溫度補償墻體的初步研究

董昭祿　張葉　王偉　馬貝貝

【摘 要】我國建筑普遍存在能耗大、效率低、圍護結構的保溫隔熱性能差等問題，而圍護結構能耗是建筑能耗中占比最大的部分。建筑圍護結構是室內環境與室外環境的聯系紐帶，是建筑物內、外環境進行熱量交換的主要通道，所以減少墻體能耗是減少建筑能耗的主要方法之一。但是傳統墻體傳熱系數固定不變，不利于晝夜溫差大的嚴寒地區及時利用空氣的溫度進行散熱和得熱。本文提出了溫度補償墻體墻體，在建筑內、外環境傳熱驅動溫差發生變化時，墻體可以及時的增加“有益”傳熱，減少“有害”傳熱，以達到有效的降低建筑物能耗的目的，并應用CFD軟件包Fluent通過對溫度補償墻體系統進行了簡化，研究了溫度補償墻體在不同雙金屬片曲率，不同變熱阻層厚度及不同雙金屬片間距時熱工特性，為后續的實驗研究奠定了基礎。

【關鍵詞】溫度補償墻體；建筑節能；傳熱系數

A Preliminary Study on Temperature Compensated Wall

（Civil Engineering Department， Xinjiang University，Urumqi Xinjiang，830047，China）

【Abstract】Large energy consumption， low efficiency and the poor insulation structure and the huge envelope energy consumption are the most important existing issues. Building envelope is the link between the indoor environment and the outdoor environment， is the main channel of heat exchange between building inside and outside， therefore reduce the wall energy consumption is one of the main methods to reduce building energy consumption. But heat transfer coefficient of traditional wall is fixed， is not suitable for the cold area where the temperature difference between day and night is large. In this paper， the temperature compensation wall is proposed. When the temperature difference between the inside and outside of the building is changed， the wall can increase the “beneficial” heat transfer and reduce the “harmful” heat transfer in order to achieve the effective reduction of the building. The Computational Fluid Dynamics CFD software package Fluent is adopt for simulation of thermal performance of the temperature compensation wall. The influence of different thermal resistance thickness and different bimetallic spacing are simulated.

【Key words】Temperature compensation wall；Building energy efficiency；Heat transfer coefficient

0 引言

建筑向節能、綠色、智能化發展已經成為國際建筑界實現可持續發展理念的一大趨勢[1]。我國建筑能耗約占全社會總能耗的 27% 左右，且這個比例仍在逐漸增長，因而開發新的建筑節能技術，推廣新型建筑節能材料，推行相關的建筑節能措施和規范，全力降低建筑總能耗，應是當前社會節能領域的重點發展方向[2]。在建筑的能耗損失中，圍護結構散熱損失所占的比例為40%～50%，因而建筑圍護結構的節能在建筑節能工作中有著較為重要的作用[3]。建筑圍護結構又是室內環境與室外環境的聯系紐帶，是建筑物內、外環境進行熱量交換的主要通道[4]，因此減少墻體能耗是減少建筑能耗的主要方法之一。為此，本研究提出了溫度補償墻體，該墻體不僅在冬季隨室外環境溫度變化而進行墻體傳熱系數自調節，降低冬季供暖能耗；在夏季同樣可以隨室外環境溫度變化自動進行傳熱系數調節，達到節省空調能耗及電能耗等優點。

1 溫度補償墻體基本構造及原理

1.1 溫度補償墻體基本構造

中所示本文研究提出的傳熱系數自動調節墻體結構主要由：覆面保護層（1）、變熱阻層（2）、承重層（3）、面層（4）構成。其中變熱阻層是墻體能夠進行溫度補償的主要部分，由雙金屬片（5）和柔性導熱基體（6）構成。

1.2 溫度補償墻體原理

在夏季，當室外溫度高于室內溫度時，面層（1）受熱，使得雙金屬片（5）溫度升高如圖2所示向上發生偏轉彎曲，各個雙金屬片（5）與對應的柔性導熱基體（6）發生分離，使得變熱阻層（2）內只有空氣導熱，因此熱阻最大，傳熱系數最小，此時通過墻體傳導到室內的熱量最小，在不使用空調的前提下，對室內溫度進行了補償，減少了建筑物空調能耗。當室外溫度降低直至低于室內溫度時，雙金屬片（5）向下偏轉直至與對應導熱基體（6）閉合，此時變熱阻層內雙金屬片與柔性導熱基體重新構成熱橋，減少了變熱阻層熱阻，傳熱系數最大。此時通過墻體傳導到室外的熱量很大，室內溫度得到補償，也減少了空調能耗。

1.3 溫度補償墻體傳熱系數計算

根據熱力學原理，垂直于傳熱方向由兩種以上材料組成的復合材料層，溫度補償墻體的平均熱阻應按下式計算：

=-R+R？漬（1）

式中：—平均熱阻（m2·K/W）；

F0—與傳熱方向垂直的總傳熱面積（m2）；

F1，F2，…，Fn—按平行于熱流方向劃分的各個傳熱面積（m2）；

R0.1，R0.2，…，R0.n—各個傳熱部位的熱阻（m2·K/W）；

φ—組合材料的修正系數。

傳熱系數按下式計算：

K=（2）

2 CFD軟件模擬

根據溫度補償墻體傳熱系數的計算式可以看出，溫度補償墻體的熱工特性受變熱阻層尺寸，雙金屬片間距，以及雙金屬片曲率的影響。為此本研究采用了計算流體動力學軟件CFD，采用了湍流動能k方程，對所提出的溫度補償墻體進行了初步的模擬。k-ε模型對于較小壓力梯度下的自由剪切流具有較好的計算結果；對于壁面流動，在零或小平均壓力梯度下，模型計算結果和實驗結果符合的較為一致。

2.1 幾何模型的建立

根據本文所提出的溫度補償墻體的工作原理，墻體變熱阻層外側各層為外墻涂層，保溫層，屬各向同性材料，因此將它們簡化為一層，同理變熱阻層內側為結構層和內墻表面涂層，也簡化為一層，簡化后模型如圖3所示，模型網格劃分圖如圖4所示。

墻體覆面保護層的簡化面（1）、承重層的簡化面（2）、變熱阻層空氣間層（3）、上下部分絕熱面層（4）、曲率為20°的雙金屬片（5）。墻體的高度為固定值，H=0.5m；變熱阻層厚度為σ=100mm；雙金屬片間隔為a=100mm，長度為ds=90mm，厚度為σ=0.5mm。

2.2 邊界條件

將柔性導熱基體；模型上下兩面為設置為絕熱面；進口邊界為覆面保溫層。覆面保溫層入口材料設定為膠粉聚苯顆粒保溫砂漿層，密度為：ρ=230kg/m3；比熱容：=1202j/（kg·K）；導熱系數：λ=0.059W/（m·K）。覆面保溫層邊界類型設定為Wall，左側的邊界設定為Temperature，溫度初步設定為30度，墻體厚度為80mm，發熱率為0W/m3。出口溫度設置為23°C，出口面為承重層面，使用混凝土的熱物性參數設置邊界條件；而進入面為保溫層面，使用膠粉聚苯顆粒保溫砂漿熱物性參數設置邊界條件，溫度為室外氣象溫度，通過給定一個固定的值對雙金屬片曲度、豎向間隔、變熱阻層厚度選取最佳值后進行改變。

3 模擬結果分析

3.1 雙金屬片曲率對溫度補償墻體熱工特性的影響

變熱阻層厚度初步設定為100mm，雙金屬片間距為100mm，雙金屬片材料選定為主動層為Mn75Ni15Cu10，其被動層為Ni36的雙金屬片。將雙金屬片的彎曲度設為自變量。本模型使用FLUENT15.0進行模擬，在Workbench的總操作平臺中創建新的ICEM CFD得版塊進行建模。創建雙金屬片彎曲角度分別為0°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°的八個模型進行分別操作。溫度補償墻體傳熱系數隨雙金屬片曲率變化曲線如圖5所示。

雙金屬片曲率為0°時的傳熱系數為雙金屬片曲率20°時的傳熱系數的四倍。相當于在該簡化的模型中，雙金屬片的彎曲時由于出現空氣間層，其熱阻較大，通過的熱量較小而改變了該變熱阻層墻體的傳熱系數。

3.2 變熱阻層尺寸對溫度補償墻體熱工特性的影響

在各部分材料設定不變的情況下，取上一節中所得出的傳熱系數最小的雙金屬片曲率為20°的值，其他邊界條件設定保持不變，變熱阻層尺寸為自變量。在ICEM CFD中對變熱阻層厚度為50mm、75mm、100mm、125mm、150mm、175mm、200mm的墻體分別建立模型并使網格各項參數設置相同，計算結果如圖6所示。

在變熱阻層厚度低的時候，因傳熱面積小，變熱阻層厚度較薄，傳熱系數大，從而增大了從外界通過墻體傳入到內壁面的熱量。隨著變熱阻層逐漸變厚，傳熱面積增大，傳熱系數逐漸變小，在變熱阻層厚度為100mm時，傳熱系數達到最小14.17W/㎡·K。而后，隨著變熱阻層厚度增大，因雙金屬片的面積逐漸增大，變熱阻層的導熱系數也隨之增大，從外界通過變熱阻層傳入到內壁的熱量增大，傳熱系數也增大。

3.3 雙金屬片間距對溫度補償墻體熱工特性的影響

在各部分材料設定不變的情況下，取3.1中所得出的傳熱系數最小的雙金屬片曲率為20°的值，變熱阻層厚度取傳熱系數最小的變熱阻層厚度為100mm的值，與此同時其他邊界條件設定保持不變，雙金屬片間距設為自變量。在ICEM CFD中對雙金屬片間距為25mm、50mm、100mm、125mm的墻體分別建立模型并使網格各項參數設置相同，計算結果如圖7所示。

4 結論

本文分析并簡化了本研究所提出的溫度補償墻體，得到一個較為簡化的模型，通過CFD軟件FLUENT對簡化模型進行了模擬。根據模擬結果分析，可以得到以下結論：

（1） 曲率不同的雙金屬片會導致溫度補償墻體傳熱系數變化，從系統帶給室內的熱量的角度分析，選取傳熱系數較小的雙金屬片曲率時對于整個系統的從室外導入到室內的熱量更多。通過計算分析，得出雙金屬片曲率為20°時，傳熱系數為最小值14.17W/㎡·K。

（2）變熱阻層較厚的墻體雙金屬片傳熱面積較大，會導致變熱阻層雙金屬片和柔性基體間傳熱增大，通過計算分析，得變熱阻層厚度為100mm時，傳熱系數為最小值14.17W/㎡·K。

（3）在雙金屬片間距較小的時候，雙金屬片分布密集，金屬導熱的部分夾層導熱面積增大，溫度補償墻體的傳熱系數有較明顯的增加。雙金屬片分布越密集，墻體傳熱系數越高，過高的傳熱系數不利于墻體在夏季對室內溫度進行補償，因此最佳雙金屬片間距應在100-125mm之間。

【參考文獻】

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[責任編輯：朱麗娜]