建筑外表面对流换热系数对自保温墙体净得热量的影响

发布时间：2020-08-17 19:37

【摘要】：随着中国经济的发展、城镇化进程的加速以及人民生活水平的不断提高,建筑能源的需求量也越来越大,尤其是采暖和空调,预计建筑能耗占社会总能耗的比例将增长到30%,建筑能源的使用情况备受社会的广泛关注。减小夏季通过墙体传入室内的太阳辐射量对于建筑节能具有重要意义,在已有研究中,主要集中在改善围护结构自身热性能以达到减少围护结构吸收太阳能的目的,如新型墙体结构材料的研发和改进,围护结构外饰面材料等。实际中,辐照到建筑围护结构外表面的太阳能传入墙体内部的热量,不仅受上述墙体本身性能的影响,还受到表面对流换热系数的显著影响,而对流换热系数因建筑群布局和背景风场的不同可能在较大范围内变化,为此,本文以上海地区典型夏季气候条件为背景,研究建筑外表面对流换热系数对南墙吸收太阳辐射的影响,以便为建筑布局在建筑节能中可能发挥的作用提供理论依据。本文以自保温外墙的普通居住建筑中间层中间位置房间为研究对象,采用计算流体动力学(CFD)数值模拟的方法对围护结构传热过程进行动态模拟,分析在不同的天气条件(晴天、少云、多云、阴天),实际传入南墙内部的太阳能受外表面换热系数的影响效果。研究结果表明,在太阳辐射作用下,建筑外表面对流换热系数对围护结构吸收太阳辐射热量的影响很大。由于墙体只在白天吸收太阳辐射,而对流换热全天都在进行,故墙体的得热量受对流换热系数的影响特征在昼夜呈现出了不同的规律。墙体外表面与空气的对流换热系数增大时,能够大幅减少夏季由于太阳辐射而增加的墙体净得热量。结果表明,当在同一太阳辐射强度状态下,外表面对流换热系数为19 W/(m~2·K)时的南墙净得热量比8.5 W/(m~2·K)(对应静风条件或建筑群气流不畅的情况)时的净得热量约少40%,这意味着,在夏季,即使是在太阳辐射强度小的阴天,如果建筑群气流不畅,将导致围护结构与周围空气的对流换热量少,仍可能使墙体实际吸收的太阳辐射热量大于晴天情况下的得热量,这些热量积聚在墙体中,将引起围护结构冷负荷增加。能够在夏季形成建筑群内部良好通风环境的建筑布局形式,可以大幅度减小墙体对太阳辐射的实际吸收量,从而实现建筑节能。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU111
【图文】：

太阳辐射能是地球上热量的基本来源，建筑物外部主要的气候条件之一，也是影响建筑能耗的重要因素。建筑外围护结构接收到的辐射主要为直射辐射和散射辐射，如图1-5所示。“太阳直射辐射”是指透过大气层直接达到地面的太阳辐射，方向未被改变，相应的，“太阳散射辐射”是指太阳辐射在透过大气层中，被大气中的气体分子、固液态颗粒反射，无特定方向的辐射。在我国，北方和西北地区主要以太阳直射辐射为主，而在南方地区，天空散射辐射所占的比重相对较大[23]。影响太阳辐射的因素很多，其中主要包括太阳的高度角、大气透明度、地理纬度、天空云量和海拔高度等因素，它随地理位置、气候、季节，甚至同一天内的不同时间而发生变化。根据气象学定义[24]，根据云量对不同天气进行如下定义：云量在 0%-10%为晴天；10%-30%为少云；30%-70%为多云；大于 70%为阴天。《民用建筑热工设计标准》[20]指出

系数对自保温南外墙吸收太阳辐射情况的影响作用，本文拟采用 CFD 数值模拟的方法，根据上海地区的典型室外气象数据资料，对建筑物南向房间的内外围护结构进行连续数天的动态传热数值模拟，具体研究路线如图1-6所示。为简化计算的工作量，对模型做如下假设：(1) 假设同一天气条件下每日的气温和太阳辐射变化规律相同；(2) 夏季室内温度设为 26℃。

房间尺寸为 4m×3.6 m×2.8 m (进深×宽×高)，窗墙比为 40%。建筑模型以及墙体结构如图2-2 所示。(a) 墙体模型 (b) 计算对象 (c) 墙体结构图 2-2 建筑模型和墙体结构图 2-2 (a)为建筑模型的中间两层，图 2-2 (b)为本文的计算对象，其在整个建筑中的横截面为图 2-2 (a)中深灰色部分。建筑外墙采用自保温墙，构造如图2-2 (c)所示，楼板为钢筋混凝土结构。材料的厚度和参数见表 2-1。表 2-1 围护结构的物性参数建筑结构材料名称厚度 /mm密度 /(kg·m-3)热容 cp/(J·kg-1·K-1)导热系数 /(W·m-1·K-1)结构层细石空心混凝土砌块240 1000 1170 0.296抹灰层 砂浆 20 1800 1050 0.930楼板 钢筋混凝土 100 2500 920 1.740内墙 钢筋混凝土 100 2500 920 1.7402.4.2 边界条件采用 Gambit 2.4.6 软件生成数值计算区域所需的网格，以 ANSYS16.0 作为本文数值模拟的基本程序。离散控制方程为有限容积法，对离散方程的差分为Second Order Upwind 格式。采用非稳态计算方法，时间步长为 10 s

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本文编号：2795750