通风隔热屋面架空高度对隔热效果的影响分析

通风隔热屋面架空高度对隔热效果的影响分析

李宇森

李宇森

湖南博弘节能科技有限公司湖南长沙410000

摘要：本文采用CFD技术对通风隔热屋面空气间层高度对其隔热效果的影响进行了分析，结果表明：通风隔热屋面隔热效果随着空气间层高高度变大而变好，但是当空气间层高度达到350mm以后，隔热效果基本维持不变。因此，建议通风隔热屋面最佳高度350mm。

关键字：通风隔热屋面，建筑节能，CFD

1引言

节能减排和能源的高效利用已成为21世纪讨论的重点课题，而我国建筑能耗约占社会总能耗的33%，因此建筑节能也是大势所趋，而在建筑中空调采暖制冷能耗占据整个建筑能耗的50%以上，所以降低空调采暖负荷，减少空调采暖能耗已经成为建筑节能中重点研究技术。

建筑围护结构的隔热是降低建筑能耗的重要手段，而屋顶作为建筑围护结构的一部分，由于屋顶受太阳辐射强度大，日照时间长，有实测表明屋顶外表面温度可以达到60～70℃[1]。相关研究表明，对于低层建筑而言，屋顶得热量仅次于西墙的得热量，是南墙得热量的2.78倍[2]。通风隔热屋面一方面利用通风间层的外层遮挡阳光，使屋顶变成两次传热，避免太阳辐射热直接作用在围护结构上；另一方面利用风压和热压的作用，尤其是自然通风，带走进入夹层中的热量，从而减少室外热作用对内表面的影响。

在21世纪初，吴愚奕[3]、巩文东川[4]等人经过实地调查发现传统架空通风屋面在使用过程中存在很多问题。这些问题除了施工等外因，还有架空通风屋面设计本身存在的问题，基本归纳为隔热板的架空高度不够、隔热板强度不够、屋顶上女儿墙对隔热的不利影响、隔热板的支座质量差等问题。并提出了理论上的改进建议。刘才丰[5，6]等人针对夏热冬冷地区的气候特征和条件，提出了一种吸湿被动蒸发屋面，即在大阶砖屋面上铺上一层吸湿多孔材料。既考虑到夏季的隔热，也兼顾到了冬天的屋面保温。吸湿多孔材料具有蓄热性能，经过实测对比分析，这种通风屋顶比传统的通风屋顶和多孔材料蓄水屋顶隔热效果较好．这种吸湿被动蒸发屋顶的优点是根据室外空气的湿度进行自自我调节，因此比较适合相对湿度大的地区．与此同时，刘才丰还探究了架空屋面空气间层中空气的流速与室内空调冷负荷的关系．采用了数值模拟分析，得出空调日平均冷负荷随架空层内空气流速的变化关系式，并总结出想要降低空调冷负荷，仅靠增加通风屋顶空气间层气体流速是不科学的。

周胤[7]（等人通过采用CFD软件对金属压型钢板厘顶通风层的隔热属性进行了数值模拟，并采用了数值方法验证了数值模拟的可行性．研究参戴为温度、倾斜角、是否通风。结果表明，散热效果与通风量，空气间层温度，倾斜角大小成正比．

2015年，何方祥[8]等人提出在架空通风遮阳板下空气间层上下表面放置铝锚，试图增强具隔热性能。应用流体力学CFD软件针对铝绪不用的工况进行数值模拟分析，得出结论：铝范在间层中任何放置位置都能很好的提高屋顶的隔热能力．间层上下表面贴铝箔的效果最优，放置在下表面效果次之，但是考虑到实际情况，如下表面容易积灰的问题，实际上可以选择放置在间层上表面．

Susanti[9]等人研究工厂屋顶的空腔使自然通风来减少屋顶太阳能热描益，开发了一种模拟程序来计算空腔中的热和空气流量．将气流通道分为20部分，以便跟踪空气温度上升的模式，然后计算自然通风的浮力，计算出间层气流带走的热量。先进行数值模拟分析，接着进行数值模拟，最后综合实验模拟验证该模拟的可行性，可以用于预测太阳能做热的自然通风效应。

2研究方法

上面所有研究中均未研究通风隔热屋面空气间层的高度对通风隔热屋面的影响进行研究。本文利用CFD（计算流体力学）技术，对通风隔热屋面建立通风隔热屋面模型，研究通风架空屋面空气见层高度对屋面平均温度的影响。

3CFD模型

3.1通风隔热屋面模型的建立

通风隔热屋面模型如图1、图2

3.2边界设置

3.2.1来流边界条件

建筑来流方向风速为均匀分布，不同高度平面上的来流风速大小沿建筑高度方向按梯度递增。模拟分析时按大气边界层理论设置来流风速，不同地形的风速梯度不同。

因此，不同高度的风速不同，高度与风速的计算公式如下：

式中：

Vh—高度为h处的风速，m/s；

V0—基准高度h0处的风速，m/s，一般取10m处的风速，本研究设置为3m/s.

n—指数。根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2001，地面粗糙度可分为A、B、C、D四类：

——A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，指数为0.12；

——B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区，指数为0.16；

——C类指有密集建筑群的城市市区，指数为0.22；

——D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区，指数为0.30；

3.2.2出流边界条件

建筑出流面上空气流动按湍流充分发展考虑，边界条件按自由出口设定。

3.3湍流模型

本研究采用k-ε湍流模型，并加载太阳辐射模型到湍流模型的源项求解通风隔热屋面隔热状况，涉及到的控制方程主要包括：连续性方程、动量方程、能量方程，可以写成如下通用形式：

该式中的φ可以是速度、湍流动能、湍流耗散率以及温度等。针对不同的方程。

3.4收敛判断

本项目采用k-ε湍流模型的数值模拟方法，设置计算域计算步数为2000次，终止标准按连续性方程与动量方程残差为1.0E-4以下，能量方程残差为1.0E-7以下，收敛曲线如图3所示。

图3CFD计算的收敛曲线

4结果与分析

本研究对通风隔热屋面空气层高度从100mm至500mm的隔热性能进行CFD模拟。分别得到屋面的温度场分布，

图4未设置架空屋面屋顶温度

图5架空高度为100mm时屋面温度

图6架空高度为200mm时屋面温度

图7架空高度为300mm时屋面温度

图8架空高度为400mm时屋面温度

图9架空高度为500mm时屋面温度

图10屋面平均温度随架空高度变化关系

从图5～图9可以看出，采用通风隔热屋面后，屋面温度明显低于未采用通风隔热屋面，平均温度降幅为14℃～18℃，采用通风隔热屋面后，屋面中间部分温度明显低于四周温度，这是由于中间部分被通风隔热屋面遮挡，避免太阳直射，降低了中间部分的得热量。同时还可以看到，屋面温度随着通风隔热屋面得空气间层高度增加而降低，但是当空气间层的高度达到350mm以后，降低及其缓慢，基本保持不变。这是由于空气在通风隔热屋面间层内流动时，靠近壁面的气流处于层流状态，当间层的高度小于边界层两倍时，空腔内空气受高度影响很大，因为离壁面越远的气流流速越大，但是当间层高度大于两倍边界层厚度之后，中间气流处于紊流状态，不再受壁面摩擦力影响，此后再增大间层高度气流流速不会变化，从而间层空气平均流速变化越来越缓慢，空气间层散热的速度也就基本不变。因此必定会存在一个临界高度，大于这个临界高度后，屋面温度不基本维持不变状态，根据模拟结果，这个临界高度为350mm。

5结论

（1）通风隔热屋面隔热效果随着空气间层高高度变大而变好，但是当空气间层高度达到350mm以后，隔热效果基本维持不变。因此，建议通风隔热屋面最佳高度350mm。

（2）采用通风隔热屋面后，屋面温度明显低于未采用通风隔热屋面，平均温度降幅为14℃～18℃。

参考文献：

[1][1]王波，冉茂宇.近年来通风屋顶研究现状概述及相关问题[J].中外建筑，2017（08）：81-83.

[2]BiwolePH，WoloszynM，PompeoC.Heattransfersinadouble-skinroofventilatedbynaturalconvectioninsummertime[J]EnergyandBuildings..

[3]吴愚奕，毕毅．屋面架空隔热板的破损原因及改进［J］，四川建筑科

[4]巩文东.屋面架空隔热层存在的弊端及预防措施［J］.天津冶金，2001（06）：[19］

[5]刘才丰，冯雅一种新型屋面被动蒸发隔？柑支术［J].l新型建筑材料，立2001（0l）：38-39.

[6]刘才车，冯雅.通风屋顶间层内空气流速对空调冷负荷的影响［J］.西安建筑科技大学学报（自然科学版）2001（03）：233-235

[7]周胤，俞亚南，段园煜.金属压型板屋顶通风层隔热的数值模拟［J］．浙江大学学报（工学版）.2010（12）：2235

[8］何方祥，詹树林，钱晓青等．平屋顶遮阳通风层隔热的数值模拟分析[J]，浙江大学学报（工学版），2015（12）：2397-2402.

[9]SusantiL，HommaH，MatsumotoH，etal.Numericalsimulationofnaturalventil-ationofafactoryroofcavity[J].EnergyandBuildings.2010，42（8）：1337-1343.