4.2 W/m2。溫度曲線總體上呈上升趨勢，傳熱開始時(shí)，由于被動房良好的保溫隔熱性能和重質(zhì)墻體大慣性體系的存在，南向主臥內(nèi)墻壁溫度基本保持不變，在36 h～48 h后溫度才有了較明顯升高；第9天到第10天之間溫度變化趨于平緩，逐漸穩(wěn)定在18.3℃左右。

圖7 北向次臥內(nèi)墻壁熱流和溫度變化

從圖8可以看出：熱流密度曲線，在前3天波動不大，平均值為-8 W/m2，室內(nèi)持續(xù)散熱，表現(xiàn)為室溫下降，下降約1.2℃；第4天熱流密度逐漸增大，并在第5天變?yōu)檎?，即南向外墻吸收太陽輻射的熱量此時(shí)已傳遞到北向墻體，表現(xiàn)為室溫逐漸升高；到第9天時(shí)，熱流密度曲線穩(wěn)定在3.5 W/m2。而溫度曲線總體趨為勢先降低后升高，傳熱開始時(shí)，除了被動房良好的保溫隔熱性能，北向外墻幾乎不受太陽輻射變化的影響，所以北向次臥內(nèi)墻壁溫度在48 h內(nèi)基本保持不變；第3天到第4天之間溫度略有下降，之后便逐步升高，在第10天穩(wěn)定在16.4℃左右。

3.2 不同節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)下的建筑室內(nèi)熱環(huán)境對比分析

對三種圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系建筑進(jìn)行模擬，選取自然室溫穩(wěn)定后3天的數(shù)據(jù)，以南向主臥為研究對象，對比分析德國標(biāo)準(zhǔn)被動房和符合《江蘇省居住建筑熱環(huán)境和節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ32/J71-2008）中規(guī)定的節(jié)能達(dá)到50%和65%建筑的自然室溫和內(nèi)墻壁熱流，如圖8和圖9所示。

圖8 三種圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的室內(nèi)溫度對比

圖9 三種圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)墻壁熱流對比

從圖8曲線總體趨勢看，建筑節(jié)能達(dá)50%的室溫波幅最大，建筑節(jié)能達(dá)65%的其次，被動房室溫波動較平緩，平均室溫穩(wěn)定在18.8℃左右，分別比建筑節(jié)能達(dá)50%和65%的平均室溫高7.9℃和5.3℃，并且后兩者室溫與室外空氣綜合溫度相比，溫度波均存在不同程度的延遲現(xiàn)象。由圖9可知，被動房內(nèi)墻壁熱流波幅明顯小于建筑節(jié)能達(dá)50%和65%的波幅，且內(nèi)墻壁熱流平均值高于建筑節(jié)能達(dá)50%和65%平均值。被動房、建筑節(jié)能達(dá)50%和65%的內(nèi)墻壁熱流平均值分別為 4.3 W/m2、0.8 W/m2、1.4 W/m2，被動房內(nèi)墻壁熱流密度分別比建筑節(jié)能達(dá)50%和65%高3.5 W/m2和2.9 W/m2。因此，綜合圖8和圖9的分析結(jié)果，被動房在冬季期間的室內(nèi)熱環(huán)境舒適度更高。

4 結(jié)論

1）被動房室內(nèi)基礎(chǔ)溫度的形成是在室外氣候條件下持續(xù)作用的累積結(jié)果。墻體傳熱開始時(shí)，南向主臥前6天熱流曲線波動明顯，熱流平均值表現(xiàn)為室內(nèi)得熱，即南向主臥室溫逐步升高，第7、8兩天，熱流曲線變化放緩，平均熱流在2 W/m2左右，第9天時(shí)，熱流密度逐漸穩(wěn)定在4.2 W/m2；北向次臥熱流在前3天波動不大，平均值為-8 W/m2，室溫下降約1.2℃，第4天熱流密度逐漸增大，并在第5天變?yōu)檎?，即南向外墻吸收太陽輻射的熱量此時(shí)已傳遞到北向墻體，表現(xiàn)為室溫逐漸升高，到第9天時(shí)，熱流曲線穩(wěn)定在3.5 W/m2。

2）對于被動房的室內(nèi)溫度變化，南向主臥內(nèi)墻壁溫度在36 h～48 h后溫度才有所升高，第9天到第10天之間溫度變化開始趨于平緩，逐漸穩(wěn)定在18.3℃左右；北向次臥內(nèi)墻壁溫度在48 h內(nèi)基本保持不變，第3天到第4天之間溫度略有下降，之后逐漸升高，在第10天穩(wěn)定在16.4℃左右。

3）與符合《江蘇省居住建筑熱環(huán)境和節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ32/J71-2008）中規(guī)定的節(jié)能達(dá)到50%和65%建筑比較，被動房冬季室內(nèi)熱環(huán)境舒適度更高。被動房平均室溫穩(wěn)定在18.8℃左右，分別比建筑節(jié)能達(dá)50%和65%的平均室溫高7.9℃和5.3℃；被動房內(nèi)墻壁熱流密度約為4.3 W/m2，分別比建筑節(jié)能達(dá)50%和65%的熱流值高3.5 W/m2和2.9 W/m2。