自然通风隔热结构的热工性能分析

摘 要：本文提出了一种适用于夏热冬暖地区的自然通风隔热外墙结构的设想。本文主要采用的计算方法是非稳态导热计算中的有限差分法，通过对不同隔热结构的热工性能进行比较，发现自然通风隔热结构隔热性能比普通的隔热外墙的隔热性能高。

关键词：隔热结构；非稳态导热分析；建筑节能

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.03.018

1 引言

夏热冬暖地区[1]主要集中在南方沿海地区，年日平均温度大于25℃以上的有100到200天。该地区气候炎热，建筑能耗主要在夏季的各种制冷设备上。夏热冬暖地区建筑节能，已经势在必行。

2 自然通风隔热结构的介绍

（1）模型的确立及依据：对于夏热冬冷地区，隔热外墙通风显然是非常重要的。故该模型主要的特点是增加其通风性能。根据质量守恒定律可知，流速随截面积缩小而增大。故提出的模型为下大上小的四棱台。故该模型可以提高气体流出的速度。

（2）空气间层越宽，空气流量自然越大。但是空气间层达到一定值时，空气流量不再增加。故本文采用80mm厚的空气间层并采用600mm高的隔热板。

（3）模型的具体材料及构造：保温隔热材料为热膨胀系数与聚氯乙烯。

（4）隔热结构的形状为直角梯台，高600mm，上部厚40mm，下部厚80mm。隔热结构的最外层是厚5mm的保温材料，中间是用聚氯乙烯制成的空心方格，最里面是厚5mm的保温材料。

3 自然通风隔热结构模型的热工性能分析

本文采用有限差分法[2-3]：第一，空气为理想连续气体，且粘性系数恒为，普朗特数为7.07，导热系数为；第二，空气和保温板的传热系数不随温度的变化而变化，且保温板的导热系数为。

3.1 模型的非稳态导热分析

通风隔热结构外表面x=0处的边界条件为：

（1）

其中，为换热系数。自然通风隔热结构每平方米的吸收到太阳的热量为Q（t）。

根据（1）式，当时间为t时，在X=0处，室外边界条件的差分形式为：

（2）

当时间为t时，在X=n处，室内的边界条件的差分形式为：

（3）

孔洞内空气的自然流动速度与温度是耦合关系：结构外壁向孔洞内空气传入热量，使孔洞内空气温度升高，空气以某一速度上升，假设该速度为0.05m/s。孔洞外壁温度为T，质量流量，隔热结构孔洞外壁面积为S，经过单位时间空气温度升高到T1。

孔洞内空气与结构的换热系数可根据等壁温平板的特征数方程，近似求解得。

3.2 自然通风隔热结构孔洞空气动力分析

在孔洞体系中取一个控制体有：

（6）

（7）

（8）

其中、为控制体的质量，为控制体的速度，

为空气密度，为气体所受的外力，、为控制体面积。

由6、7、8式整理得

（9）

将（9）式积分整理得最后得到孔洞中空气的流速为

（10）

4 结果分析

热辐射量最高为412.3W/m2，孔洞流速仅为0.9m/s，外墙的温度已经接近于室温。孔洞只需非常低的风速就能带走大量的热，故隔热结构自然通风是解决夏热冬暖地区太阳辐射量大问题的很好方法。

5 结论与展望

自然通风隔热结构的隔热性能优于实心和中空不对流隔热结构，且能有效的解决夏热冬暖地区西面山墙的隔热问题。本文主要是理论分析。

参考文献：

[1]唐平安，凌云，曹荣光.夏热冬暖地区住宅建筑节能措施[J].建筑节能，2007（04）：18-21.

[2] Francesca Stazi， Ambra Vegliò， Costanzo Di Perna， Placido Munafò. Experimental comparison between 3 different traditional wall constructions and dynamic simulations to identify optimal thermal insulation strategies Energy and Buildings 60 （2013） 429-441

[3]Omidreza Saadatian，K. Sopian， C.H. Lim， Nilofar Asim， M.Y. Sulaiman.Trombe walls： A review of opportunities and challenges in research and development[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，Volume 16，Issue 8，（October 2012），6340-6351

作者简介：何悠（1988-），女，广西柳州人，硕士，助教，主要从事：土木工程教育工作。