主動通風式高效保溫隔熱外墻的傳熱模擬研究

劉 琳 ，余 莊，張 輝 ，王 薇

（1.華中科技大學建筑與城市規劃學院，湖北 武漢 430074；2. 安徽建筑大學建筑與規劃學院，安徽 合肥 230022）

高效保溫隔熱外墻系統是當前一項運用廣泛的建筑節能技術，它是一種采用了外墻外保溫并利用了飾面干掛技術的復合墻體．其主體墻體覆蓋外保溫層后，面層采用干掛飾面磚，保溫層與飾面層間留有一定間隙，在自然通風作用下可有效形成流動空氣層，構成通風外墻．該技術使墻體的隔熱保溫性能得到明顯提升，利于降低建筑空調負荷[1-2]．

國外研究人員對帶空氣間層的通風外墻已進行了一系列研究：Carla利用數值模擬方法研究了自然通風作用下的通風外墻，分析了室外空氣綜合溫度、墻體高度及空氣間層厚度對墻體通風量和傳熱量的影響[3]．Patania對三種不同材料外飾面板的通風外墻做了數值模擬與比較研究，提出了墻體節能率指標并以此分析了太陽輻射、室外氣溫及間層進風口風速對墻體節能效果的影響[4]．Alvaro對通風外墻及雙層通風幕墻的傳熱模擬研究進行了綜述，對各研究中所應用的不同數值模擬方法進行了歸納總結[5]．還有諸多文章通過模擬或實驗的方法對通風墻體的熱性能展開了研究[6-8]．以上研究多是針對自然通風模式下的通風外墻展開，即便是研究主動送風模式下的通風外墻，其通風形式也是將室外空氣送入墻體間層．而本文所研究的高效保溫隔熱外墻是對室內排風進行再利用，通過主動方式將其送入空氣間層提高墻體性能．由于室內排風與室外空氣間存在明顯溫差，此種應用形式對通風外墻傳熱性能的改善效果尚有待研究．

本文對夏季工況下該通風墻體的傳熱過程進行了數值模擬，計算了不同工況下墻體傳熱量及熱阻值．同時分析了不同空氣間層通風量與外墻面溫度對墻體隔熱性能的影響．本文的模擬研究過程對帶空氣間層的圍護結構如：含通風流道的光伏組件、應用相變材料的通風墻體、通風狀態下的特隆布墻等具有一定適用性與參考性．

1 主動通風式高效保溫隔熱外墻的傳熱分析

圖1 通風外墻傳熱分析Fig. 1 Heat transfer of ventilated facades

圖2 主動通風式高效保溫隔熱外墻示意圖Fig. 2 Scheme of the forced ventilated thermal insulating wall

本文研究的主動通風式高效保溫隔熱外墻為夏熱冬冷地區武漢市某可再生能源建筑應用示范項目的外墻系統．該通風墻體可根據季節變化，改變空氣間層通風方式，并在主動送風模式下還可控制風機調節空氣間層通風量．在冬夏空調季，建筑利用機械送風將室內排風送入空氣間層；在過渡季利用屋頂無動力風機，抽取室內空氣進入墻體間層．該通風墻體主要由三部分組成: 泡沫混凝土內墻、中間空氣間層及聚氨酯保溫外墻，如圖2所示．

通風外墻的傳熱過程主要由以下四部分組成：墻體內外表面與室內外環境間的對流輻射換熱、內外層墻體的內部導熱、空氣間層兩側墻體壁面間的輻射換熱以及空氣間層與兩側壁面的對流換熱，傳熱過程如圖1所示．

本文研究的是墻體經一定時間段，通風傳熱狀態穩定后的傳熱過程．結合通風外墻運行的實測數據，對不同間層通風量及室外墻面溫度下的墻體傳熱展開研究．故在 CFD數值計算模型中以內外墻面溫度作其邊界條件，則在本文模擬計算的墻體傳熱過程，不包含上述室內外墻面與室內外環境間的對流輻射換熱．采用溫度作為模型內外墻面的邊界條件使模擬計算更符合建筑實際運行狀況，避免了對室內外墻面對流換熱系數取經驗值帶來的誤差．因而本文計算研究的墻體熱阻為室內外墻面溫差作用下的熱阻，不包含室內外墻面與室內外環境間的換熱熱阻．對所研究的主動通風式高效保溫隔熱外墻，由于流動空氣層的通風作用及墻體自身材料的高隔熱性能，室內外墻面與環境間的換熱熱阻占墻體自身熱阻比例極低．結合規范推薦的室內外墻面對流換熱系數8.7 W/(m2K)、22.1 W/( m2K)[9]，室內外墻面與環境間的對流換熱熱阻僅為墻體自身熱阻的1.122%（針對表4工況1墻體熱阻最小時計算得到）．故忽略室內外墻面的換熱熱阻來計算分析該通風墻體的熱阻是合理有效的．

2 CFD計算模型及計算工況

2.1 通風外墻的CFD計算模型

如上文所述研究對象為一定時間段內通風傳熱穩定后的動態通墻傳熱過程，做以下兩點基本假設：1，認為所研究問題為穩態傳熱問題；2，空氣間層內空氣為不可壓縮牛頓流體．

模型采用正交六面體網格，由于空氣間層厚度僅60 mm，為了更準確地模擬空氣間層內的流場及溫度場，湍流模型采用對黏性底層可求解的低eR數法εκ-模型[10]．模型網格在各壁面黏性底層及空氣間層進出風口處加密．該計算模型在求解過程中耦合了導熱、對流與輻射換熱．輻射計算采用DO模型，在計算中將固體表面作為漫灰表面，進出風口作為黑體．在邊界條件的指定中：進風口采用velocity inlet；出風口采用outflow；室內外墻面給定溫度值作為其邊界條件；空氣間層兩側壁面為耦合壁面；其余壁面均簡化為絕熱壁面．經過600多次迭代后，各變量殘差達到收斂控制條件．

2.2 通風外墻的物理模型及計算工況

示范建筑所應用的通風墻基本單元如圖2所示，模型考慮了窗戶對氣流的影響．室內排風從窗戶下側進風口送入，通過上側出風口流出．墻體各層材料的熱物性參數如下表1所示．

根據示范建筑的實測數據：在2013年夏季6-8月室內空氣調節系統開啟期間，通風外墻的室內墻面溫度能保持在31℃；8:00-18:00時間段的室外南墻溫度平均值在 35-45℃之間變化，溫度峰值出現在56.9℃．示范建筑通風外墻按空氣間層通風量高低分兩檔運行模式，其空氣間層平均風速分別為0.5m/s和1m/s．為研究不同通風量和不同外墻面溫度對墻體傳熱性能的影響，選定五組不同通風量與外墻溫度值進行模擬計算，具體計算工況見表2．而通風外墻的室外壁面溫度保持為31℃．

表1 墻體各層材料熱物性參數Tab. 1 Thermo-physical characteristics of the ventilated facade

表2 模擬計算工況Tab. 2 Cases of calculations

3 模型的實驗驗證

本文研究的通風外墻是某可再生能源建筑應用示范項目的外墻系統，該建筑在 2009年完成并投入使用．2010年暑期對通風外墻的運行情況進行了大量實測．實測用到的主要設備是精度為 0.3%的康銅熱電偶6根以及一臺總線式無紙記錄儀．對建筑中的一扇通風墻體的點1-3及6-8位置鉆孔后（如下圖5所示），放入熱電偶進行溫度測量并每隔五分鐘存入記錄儀中．

為驗證本文所建CFD模型的準確性，現選取8月14日中午14:00時的通風外墻實測數據如表3，對模擬進行比較驗證．在 CFD模型中將實測的墻體室內外壁面溫度作其邊界條件，間層進風口溫度設為室內空氣溫度，進風風速按送風設備通風量設定．比較實測與模擬數據，通風墻體6個鉆孔點內的溫度對比如圖3．從圖中可以看出，各測點的模擬與實測溫度變化趨勢相近，溫度值有一定偏差，最大為 1.36℃．引起偏差的一個重要影響因素是：由于實測時進風口溫度無法直接測量，模擬中直接將室內溫度作為墻體空氣間層的進風溫度，忽視了從室內排風經過送風管送達墻體進風口的沿程溫度升高．考慮到墻體進風口風速溫度無法直接測量對模型邊界條件準確性造成的影響，得到的對比驗證中各點溫度相近、變化趨勢一致已經能說明文中CFD模擬的有效性．

表3 通風外墻實測數據Tab. 3 Experimental data on the ventilated facade

圖3 模擬與實測驗證對比Fig. 3. Comparison of the validation of the CFD model

4 模擬計算結果與討論

4.1 空氣間層的風速分布

如圖2該通風外墻進風口為一直徑0.1 m的風管，位于窗戶一側下方；出風口位于墻體頂端與空氣間層截面一致．空氣從進風口送入繞窗分左右兩側流過，最后從上側出風口排走．由于該通風墻體采用主動送風，外墻面溫度對間層的流速分布基本無影響，圖4為工況四的空氣間層流速分布．

通風墻體的進風口流速很大，空氣送入間層后流向改變，風速顯著減小．在空氣間層中心剖面上取點1-8（如圖5所示）分析墻體空氣間層不同區域的風速變化特征如圖6所示．流速分布整體呈現出沿氣流流向逐漸將低的特征，且在流向改變區域風速衰減明顯，如點6所示．而窗上方區域距進風口最遠且受遮擋，各工況下此處氣流速度均明顯低于其它區域．可見對于帶窗的通風墻體，空氣間層的流速存在顯著不均勻性．各區域流速差異明顯．間層通風量越大流速分布越不均勻，這也必將影響空氣間層的對流換熱效果．

圖4 工況4空氣間層中心剖面風速分布圖Fig. 4 Velocity distribution of the vertical center section in the air gap (Case 4)

圖5 空氣間層中心剖面數據采集示意圖Fig. 5 Scheme of the points for data acquisition

圖6 工況1-5各點流速對比圖Fig. 6 Comparison between the velocity at the points for five cases

圖7 工況4空氣間層中心剖面溫度分布圖Fig. 7 Temperature distribution of the vertical center section in the air gap (Case 4)

4.2 空氣間層的溫度分布

室內排風送入墻體間層后，隨著其與兩側壁面間對流換熱的發生，氣流溫度沿流向逐漸升高，圖7為工況4的空氣間層中心剖面溫度分布．圖8為工況4通風外墻截面溫度分布．如圖所示，墻體空氣間層斷開了內外層墻體的導熱．流動空氣層能有效帶走室外傳入的熱量，顯著降低空氣層兩側壁面的溫度．而內層墻體空氣層壁面溫度的降低，對于減小室內墻面輻射溫度，改善室內舒適度意義重大．分析各工況模擬結果，內層墻體空氣層壁面溫度均與流動空氣層溫度相近，且其值隨間層流速的增大而減小．間層平均風速從0.25 m/s升高至1.25 m/s時，內層墻體空氣側壁面溫度依次降低了0.579℃、0.211℃、0.118℃、0.062℃．而隨各工況外墻面溫度的降低，內層墻體空氣側壁面溫度呈線性下降，數值約0.12℃．

空氣間層的氣流溫度沿其流向逐漸升高，圖9為窗戶兩側氣流沿高度方向上的溫度變化，可見各工況下氣流溫度沿流向的變化率差異明顯．同時同一工況的窗戶兩側氣流溫度變化趨勢基本一致，只是左側氣流由于進出口間路徑較短溫度更低．提高空氣間層通風量能有效減小間層氣流沿流向的溫度上升，從而提高墻體的隔熱性能．對工況 1-5，窗戶兩側氣流溫升均值依次為1.487℃、0.832℃、0.584℃、0.415℃、0.316℃．而對不同外墻面溫度工況，氣流沿流向的溫度上升隨外墻面溫度升高而增大．外墻面溫度從35升至55℃時，溫度升高依次為 0.120℃、0.225℃、0.412℃、0.470℃、0.642℃．外墻面溫度變化對間層氣流的溫度影響明顯不及通風量的改變顯著．

圖8 工況4空氣間層截面溫度分布圖Fig. 8 Temperature distribution of the transverse section in the air gap (Case 4)

圖9 不同通風量工況氣流沿高度的溫度分布圖Fig. 9. Profiles of air temperature at different height

4.3 通風外墻的隔熱性能分析

通風外墻熱工計算結果見表3，其中通風墻熱阻由換入室內的熱量與室內外墻面溫差決定，空氣間層帶走熱量百分比為內外層墻體傳熱量之差占外層墻體傳熱量的比例．表4結果說明：通風空氣間層能非常有效地阻擋熱量從外層墻體傳入內層墻體，各工況下流動空氣層帶走了90.48%～97.94%的外部熱量，使墻體具有很高的隔熱性能．

4.3.1 空氣間層通風量的影響

墻體通風量增大加強了空氣間層的對流換熱，流動空氣層帶走更多熱量，墻體熱阻隨之增大如表3．為分析間層空氣流動狀態對通風墻熱阻的影響，以便預測不同通風狀態下的墻體隔熱性能．對墻體熱阻R與空氣間層平均風速V進行回歸分析，擬合得到二者之間有很好的線性關系如圖10，可得墻體熱阻回歸方程如下：

圖11為不同通風量工況及不同外墻面溫度工況下的墻體傳入室內的熱量對比圖．墻體傳熱量隨空氣間層平均風速的增加而減小，并且減小幅度漸趨平緩．平均風速從0.25 m/s升高到0.5 m/s時，墻體傳熱量減小了45%．而平均風速由1 m/s升至1.25 m/s時，傳熱量僅減小了0.046 W/m2，改善作用很小．墻體間層風速過小，不能充分發揮其隔熱性能．對本文所研究的主動通風式高效保溫隔熱外墻，應保持其間層平均風速在0.5 m/s以上．

表4 主動通風式高效保溫隔熱外墻熱工計算結果Tab. 4 Results of the thermal calculation

4.3.2 外墻面溫度的影響

由表4結果可知，在外墻面溫度為40℃-55℃時，通風外墻熱阻在50.562-50.955 (m2K)/W之間，變化率不到1%．而在外墻面溫度為35℃時，通風外墻熱阻為43.956 (m2K)/W，相比其他外墻面溫度工況低約13%．因為此時室外墻面與空氣間層溫差過小僅4℃，導致墻體熱阻的計算在該溫差下準確度不如其他工況．同時圖11也反應墻體傳熱量隨外墻面溫度升高而線性增長．總體而言，外墻面溫度變化對墻體熱阻值影響很小，通風外墻有著穩定的隔熱性能．

圖10 墻體熱阻與空氣間層平均風速擬合圖Fig. 10 The ventilated thermal resistance as a function of the average air velocity

圖11 不同通風量及外墻面溫度下墻體傳熱量對比圖Fig. 11 Comparison of the heat transfer rate under different flow rate of the air gap and different external wall temperature

5 結論

(1)夏季工況下，主動通風式高效保溫隔熱外墻有著很好的隔熱性能．墻體利用室內排風形成流動空氣間層，能有效帶走 90%以上的室外傳入熱量，使通過內層墻體的熱量顯著降低．

(2)通風外墻利用流動空氣層斷開了內外層墻體的導熱，顯著降低了內層墻體溫度．而室內墻面溫度的降低，利于提高室內舒適度．

(3)通風外墻熱阻隨空氣間層通風量的增加而增大．擬合得到了熱阻值與間層平均風速間的線性回歸方程，可用于預測不同通風狀態下的墻體熱阻．對本文所研究的通風外墻，運行時應將間層平均風速控制在0.5 m/s以上，能較好地發揮流動空氣間層作用，提高墻體隔熱性能．

(4)通風外墻隔熱性能對外墻面溫度變化不敏感，外墻面溫度在40～55℃之間時，墻體熱阻值基本保持不變．應用本文方法得到墻體熱阻來估算墻體負荷是可行有效的，但若要精確計算實時負荷，還需考慮外墻面溫度隨時間變化對墻體傳熱過程的影響．

References

[1] 楊玉蘋,謝婧,崔廣為,等. 干掛飾面磚幕墻聚苯復合外墻外保溫施工技術[J].建筑技術,2006, 37(2):114-115.YANG Yuping, XIE Jing, CUI Guangwei, et al. Exterior insulation construction technology for dry-stuck face brick curtain wall with composite polyphenyl sheets[J].Architecture technology, 2006, 37(2):114-115.

[2] 施工技術,”揭秘綠色建筑領域18項高科技”,http://www.igreen.org/2014/0827/4925.html(2014/8/27）.Construction technology,”18 sets of high technique in the fields of green building”

[3] BALOCCO C. A simple model to study ventilated facades energy performance [J].Energy and Buildings,2002,34 (5): 469-475.

[4] PATANIA F, GAGLIANO A, NOCERA F, et al.Thermofluid-dynamic analysis of ventilated facades[J].Energy and Buildings,2010,42(7):1148-1155.

[5] DE GRACIA A, CASTELL A, NAVARRO L, et al.Numerical modelling of ventilated facades: A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013,22(C): 539-549.

[6] RAYMOND J, BILGEN E. On the thermal and ventilation performance of composite walls [J].Energy and buildings,2007,39(9):1041-1046.

[7] DE GRACIA A, NAVARRO L, CASTELL A, et al.Thermal analysis of a ventilated facade with PCM for cooling applications[J].Energy and Buildings, 2013,65(7): 508-515.

[8] SEFERIS P, STRACHAN P, DIMOUDI A, et al.Investigation of the performance of a ventilated wall[J].Energy and Buildings, 2011,43(9):2167-2178.

[9] 路延魁.空氣調節設計手冊[M].北京: 中國建筑工業出版社,1995: 53-54.LU Yankui. Design manual of air-conditioning [M].Beijing: China building industry press,1995: 53-54.

[10] ABE K, KONDOH T, NAGANO Y. A new turbulence model for predicting fluid flow and heat transfer in separating and reattaching flows-I. Flow field calculations[J]. International journal of heat and mass transfer, 1994, 37(1): 139-151.