自然通風狀態下輕質屋面隔熱性能分析

付昌杰 馮雅 劉東升

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

[基金項目]國家政府間國際科技創新合作重點專項（項目編號：2019YFE0100300-11）

[作者簡介]付昌杰（1988—），男，碩士，工程師，研究方向為建筑節能及建筑熱物理方面。

既有傳統建筑中木結構屋面頂熱工性能差，夏季屋面頂內表面溫度高，夏季屋面頂內表面溫度對人體的輻射占到很大部分室內熱環境差，嚴重影響了建筑室內的熱舒適性。因此，提高屋面保溫隔熱性能，對提高抵抗夏季室外熱作用的能力尤其重要，也能減少空調能耗，改善室內熱環境具有極為重要的作用。

近年來國內外對輕質屋面保溫隔熱性能進行了大量研究，但大部分都是在空調模式下對屋面頂熱工狀況做研究。王平[1]對平屋面通風隔熱性能做了實驗測試和CFD數值研究，研究表明：屋面通風隔熱效果顯著，并驗證了Fluent在屋面模型傳熱計算中的可行性;黃夏東[2]通過實驗的方式對位于福建建筑科學研究院金山基地屋面頂做了4種隔熱保溫性能熱工分析，給出常規架空屋面不能滿足節能要求，對屋面頂的傳熱系數控制在1.0 w/m2K以下。

以上研究所建立的分析模型均人為設定室內空氣溫度及室內壁換熱系數，僅對屋面固體結構傳熱進行分析。實際上，室內空氣流場結構復雜，壁面各處換熱性能不同，必須對屋面和室內空氣進行耦合傳熱分析才能準確預測室內熱環境及屋面表現的熱工性能。

針對既有傳統建筑的屋面頂改造，本文主要分析在自然通風狀態下，對輕質屋面熱工性能的改造對室內熱環境的影響。

1 傳統民居輕質保溫隔層屋面物理模型

房屋物理模型見圖1，東西方向為兩面墻，南墻帶有門，北墻有開窗，南北方向實現通風，頂部是南北坡向的輕質屋面頂。房間四周墻體的主體結構尺寸，長6.52 m，寬5.02 m，高3.6 m，墻厚0.26 m，墻兩側存在抹灰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屋面熱工性能和室內熱環境影響，保溫層厚度分別取0 mm、100 mm、200 mm、300 mm。因為本研究對象為東西對稱結構，為了簡化計算，所以取整間房屋的一半來研究。

模型材料的物性參數詳見表1。

2 數學模型

2.1 流動控制方程

本文考慮了自然對流的影響，因為在每個時刻空氣存在溫差，空氣密度隨溫度變化，在熱壓的作用下，空氣會上浮，因此將空氣采用Boussinesq假設，在溫度變化不是很大的時候，此假設能很好的模擬自然對流現象。

對于湍流模型，金新陽[3]等對數值風工程應用中湍流模型做了比較研究，謝海英[4]也對前后通風建筑內外流動湍流模型做了比較。根據前人的結果本文選用RNG k-ε二方程湍流模型。

2.2 邊界條件

圍護結構外表面接收的太陽輻射量可以認為圍護結構外表面和天空進行輻射換熱，天空可以假定成一個無限大的黑體平面。當有太陽輻射時，屋面和墻體南側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為圍護結構外表面對太陽輻射的吸收系數;ε為圍護結構外表面發射率，在灰體輻射中ρ=ε;I為太陽輻射強度;Tr為圍護結構外表面溫度。Tb為天空有效黑體輻射溫度。

當無太陽輻射時，即夜間的時候，Tb采用成都地區典型氣象年一天的逐時天空有效溫度。

（1）屋面外表面、南側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為屋面外表面對流換熱系數，W·（m2·K）-1;hs為南墻外表面對流換熱系數，W·（m2·K）-1;ε為屋面或墻體外表面發射率;σ為黑體輻射常數，其值為5.67×10-8W·（m2·K4）。

（2）為了分析房屋在自然通風狀態下表現出來的熱物理性質，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度采用成都地區7月20日典型氣象年的數據，屋面和南墻外表面對流換熱系數取18W·（m2·K）-1，屋面頂和南墻外表面吸收系數分別取0.8和0.67[5]。建筑論壇與建筑設計付昌杰， 馮雅， 劉東升： 自然通風狀態下輕質屋面隔熱性能分析

3 數值模擬結果與分析

3.1 屋面隔熱性能分析

熱惰性是表征圍護結構對外界溫度波動的抵抗能力，圍護結構熱惰性越大，對室外溫度波動的抵抗能力越強，房屋室內的溫度波動較小，室內溫度相對穩定。因屋面南北兩側只是輻射強度不同，對屋面熱惰性的研究，本節以南側屋面頂為研究對象。屋面外表面平均溫度逐時分布曲線見圖2。屋面內外表面平均溫度逐時分布曲線見圖3。

由圖2可知，由于屋面保溫板的存在，導致有太陽直射的時間段，屋面外表面溫度會略高于保溫屋面外表面溫度2 ℃左右，但當太陽落山，由于保溫板對室內熱量的阻隔，屋面外表面溫度由于室外對流的作用，溫度減低速度明顯優于無保溫屋面，對城市熱島強度的降低起到有利作用。

自然通風下圖2與圖3進行對比，無保溫屋面內外表面溫度差在1 ℃左右，屋面幾乎對外表面溫度沒有延遲和衰減作用，屋面內表面溫度隨太陽輻射強度增減規律一致;有保溫屋面內表面溫度波動幅度相對平穩。

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

由表2可知，對屋面增加保溫層，提高了屋面的熱阻，能有效地改善屋面內表面溫度過高的現象，顯著地降低屋面內表面對人體的長波輻射作用;當保溫層厚度增加到一定程度之后，屋面內表面溫度全天溫差將會趨于一致，溫度衰減值與延遲時間逐漸增加，增加保溫層厚度對室內熱環境改善作用越來越小。

3.2 室內熱環境分析

因正午時分太陽輻射強度最大，選取正午時的室內溫度場，對有保溫與無保溫措施屋面頂作比較。根據3.1章節的分析，100 mm的保溫板已經可以對屋面內表面溫度起到很好的改善作用，所以本節取100 mm保溫屋面與無保溫屋層頂作比較，室內溫度場分布見圖4。

從圖4可以看出，在屋面外表面有持續的太陽輻射下，無保溫屋面房屋空氣上層出現悶頂現象，由上到下溫度依次降低;有保溫屋面室內沒有出現悶頂現象，室內空氣溫度均衡。悶頂的存在使房屋上層空氣形成一個大的保溫層，且室內低溫區域會明顯減少，對既有建筑增加屋面頂保溫能有效地改善室內熱環境，提升室內舒適區域范圍。

4 結論

通過對既有傳統輕質屋面房屋的耦合傳熱模擬計算，得出結論：

（1）對既有輕質屋面增設保溫層能顯著降低屋面內表面溫度及波動，且能夠在一定程度上對降低城市熱島現象上起到有利作用。當保溫層厚度增加到一定程度之后，屋面內表面溫度全天溫差將會趨于一致，溫度衰減值與延遲時間逐漸增加，增加保溫層厚度對室內熱環境改善作用越來越小。

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

（3）對既有傳統輕質屋面通過增加保溫材料的做法有助于改善室內熱環境，保溫層厚度在100 mm級（以XPS保溫板熱工性能為例）為宜。

參考文獻

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

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

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

[4] 謝海英，張道方.前后通風的建筑內外流動湍流模型比較[J]. 上海理工大學學報，2007，29（5）：449-452.

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