三种墙体保温隔热性能的数值分析.pdf

第3 5 卷第2 期2008 年2 月湖南大学学报(自然科学版)J o u r n a lo fH u m a nU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e s)V o I 3 5 N o 2F e b 2008文章编号：1 0 0 0 2 4 7 2(2 0 0 8)0 2 0 0 3 1 0 4三种墙体保温隔热性能的数值分析汤莉”，汤广发2(1 中南大学土木建筑学院，湖南长沙4 1 0 0 7 5；2 湖南大学土木工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 2)摘要：利用计算流体力学和计算传热学的方法，建立数值仿真的物理模型和数学模型，对比较适合“夏热冬冷”地区的三种外墙进行了传热计算，并用相关资料进行验证通过数值仿真计算了由墙体传入室内的热量(夏季)或由室内通过墙体传到室外的热量(冬季)，并对三种墙体的热工性能进行了比较研究结果表明外挂式封闭间层墙体的夏季隔热性能及冬季保温性能都较好。可以在“夏热冬冷”地区推广使用关键词：建筑节能；动态模拟；保温；隔热中图分类号：T U l l l 1 9文献标识码：AN u m e r i c a lA n a l y s i so nt h eH e a tP r e s r v a t i o na n dH e a tI n s u l a t i o nP e r f o r m a n c eo fT h r e eK i n d so fW a l l sT A N GL i l t T A N GG u a n g f a 2(S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e-C e n t r a lS o u t hU n i v C h a n g s h a。H u m a n4 1 0 0 7 5-C h i n a；。2 C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n g H u n a nU n i v C h a n g s h a。H u m a n4 1 0 0 8 2 C h i n a)A b s t r a c t：Ap h y s i c a lm o d e la n dam a t h e m a t i cm o d e lo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r ec r e a t e db yu s i n gt h em e t h o d st Oc a l c u l a t eh y d r o m e c h a n i c sa n dh e a tt r a n s f e r T h eh e a tt r a n s f e ro ft h r e ek i n d so fo u t e rw a l l sf i tf o ra r e a sh o ti ns u m m e ra n dc o l di nw i n t e rw a sc a l c u l a t e da n dv e r i f i e dw i t hr e l e v a n td a t a T h eq u a n t i t yo fh e a tt r a n s f e r r e df r o mo u t s i d et Oi n s i d eb yt h ew a l l si ns u m m e ra n dt h eq u a n t i t yo fh e a tt r a n s f e r r e df r o mi n s i d et oo u t s i d eb yt h ew a l l si nw i n t e rw e r ec a l c u l a t e db yu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n，a n dt h et h e r m a lp e r f o r m a n c eo ft h r e ek i n d so fw a l l sw e r ec o m p a r e d T h er e s u l th a ss h o w nt h a tt h eo u t s i d es u s p e n s i o nw a l lw i t hs e a li n t e r c a l a t e dk e dh a sg o o dh e a ti n s u l a t i o np e r f o r m a n c ei ns u m m e ra n dg o o dh e a tp r e s e r v a t i o np e r f o r m a n c ei nw i n t e r T h i sk i n do fw a l lc a nb ew i d e l yu s e di na r e a sh o ti ns u m m e ra n dc o l di nw i n t e r K e yw o r d s：e n e r g yc o n s e r v a t i o ni nb u i l d i n g s；d y n a m i cs i m u l a t i o n；h e a tp r e s e r v a t i o n；h e a ti n s u l a t i o n 节约能源是我国目前重要任务之一，而建筑方面的节能更为突出降低建筑能耗更为重要为了研究适合夏热冬冷地区外墙构造，选用三种外墙型式进行数值计算，并进行节能分析我们借鉴计算流体力学、传热这方面的成熟方法乜。7】，采用数值模拟方法模拟不同类型维护结构的热工特性。并进行比较收稿日期：2 0 0 7-0 1-2 0基金项目：国家自然科学基金资助项目(5 0 5 7 8 0 5 9)作者简介：汤莉(1 9 7 3 一)，女，广东梅县人，中南大学讲师t 通讯联系人，E m a i h t a n g l i 2 1 l h o t m a i l 锄1 三种墙体的构造及参数墙体I(见图1)：2 4 0m m 灰沙砖实体墙；墙体(见图2)：2 4 0m m 灰沙砖实体墙外加一封闭的空气间层；墙体(见图3)：2 4 0m m 灰沙砖实体墙外加一通风的空气间层墙体各层的物理参数见表1 万方数据3 2湖南大学学报(自然科学版)2 0 0 8 越拦I 蹩篓甜w a l l)i、n t 嘲m 酣i n t e r c a l a t e db e d)表1 墙体各层材料的物理参数T a b 1P h y s i c a lp r o p e r t i e sl i s t s2室内传热和气体流动的数值方法本文采用了流体流动数值计算和传热数值计算相结合的方法2 1 物理模型及问题描述为了符合实际建筑构造和方便不同墙体的动态传热性能比较。本文以对流传热为主，并构造了一个如图4 所示的方形空腔，其长和宽为H H(m)空腔右侧是被研究的各种墙体，左侧墙体维持常温。(K)，上下及前后面为绝热面夏季工况时，从右侧墙体外表面进入的热量，由于室内空气对流而被携带至温度为t，的冷壁面并被吸收；冬季工况时，热量从温度为，的高温壁面由于室内空气对流而被输送到右侧墙体的内侧，再经各层直至外表面而传到室外这样，墙体瞬态和周期的保温、隔热性能将可直接由模型各墙面的对流换热率来体现图4 数值计算的物理模型F i g 4G e n e r a lo b s e r v a t i o no ft h ec o n j u g a t eh e a tt r a n s f e rm o d e l右侧墙体外表面受户外空气对流传热和太阳辐射热的综合作用，其外表面的综合温度t。呈周期性变化，即。=。+厂(r)，f。为参考温度以湖南长沙为例，其t。的逐时变化如图5 所示(西墙)，这就是作为外边界的温度条件考虑冬季建筑能耗远小于夏季空调能耗，故仅考虑稳态耦合对流及导热过程t h图5 逐时变化的墙体外表面综合温度f。F i g 5T h ep u l s a t i n ge x t e r i o rs u r f a c et e m p e r a t u r e2 2 数学模型2 2 1 控制方程本文仅讨论二维层流及耦合传热过程，即空气和墙体的所有热物性参数都视为常数，基于这些假设。可以给出下列满足质量守恒动量守恒和能量守恒的无因次控制方程筹+筹；o l _)aU au u av u a p _，j 了十万叉。+r F 2 一万又十(宝)忱(祭+挈)。_ a，a 叽a a p 一+一 1-一=一I-a f。a X aYa x。(岳)(筹+擎)n，筹a+等a+塑aY=(上R a P r 门祭+a 氅Y)一十一十一=I lI 11 1lr。X。a X 2z”(4)由于计算区域内的固体视为不渗透区域，其速度及动量为零旺。l，但是能量可以在固体内部输运，相应的能量控制方程为：糍筹=鲁(上R a P r)加(磐a x+冬a Y)(I D C P)fa r 点f 22 7以上式中，角标f 和s 分别代表流体和固体区域T 为温度(K)；U，V 为气体流速(I l l s)；P r 为普朗特准数；雷莱数尺口与(G r，p r)数有关；K，K 分别为固体和流体的导热系数 万方数据第2 期汤莉等：三种墙体保温隔热性能的数值分析2 2 2 边界条件墙表面的速度边界条件：U=V=0，在空腔左侧墙及右侧墙夹层外壁面温度边界条件：T(0，Y，r)=0 0，(6 a)T(1+W H，Y，r)=F(r)(6 b)式中：F(r)为图5 周期性变化的无因次值冬季工况时，空腔左侧墙及右侧墙表面温度分别为：T(0，Y，r)=0 0，(7 a)T(1+W H Y，r)=0 0(7 b)，除墙体通风层开口外，耦合换热系统的上下水平面维持零热流边界，舅l：舅I姐，(8)YYal(x。o，)aI(x o，)。V。、u7墙体通风层的上下开口，夏季工况按如下条件：底部人口：T=0，U=0，a v a Y=0，(9)顶部出口：a u l a Y=a V a Y=0，(1 0 a)V 0，a V 刀Y=o 而U 0，T=0，(1 0 b)即向外排风是温度按N e u m a n n 边界，而向夹层内回流时取T=0 引冬季工况条件下：上部人口：T=0，U=0，a V a Y=0，(1 1)下部出口：a U a Y=a V 0 Y=0，(1 2 a)V o，a V a Y=0 和U=0，T=0(1 2 b)固液界面热流及温度的连续性分别按如下条件给出3 一引：筹l。=忌。筹l。，(1 3)T f=T(1 4)式中：行代表固液界面的法线方向为考核本文计算方法，我们分别通过方形空腔热力驱动气流及耦合自然对流算例加以验证，与资料 4 和 8 比较结果令人满意(见表2)说明我们采用的计算方法可靠表2 方形空腔热力驱动气流(R a=1 0。P r=0 7 1 lT a b 2C o m p a r i s i o nb e t w e e np u b l i s h e dr e s u l t sa n dr e s u l t so b t a i n e di np r e s e a ts t u d yf o ras q u a r ee n c l o s u r ef i l l e do n l yw i t hac l e a rf l u i d文献 5】一6 8 66 0 5 _ 8 5 3 3 0 2 粼8 7 6 31 0 7 0 5 0 1 0 8；舢。0 0 7本文结果(o-1 7 1 0 7 o。3 5 5 5 2 3)：9 8 0 7 0 02 0 1 9 4 2 1 3 0 28 8 6 4 学篙?：嚣2 2 3 热传递率墙体保温隔热性能的好坏，用计算内墙(X=0)及外墙(X=1+W I H)的热传递率Q。和Q R 来表示是较好的方法盱端Ha td志I 寻H吣鞲H8 t kf 寻H=卜筹La y，=：一吼叫二H 报(1 6)对于动态耦合传热系统，在初始阶段输入和输出的热量(Q。，Q R)未必相等，但经过一段时间后Q。Q。，即达到稳定状态经我们计算，约4 8 0h 后传人的热量和输出的热量已基本达到平衡，室内温度也基本稳定这表明在其他条件相同时，若墙体热扩散系数a(k(J D(1 P)s 越大或墙体的蓄热能力越小，则达到稳态所需的时间就越短3数值计算结果及分析通过S I M P L E 算法得到如下结果，f，f3 1用lQ。d r 和IQ。d r 表示在时间f 内总的传J J 热量三种墙体在时间r 内总的传热量列于表3 表3各种墙体夏季在时间f 内总的传热量T a b 3T i m ei n t e g r a t e dh e a tt r a n s f e rr a t e sc o m p a r i s o nf o rs u m m e r 血y s从表3 可得出结论：在夏季工况时，这三种墙体中隔热性能最好的是通风间层为5 0m m 的墙体墙体次之，墙体I 最差3 2 冬季工况的传热分析冬季工况用稳态计算，即控制方程的所有时间项均为0，计算结果见表4 从表4 可知，对冬季工况而言，保温最好的是墙体墙体比墙体稍差一点，墙体I 最差 万方数据3 4湖南大学学报(自然科学版)2 0 0 8 年表4 各种墙体冬季在时问f 内总的传热量T a b 4T o t a lh e a tt r a n s f e ri-a r e sc o m p a r i s o nt o tw i n t e rd a y s4结论从上面计算及节能分析可以得出如下结论1)从表3 可知，夏季从室外传人室内的热量墙体最少，墙体次之，墙体I 最多，故夏季工况墙体隔热效果最好，墙体次之，墙体I 最差2)从表4 可知，冬季从室内传出的热量墙体最少，墙体次之，墙体I 最多，故冬季工况墙体保温效果最好，墙体稍差一些，墙体I 保温效果最差3)综合考虑，墙体与墙体相比较，夏季工况隔热性能，墙体稍好于墙体为了兼顾保温与隔热效果，取墙体比较好它既有好的保温效果又有较好的隔热效果，较适合夏热冬冷地区使用参考文献 1】徐湘波胡益雄建筑物及汽车空调负荷 M】长沙：国防科技大学出版社，1 9 9 7 X UXB H UYX A i r-c o n d i t i o n i n gl o a d so fb u i l d i n ga n dv e h i c l e M】C h a n g s h a：N a t i o n a lU n i v e r s i t yo fD e f e n s eT e c h n o l o g yP r e s s，1 9 9 7(I nC h i n e s e)2 汤广发，吕文瑚，王汉青室内气流数值计算与模型试验 M 长沙：湖南大学出版社，1 9 8 9 T A N GGF，L UWH，W A N GHQ I n d o o ra i rf l o wn u m e r i c a lc o m p u t a t i o na n dm o d e le x p e r i m e n t M】C h a n g s h a：H u n a nU n i v e r s i t yP r e s s。1 9 8 9(I nC h i n e s e)【3 D UZG，B I L G E NE C o u p l i n go fw a l lc o n d u c t i o nw i t hn a t u r a lc o n v e c t i o ni nir e c t a n g u l a re n e l 0 6 u r e J I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fH e a ta n dM a s sT r a n s f 日。1 9 9 2。3 5：1 9 6 9 1 9 7 5 4】Y E D D E RRB。B I L G E NE T u r b u l e n tn a t u r a lc o n v e c t i o na n dc o n d u c t i o ni ne n c l o s u r e sb o u n d e db yam a s s i v ew a l l J I n t e n a t i o n a lJ o u n u do f H e a ta n d M a s s T r a n s f e r 1 9 9 5。3 8：1 8 7 9 1 8 9 1 5 Y E D D E RRB，B I L G E NE I d m i n a rn a t u r a lo O l r l V e c t i o l li ni n d i n e de r i e l o s u r e sb o u n d e db yi ts o l i dw a l l J】H e a ta n dM a s sT r a n s f e r。1 9 9 7 3 2：4 5 5 4 6 2 6 D E N GQH，T A N GGF N u m e r i c a lv i s u a l i z a t i o no ff a n dh e a tt r a n s p o r tf o rc o n j u g a t er l a t t i r a lc o n v e c t i o n h e a tc o n d u c t i o nb ys t r e a m l i n ea n dh e a t h i n e J I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fH e a ta n dM a s sT r a n s f e r，2 0 0 2，4 5：2 3 7 3 2 3 8 5 7 张泠，尹应德，汤广发，等共轭传热室内自然对流数值模拟研究 J】湖南大学学报：自然科学版，2 0 0 3，3 0(2)：9 1 9 4 Z H A N GL，Y I NYD，T A N GGF e ta 1 An u m e r i c a ls t u d yo c o n j u g a t en a t u r a le o n v e e t l o ni nas q u a r ee n d o s u r e J】J o u r n a lo fH u n a nU n i v e r s i t y：N a t u r a lS c i e n c e s 2 0 0 3，3 0(2)：9 1 9 4(I nC h i m e s)8 K A L I T AJC，D A L A LDC。D A S SAK，F u l l yc o m p a c th i g h e r-o r d e rc o m p u t a t i o no fs t e a d y s t a t en a t u r a lc o n v e c t i o ni nas q u a r ec a v i t y J 1 y s i c a l R e v i e wE 2 0 0 1 6 4：1 一1 3 万方数据三种墙体保温隔热性能的数值分析三种墙体保温隔热性能的数值分析作者：汤莉，汤广发，TANG Li，TANG Guang-fa作者单位：汤莉,TANG Li(中南大学,土木建筑学院,湖南,长沙,410075)，汤广发,TANG Guang-fa(湖南,大学,土木工程学院,湖南,长沙,410082)刊名：湖南大学学报（自然科学版）英文刊名：JOURNAL OF HUNAN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCES)年，卷(期)：2008,35(2)被引用次数：5次 参考文献(8条)参考文献(8条)1.徐湘波;胡益雄 建筑物及汽车空调负荷 19972.汤广发;吕文瑚;王汉青 室内气流数值计算与模型试验 19893.DU Z G;BILGEN E Coupling of wall conduction with natural convection in a rectangular enclosure19924.YEDDER R B;BILGEN E Turbulent natural convection and conduction in enclosures bounded by a massivewall 19955.YEDDER R B;BILGEN E Laminar natural convection in inclined enclosures bounded by a solid wall 19976.DENG Q H;TANG G F Numerical visualization of mass and heat transport for conjugate naturalconvection/heat conduction by streamline and heathine 20027.张泠;尹应德;汤广发 共轭传热室内自然对流数值模拟研究期刊论文-湖南大学学报(自然科学版)2003(02)8.KALITA J C;DALAL D C;DASS A K Fully compact higher-order computation of steady-state naturalconvection in a square cavity 2001 本文读者也读过(2条)本文读者也读过(2条)1.高原.张君.GAO Yuan.ZHANG Jun 加气混凝土自保温与聚苯板外保温墙体保温隔热性能对比期刊论文-新型建筑材料2010,37(3)2.张君.黄振利.李志华.阎培渝.张盼.ZHANG Jun.HUANG Zhen-li.LI Zhi-hua.YAN Pei-yu.ZHANG Pan 不同保温形式墙体温度场数值模拟与分析期刊论文-哈尔滨工程大学学报2009,30(12)引证文献(5条)引证文献(5条)1.张研.蒋林华.储洪强.徐怡 EPS外保温系统的力学分析和数值仿真期刊论文-建筑材料学报 2010(4)2.王厚华.庄燕燕.吴伟伟 夏热冬冷地区围护结构热工性能节能分析期刊论文-同济大学学报（自然科学版）2010(11)3.王厚华.庄燕燕.吴伟伟.吴宏伟 几种复合墙体构造的热工性能数值分析期刊论文-重庆大学学报 2010(5)4.李建光.童丽萍 小匡体复合保温墙体热工性能分析期刊论文-郑州大学学报（理学版）2011(4)5.吴彻平.彭家惠.姜涵 不同结构墙体的绝热性能数值分析期刊论文-煤气与热力 2011(11)本文链接：