特朗伯墻式空腔建筑體系的傳熱模型和數(shù)值模擬

劉 義，陳 星，王新宇

(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127;2.揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

空腔建筑是一種特殊的建筑型式，采用空腔樓板、空腔砌體、空腔屋面等，將建筑進(jìn)行空心化，從而達(dá)到節(jié)約建筑材料，降低建筑成本的目的.常見的現(xiàn)澆空心樓板透視圖和橫剖面圖見圖1和圖2.目前對空腔建筑的研究領(lǐng)域多集中于墻體材料、結(jié)構(gòu)耐久性、維護(hù)加固等方面，其主要目的大多是為了實現(xiàn)其基本的建筑功能，而對這類建筑賦予更廣泛的功能，例如通風(fēng)功能、傳熱功能、管線功能、安全功能等，則是一個較新的研究課題.為了滿足人在建筑內(nèi)居住的舒適性，對空腔建筑室內(nèi)熱環(huán)境的研究，將是空腔建筑研究范疇內(nèi)的核心內(nèi)容.

Maerefa[1]等人對采用太陽能煙囪和蒸發(fā)冷卻通道的獨(dú)體別墅進(jìn)行了自然冷卻方面的研究；Lee[2]等人對通風(fēng)屋頂通道中的氣流進(jìn)行了實驗研究；Abdullatif[3]等人對夏季重質(zhì)屋頂通道中的自然對流共軛效應(yīng)進(jìn)行了研究；Briga[4]、Ma[5]和Shi[6]等人則對太陽能特朗伯墻(Trombe Wall)的性能展開了一定研究.

圖1 現(xiàn)澆空心樓板透視圖Fig.1 Perspective view of on-sit concrete hollow floor

圖2 現(xiàn)澆空心樓板橫剖面圖Fig.2 Sectional view of on-sit concrete hollow floor

由于空腔建筑體系具有豐富的空心結(jié)構(gòu)，若能在滿足建筑結(jié)構(gòu)要求的前提下，將空心結(jié)構(gòu)彼此連通，組織空氣在建筑物內(nèi)部的空腔體系中合理的流動，并通過墻體、樓板、門窗等結(jié)構(gòu)對室內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)和換熱，使之實現(xiàn)舒適性和建筑節(jié)能的目標(biāo)，這將成為一種較新的建筑設(shè)計構(gòu)想[7-12].

將太陽能特朗伯墻(Trombe Wall)應(yīng)用于空腔建筑體系，建立了特朗伯墻式空腔建筑體系熱量傳遞的數(shù)學(xué)模型，對建筑采暖過程進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，從而提出一種關(guān)于低碳節(jié)能建筑的設(shè)計方法.

1 特朗伯墻式空腔建筑體系工作原理

以一幢三層建筑為例，建筑物南面設(shè)置蓄熱墻體，涂以黑色選擇性吸收材料涂層，在離墻外表面10 cm左右安裝高透光玻璃幕墻，玻璃幕墻與南墻之間形成豎直空氣夾層.將空氣夾層與現(xiàn)澆空心樓板連通，并由空心樓板進(jìn)一步與其他空心墻體連通，形成建筑物內(nèi)部空氣流通網(wǎng)絡(luò).空氣流通網(wǎng)絡(luò)中，如果涉及到跨越水平或豎直防火分區(qū)的情況，需采取相應(yīng)的防火隔離措施，在災(zāi)情發(fā)生時將空氣通道隔斷.

根據(jù)豎直空氣夾層是否貫通整個樓層，又可將特朗伯墻式空腔建筑體系分為以下兩種情況.

1.1 連通型特朗伯墻式空腔建筑體系

若將豎直空氣夾層貫通整個樓層，則應(yīng)在玻璃幕墻底部和頂部開設(shè)通風(fēng)孔，并在建筑物底層蓄熱墻和北墻下部各開設(shè)通風(fēng)孔，從而形成連通型特朗伯墻式空腔建筑體系，見圖3.

圖3 連通型特朗伯墻式空腔建筑體系示意圖Fig.3 Cavity construction system with connectedtrombe walls

采暖季節(jié)時，玻璃幕墻上下兩個通風(fēng)口關(guān)閉，底層墻體下部通風(fēng)口開啟，由于蓄熱墻體吸收太陽能而具有較高溫度，可對豎直夾層內(nèi)的空氣進(jìn)行加熱，在熱壓作用下，底層房間室內(nèi)空氣由底部通風(fēng)口進(jìn)入豎直夾層，豎直夾層熱氣流上升，并通過空心樓板水平夾層，樓板夾層中熱空氣攜帶的熱量以導(dǎo)熱方式穿透樓板向上傳遞至上層房間，對房間進(jìn)行采暖.放熱后的空氣在其他空心墻體中沉降，最后由底部房間通風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)，從而完成整棟樓的自然對流.

由于傳統(tǒng)的特朗伯墻式建筑均采用熱空氣上部側(cè)送方式，而此種建筑形式采用地板采暖方式，熱氣流在上升過程中對室內(nèi)空氣進(jìn)行逐層置換，符合人體冷熱感覺的規(guī)律，而且具有較高的換氣效率和能量利用效率.

非采暖季節(jié)時，可將玻璃幕墻頂部通風(fēng)口開啟，底部通風(fēng)口關(guān)閉，蓄熱墻體吸收太陽能加熱豎直夾層中的空氣，并依靠建筑物門窗的開啟產(chǎn)生熱壓，則可實現(xiàn)建筑的通風(fēng)功能.

1.2 分隔型特朗伯墻式空腔建筑體系

若將豎直空氣夾層在每層樓板處隔開，則應(yīng)在每層玻璃幕墻底部和頂部均開設(shè)通風(fēng)孔，每層蓄熱墻和北墻下部均開設(shè)通風(fēng)孔，從而形成分隔型特朗伯墻式空腔建筑體系，見圖4，其工作原理與連通型特朗伯墻式空腔建筑體系基本相同，但由于垂直樓層間的空氣并不連通，所以某樓層特朗伯墻墻體內(nèi)的熱空氣只能流到本樓層頂部樓板與上方樓層底部地板之間的空心夾層中，而并不能流到上方樓層的特朗伯墻墻體內(nèi).

圖4 分隔型特朗伯墻式空腔建筑體系示意圖Fig.4 Cavity construction system with disconnectedtrombe walls

2 特朗伯墻式空腔建筑體系傳熱模型

將豎直和水平空氣夾層中的傳熱近似為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程，忽略玻璃蓋板、集熱墻和地板的熱容量，并將樓板視作絕熱邊界，可建立特朗伯墻式空腔建筑體系熱量傳遞的數(shù)學(xué)模型.

2.1 豎直空氣夾層傳熱的數(shù)學(xué)描述

玻璃蓋板熱平衡方程為

Sg=(hout+hsky)(Tg-Tout)+hg(Tg-Ta)+
hgw(Tg-Tw)

(1)

式中：Sg為玻璃蓋板吸收的太陽輻射熱(W/m2)，Sg=αgIc，其中αg為玻璃對太陽輻射的吸收率，Ic為太陽輻射強(qiáng)度；hout為玻璃蓋板與外界空氣的對流換熱系數(shù)(W/m2·K)；hsky為玻璃蓋板向天空的輻射換熱系數(shù)(W/m2·K)；hg為玻璃蓋板與夾層空氣間的對流換熱系數(shù)(W/m2·K)；hgw為玻璃蓋板與集熱墻外表面之間的輻射換熱系數(shù)(W/m2·K)；Tout、Tg、Ta、Tw分別為室外空氣、玻璃蓋板、空氣夾層和集熱墻外表面的溫度(K).

集熱墻熱平衡方程為

Sw=hw(Tw-Ta)+hgw(Tw-Tg)+kwi(Tw-Ti)

(2)

式中：Sw為集熱墻吸收的太陽輻射熱(W/m2)，Sw=ρgαwIc，其中ρg為玻璃對太陽輻射的穿透率，αw為集熱墻對太陽輻射的吸收率；hw為集熱墻與夾層空氣間的對流換熱系數(shù)(W/m2·K)；kwi為集熱墻與室內(nèi)空氣的傳熱系數(shù)(W/m2·K)；Ti為室內(nèi)空氣溫度(K).

豎直夾層空氣熱平衡方程為

q1=hg(Tg-Ta)+hw(Tw-Ta)

(3)

式中：q1為單位面積豎直夾層空氣的吸熱量(W/m2·K).

2.2 水平空氣夾層傳熱的數(shù)學(xué)描述

地板熱平衡方程為

hfl(Ta-Tfl)=kfli(Tfl-Ti)

(4)

式中：hfl為地板與夾層空氣間的對流換熱系數(shù)(W/m2·K)；kfli為地板與室內(nèi)空氣的傳熱系數(shù)(W/m2·K)；Tfl為地板的溫度(K).

水平夾層空氣熱平衡方程為

q2=hfl(Ta-Tfl)

(5)

式中：q2為單位面積水平夾層空氣的散熱量(W/m2·K).

2.3 房間空氣傳熱的數(shù)學(xué)描述

房間空氣的熱平衡方程為：

kwi(Tw-Ti)Aw+kfli(Tfl-Ti)Afl+Qsource=Qloss

(6)

式中：Aw為集熱墻面積(m2)；Afl為地板面積(m2)；Qsource為室內(nèi)人體、設(shè)備、照明等熱源的對流散熱量(W/m2)；Qloss為房間空氣的失熱量，包括空氣向圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱量、冷風(fēng)滲透和門窗開啟的失熱量.

2.4 空氣夾層中總熱平衡方程

MCp(Ta-Tout)=q1Aw-q2Afl

(7)

式中：M為空氣夾層中空氣質(zhì)量流量(kg/s)；Cp為空氣定壓比熱(J/kg·K).

式(1)～(7)構(gòu)成了特朗伯墻式空腔建筑體系傳熱完整的數(shù)學(xué)模型，其中包含了連通型和分隔型兩種情況，各個換熱系數(shù)均可通過各自的準(zhǔn)則方程求出，方程組中有Tg、Ta、Tw、Tfl、Ti、q1和q2共7個未知數(shù)，與方程個數(shù)對應(yīng)，理論上可求出唯一解，可通過解析法或計算機(jī)方法對其進(jìn)行求解.

3 特朗伯墻式空腔建筑體系數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬模型及模擬結(jié)果

針對我國長江中下游冬冷夏熱地區(qū)，選取南京地區(qū)冬季典型工況下的氣象參數(shù)，考慮太陽輻射因素，對兩種特朗伯墻式空腔建筑進(jìn)行了數(shù)值模擬[13-14]，建筑型式見圖3和圖4，建筑各層層高均為2.8 m，各層建筑單元面積均為3 m×4 m，墻體、樓板和屋頂厚度均為24 cm，水平和豎直空氣夾層的厚度均為10 cm，特朗伯墻表面涂層的太陽輻射全波長吸收率為0.92，墻體敷設(shè)保溫層，傳熱系數(shù)為1.08 W/m2·K，玻璃幕墻的太陽輻射全波長穿透率為0.80，其他內(nèi)墻傳熱系數(shù)為2.40 W/m2·K.由于該數(shù)值模擬主要用于兩種情況的對比分析，所以模型中主要考慮各種空腔結(jié)構(gòu)，而在建筑設(shè)計、室內(nèi)布置、熱源設(shè)置等其他方面盡量予以簡化.

采用Fluent 6.0軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬中空氣流動計算采用k-ε雙方程湍流模型，假定室內(nèi)氣流為常物性不可壓縮牛頓流體，Boussinesq假設(shè)成立，在空氣夾層中采用網(wǎng)格局部加密.

建筑縱剖面溫度云圖分別見圖5和圖6，氣流分布圖分別見圖7和圖8.

圖5 連通型特朗伯墻式空腔建筑溫度云圖Fig.5 Temparature nephogram of cavity construction system with connected trombe walls

3.2 結(jié)果分析

從圖5和圖6可以看出，受到太陽輻射和特朗伯墻墻體蓄熱的影響，無論是連通型還是分隔型，特朗伯墻豎直夾層內(nèi)的空氣溫度均明顯高于其他空心墻體內(nèi)的空氣溫度，在空心樓板水平夾層內(nèi)，空氣溫度由外向內(nèi)均是逐漸降低，而在相同水平長度內(nèi)，連通型特朗伯墻式空腔建筑中的溫度衰減量更大.

圖6 分隔型特朗伯墻式空腔建筑溫度云圖Fig.6 Temparature nephogram of cavity construction system with disconnected trombe walls

從這兩張云圖中還可看出，分隔型特朗伯墻式空腔建筑中的空氣平均溫度高于連通型特朗伯墻式空腔建筑中的空氣平均溫度，根據(jù)軟件統(tǒng)計數(shù)據(jù)，前者的室內(nèi)空氣平均溫度為11.6 ℃，而后者的室內(nèi)空氣平均溫度為12.9 ℃.這說明在冬季太陽輻射的情況下，分隔型特朗伯墻式空腔建筑的加熱效果較好.

圖7 連通型特朗伯墻式空腔建筑氣流分布圖Fig.7 Air current diagram of cavity construction system with connectedtrombe walls

從圖7和圖8可以看出，在太陽輻射和自然對流的作用下，無論是連通型還是分隔型，特朗伯墻水平夾層內(nèi)的空氣均向上浮升，上升到該樓層頂部后，繼續(xù)沿著空心樓板內(nèi)的水平夾層由外向內(nèi)流動，這種熱氣流將會對上方的地板進(jìn)行加熱，以類似于地板輻射采暖的方式，在各層房間內(nèi)形成一個比較良好的氣流組織形式，并對整個上層房間進(jìn)行熱量的供應(yīng).

圖8 分隔型特朗伯墻式空腔建筑氣流分布圖Fig.8 Air current diagram of cavity construction system with disconnectedtrombe walls

從這兩張氣流分布圖上還可以看出，對于連通型特朗伯墻式空腔建筑，以建筑中和面為界限，水平空氣夾層內(nèi)氣流分布分為兩個反向流動的區(qū)域.而對于分隔型特朗伯墻式空腔建筑，各層氣流分布較為均勻，并未存在反向流動區(qū)，因而水平空氣夾層中熱空氣對上層房間的加熱作用具有較強(qiáng)的一致性.這是因為在連通型特朗伯墻式空腔建筑豎向狹長的空氣通道中，上升熱氣流產(chǎn)生相互干擾，對熱氣流向水平夾層中的流動形成阻礙.

從以上分析可以看出，分隔型特朗伯墻式空腔建筑對于各層房間的加熱效果更好，氣流也更均勻，因而具有相對更良好的推廣價值.尤其對于樓層較高的建筑，由于連通型特朗伯墻式空腔建筑垂直夾層內(nèi)熱氣流的相互干擾作用更強(qiáng)，所以分隔型特朗伯墻式空腔建筑應(yīng)具有更好的適用性.

4 結(jié)論

(1)提出特朗伯墻式空腔建筑體系，采用太陽能蓄熱墻加熱空氣，通過空心樓板向上層房間進(jìn)行供熱.

(2)建立了特朗伯墻式空腔建筑體系傳熱的數(shù)學(xué)模型.

(3)數(shù)值模擬結(jié)果表明，豎直和水平空氣夾層內(nèi)熱氣流分布情況對房間的加熱效果和室內(nèi)的溫度分布起到至關(guān)重要的影響.

(4)分隔型特朗伯墻式空腔建筑體系較之連通型特朗伯墻式空腔建筑體系，加熱效果更好，氣流組織更合理，對于本模型，室內(nèi)平均溫度提升約1.3 ℃，尤其對樓層較高的建筑，分隔型特朗伯墻式空腔建筑體系具有更好的適用性.