某典型無隔熱層住宅屋面熱工性能測試分析

崔江玲　楊晚生

(1．山西汾西礦業(yè)集團(tuán)公司基建處，山西介休　032000;　2．廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州　510000)

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某典型無隔熱層住宅屋面熱工性能測試分析

崔江玲1楊晚生2

(1．山西汾西礦業(yè)集團(tuán)公司基建處，山西介休032000;2．廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州510000)

摘要:在試驗(yàn)測試的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)熱工理論，對某典型無隔熱層屋面的熱工性能參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析，獲得了該典型無隔熱層住宅屋面的熱工性能參數(shù)，為正確評價該典型無隔熱層住宅屋面的熱傳熱特性和節(jié)能改造提供了計(jì)算依據(jù)。

關(guān)鍵詞:住宅，無隔熱層，屋面，熱工性能

1　基本情況

建筑屋面是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要隔熱部位，也是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的重點(diǎn)控制環(huán)節(jié)。我國修建于20世紀(jì)80年代的大部分住宅由于建筑隔熱材料發(fā)展的局限性大部分均未設(shè)置隔熱層，其屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定值［1］。本文選取該類典型住宅的屋面結(jié)合試驗(yàn)測試對其熱工性能進(jìn)行分析，目的在于獲得其熱工性能參數(shù)，為評價和改造此類建筑屋面提供基本依據(jù)。

測試建筑為80年代建造的一座租用住宅，共3層，外墻體為粘土實(shí)心磚，外表面貼白色瓷磚，內(nèi)墻砂漿加904，建筑層高3．0 m;窗戶為綠色普通玻璃，鋁合金窗框。其屋面構(gòu)造見圖1，屋面各構(gòu)造層材料的熱工性能參數(shù)見表1。

圖1　測試屋面構(gòu)造圖

表1　測試屋面各材料熱工性能參數(shù)

2　屋面熱工參數(shù)計(jì)算分析

2．1屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和熱阻計(jì)算分析

屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的評價特性參數(shù)，其值為通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流密度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的空氣溫差的比值。在選取計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)時，一般以圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外表面溫度為基礎(chǔ)，在求得圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)體熱阻后，再加上規(guī)范規(guī)定的內(nèi)、外表面換熱熱阻即可得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總熱阻和傳熱系數(shù)。屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算公式如下［2］:

式中:Rin，Re——內(nèi)、外表面的換熱熱阻，(m2·K)/W;

Ri——第i層圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱熱阻，

δi——圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層厚度，m;

λi——圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

根據(jù)建筑熱工設(shè)計(jì)手冊［2］得圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層材料熱工性能參數(shù)，即可依靠上述公式計(jì)算出該屋面的傳熱系數(shù)和熱阻(如表2所示)。

2．2內(nèi)、外表面蓄熱系數(shù)的計(jì)算分析

蓄熱系數(shù)是指表面上的熱流波幅與表面溫度波幅之比，它表示材料蓄熱能力的大小，用S表示，單位為W/(m2·K)。蓄熱系數(shù)越大，則材料的熱穩(wěn)定性就好，材料表面的溫度波幅就小;蓄熱系數(shù)越小，則材料的熱穩(wěn)定性差，材料表面的溫度波幅大。根據(jù)文獻(xiàn)［3］材料蓄熱系數(shù)的定義式為:

式中:λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);

c——材料的比熱，J/(kg·K);

ρ——材料的密度，kg/m3。

對于建筑因氣候的日周期T=24×3 600 s，所以建筑熱工計(jì)算中常用的蓄熱系數(shù)表示為式(3)(一般空氣間層的蓄熱系數(shù)可以看作為0)。

式(3)中各符號含義見式(2)。屋面各層材料的熱阻及熱惰性指標(biāo)計(jì)算見表2。

表2　測試屋面各材料熱阻及熱惰性指標(biāo)

2．3屋面衰減倍數(shù)和延遲時間的計(jì)算分析

室外空氣溫度波傳到圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面，要經(jīng)歷外表面空氣邊界層和各層材料層(包括空氣間層)的振幅衰減和時間延遲過程。其屋面多層結(jié)構(gòu)的衰減倍數(shù)vo根據(jù)文獻(xiàn)［4］可由式(4)進(jìn)行計(jì)算:

式中:vo——衰減倍數(shù);

D——熱惰性指標(biāo);

Si——各材料蓄熱系數(shù);

Yi，e——各材料外表面蓄熱系數(shù);

αi，αe——屋面內(nèi)外對流換熱系數(shù)。

屋面延遲時間ξ0可由式(5)進(jìn)行計(jì)算［4］:

式(5)中各符號含義見式(4)。

2．4室外綜合溫度的計(jì)算分析

取室外空氣對流換熱系數(shù)αe=19．0 W/(m2·K)屋頂表面為舊的水泥黑色屋面，根據(jù)文獻(xiàn)［5］對太陽輻射的熱吸收率αs= 0．74，測試期間太陽輻射強(qiáng)度平均值，測試期間太陽輻射強(qiáng)度最大值Imax=730．0 W/m2，最大值出現(xiàn)時刻為11:30，室外空氣溫度平均值珋t=33．8℃，室外空氣溫度最大值tmax= 38．4℃，出現(xiàn)時刻為14:00，則室外平均綜合溫度可由式(6)進(jìn)行計(jì)算:

當(dāng)量溫度波幅可由式(7)進(jìn)行計(jì)算:

綜合溫度最大值出現(xiàn)的時間為:

2．5屋面內(nèi)表面最高溫度θi，max的計(jì)算

處于自然通風(fēng)狀態(tài)下的屋面，承受室外綜合溫度和室內(nèi)氣溫的雙向諧波作用，其溫度由兩個諧波分別作用疊加而成，即:

Aif——內(nèi)表面溫度振幅，℃;

Aif，e——室外諧波引起的內(nèi)表面溫度振幅，℃;

Aif，i——室內(nèi)諧波引起的內(nèi)表面溫度振幅，℃;

β——時差修正系數(shù)。

3　測試結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)測試結(jié)果，該住宅在典型夏季(7月～8月)氣候條件下室內(nèi)外氣象測試結(jié)果見表3和表4。

表3　住宅室外熱環(huán)境參數(shù)測試結(jié)果(7月～8月)

表4　住宅室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)測試結(jié)果(7月～8月)

通過上述試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)并結(jié)合上述熱工計(jì)算理論，獲得該住宅屋面各熱工參數(shù)測試結(jié)果，見表5。

表5　屋面各熱工性能參數(shù)值

通過以上計(jì)算和測試結(jié)果分析，可以得出以下一些結(jié)論:

1)該典型屋面的傳熱系數(shù)為現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的3．25倍，建筑屋面的傳熱系數(shù)偏大，不符合節(jié)能建筑的要求，隔熱效果非常不好。

2)屋面內(nèi)表面最高溫度比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定允許室外最高溫度te，max= 35．2℃高約20%，不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

3)本屋面熱惰性指標(biāo)D=1．73＜2．5，反映出該屋頂?shù)挚箿囟炔▌拥哪芰^小。

4)室外綜合溫度最大值出現(xiàn)的時間為14．4，而屋頂內(nèi)表面溫度最大值出現(xiàn)的時間為18．9，后者較前者延遲約4．5 h。

5)室外平均綜合溫度較屋頂內(nèi)表面平均溫度波幅衰減約28．9℃，反映出該屋面對溫度波具有一定的衰減特性，但不能滿足節(jié)能要求。

參考文獻(xiàn):

［1］ 楊晚生，韓海濤，辛云嶺，等．綠色建筑應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011．

［2］ 楊善勤．民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)手冊［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997．

［3］ 章熙民．傳熱學(xué)［M］．第5版．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［4］ 孟慶林．建筑物理［M］．廣州:華南理工大學(xué)出版社，2003．

［5］ 柳孝圖．建筑物理［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1990．

中圖分類號:TU201．5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1009-6825(2016)17-0198-03

收稿日期:2016-04-08

作者簡介:崔江玲(1973-)，女，工程師

The test and analysis on thermal performance of a typical non thermal insulation residential roofing

Cui Jiangling1Yang Wansheng2
(1．Infrastructure Department，Shanxi Fenxi Mining Group Company，Jiexiu 032000，China; 2．Guangdong University of Technology，Guangzhou 510000，China)

Abstract:Based on experimental test，combining with relevant thermodynamic theory，this paper calculated and analyzed the thermal performance parameters of a typical non thermal insulation roofing，obtained the thermal performance of a typical non thermal insulation residential roofing，provided theoretical basis for the heat transfer performance and energy saving transformation of this typical non thermal insulation roofing．

Key words:residential，non thermal insulation，roofing，thermal performance