被動房冬季南北向墻體間的傳熱過程研究

王政 龔延風 陳麗萍

南京工業大學城市建設學院

0 引言

隨著當前建筑節能工作的持續推進，被動房在我國夏熱冬冷地區的試點和推廣已陸續展開。由于被動房圍護結構具有良好的保溫隔熱性和氣密性，冬季室內溫度可維持在20℃以上[1-2]。孔文憭等[3]通過對夏熱冬冷地區某德國標準被動房冬季實際運行情況實測分析，進一步表明在室內無人且無任何輔助供熱措施條件下，被動房在寒潮期間的自然室溫穩定在18℃左右。建筑在冬季期間室內得熱量主要來源于太陽輻射引起的圍護結構傳熱、內熱源散熱和空調投入熱量三個部分，其中由太陽輻射帶來的圍護結構之間傳熱是最重要的組成部分[4]。太陽輻射得熱由南向北、由外向內逐步反應到建筑內部，墻體又具有一定的蓄熱特性和保溫功能，使室內平均溫度一直保持在高于室外氣溫的水平。

以往的研究缺少對被動房自然室溫形成原因和過程的分析，針對建筑南北向墻體間大跨度傳熱過程的研究更少。因此，本文基于FLUENT，針對被動房南向墻體到北向墻體的傳熱過程進行研究，為夏熱冬冷地區被動房冬季室內熱環境的形成、保障和實際運行策略提供參考，對于被動房氣密性標準的制定和優化也具有一定工程應用價值。

1 物理模型

1.1 模型建筑概況

選取夏熱冬冷地區某居住建筑為研究對象，采用Gambit軟件對目標建筑進行三維幾何建模，為突出南向外墻到北向外墻動態傳熱過程的特性，忽略外門窗，如圖1所示。本次模型建筑為三室兩廳居住戶型，坐北朝南，共三層，以第二層為研究對象，其房間尺寸為10.7 m×15 m×3 m，平面布置見圖2。

圖1 模型建筑幾何外觀圖

圖2 模型建筑平面布置簡圖

1.2 圍護結構體系

德國標準被動房圍護結構構造及其熱工參數列舉如表1～4所示，符合《江蘇省居住建筑熱環境和節能設計標準》（DGJ32/J71-2008）中規定的節能達到50%和65%建筑的外墻、內墻、屋面和樓板等其他構造的熱工參數均可查閱相關標準。

表1 被動房外墻構造

表2 被動房內墻構造

表3 被動房屋面構造

表4 被動房樓板構造

三種節能標準下的建筑圍護結構傳熱系數匯總如下，見表5。

表5 各節能標準建筑圍護結構傳熱系數

2 數學模型

2.1 墻體傳熱控制方程

對南向墻體到北向墻體動態傳熱過程作合理簡化，假定如下：墻體溫度只沿房間進深變化；室內無內熱源；墻體為多層的定常物性結構，且墻體材料各向同性；各材料層間接觸緊密，忽略接觸熱阻。墻體傳熱控制方程可表示為：

式中：ρ為密度，kg/m3；c 為定壓比熱容，J/(kg·K)；T 為墻體材料在τ時刻的溫度，K；λ為導熱系數，W/(m2·K)。

2.2 初始條件及邊界條件

①初始條件

式中：T0為計算開始時的墻體溫度，K，設定為281 K。

②邊界條件

南向外墻：

東西向外墻為絕熱邊界：

北向外墻及屋面：

式中：tz為室外空氣綜合溫度，K；tf為邊界面周圍空氣溫度，K；h為外墻外表面與室外空氣之間的表面傳熱系數，取h=23 W/(m2·K)。

2.3 室外空氣綜合溫度及其函數擬合

工程上把室外空氣與太陽輻射兩者對建筑圍護結構的共同作用，用一個假想的溫度tz來衡量，即室外空氣綜合溫度，本文采用室外空氣綜合溫度作用于南向外墻，研究墻體傳熱過程。選取夏熱冬冷地區典型氣象年最冷月某寒潮天的室外氣象數據[5]，繪制出室外空氣綜合溫度在一天內的變化情況，如圖3所示。

任何連續的周期性波動曲線都可以用多項余弦函數疊加而成，即用傅里葉級數表示。實測資料表明，室外空氣綜合溫度的周期性波動規律可視為一簡單的簡諧波曲線[6]。通過OriginPro數據擬合，作用于南向外墻面綜合溫度的變化可寫成余弦函數形式：

式中：T為南向外表面在τ時刻的溫度，K。

圖3 室外空氣綜合溫度

最后，使用FLUENT軟件中的用戶自定義函數功能（即UDFs）來描述室外空氣綜合溫度的控制方程，在南向外墻面產生依賴于時間變量的溫度邊界條件。

3 模擬結果分析

3.1 被動房墻體傳熱過程分析

本文以建筑第二層，距其地板1 m高處的橫截面為熱流和溫度的研究對象，分析被動房冬季自然室溫的形成過程。模型建筑墻體的初始溫度設置為8℃，選取軟件連續模擬運行12天的數據進行分析。建筑的目標截面在第2天和第10天時墻體溫度分布情況，如模擬結果圖4～5所示，單位為K。

圖4 墻體橫截面在第2天時溫度分布

圖5 墻體橫截面在第10天時溫度分布

將不同模擬時刻南向主臥、北向次臥內墻壁的熱流和溫度變化統計如圖6、圖7所示。其中，熱流為正表示熱流方向由室外到室內，即室內得熱；熱流為負表示熱流方向由室內到室外，即室內散熱。

圖6 南向主臥內墻壁熱流和溫度變化

由圖6分析可知：對于熱流密度，前6天曲線波動明顯，最大值為16 W/m2，最小值為-14 W/m2，得熱量與部分散熱量相互抵消，結果表現為室內得熱，這也是南向主臥室溫逐步升高的原因；第7、8兩天，熱流曲線變化放緩，平均熱流密度在2 W/m2左右；第9天時，熱流密度逐漸穩定在4.2 W/m2。溫度曲線總體上呈上升趨勢，傳熱開始時，由于被動房良好的保溫隔熱性能和重質墻體大慣性體系的存在，南向主臥內墻壁溫度基本保持不變，在36 h～48 h后溫度才有了較明顯升高；第9天到第10天之間溫度變化趨于平緩，逐漸穩定在18.3℃左右。

圖7 北向次臥內墻壁熱流和溫度變化

從圖8可以看出：熱流密度曲線，在前3天波動不大，平均值為-8 W/m2，室內持續散熱，表現為室溫下降，下降約1.2℃；第4天熱流密度逐漸增大，并在第5天變為正值，即南向外墻吸收太陽輻射的熱量此時已傳遞到北向墻體，表現為室溫逐漸升高；到第9天時，熱流密度曲線穩定在3.5 W/m2。而溫度曲線總體趨為勢先降低后升高，傳熱開始時，除了被動房良好的保溫隔熱性能，北向外墻幾乎不受太陽輻射變化的影響，所以北向次臥內墻壁溫度在48 h內基本保持不變；第3天到第4天之間溫度略有下降，之后便逐步升高，在第10天穩定在16.4℃左右。

3.2 不同節能標準下的建筑室內熱環境對比分析

對三種圍護結構體系建筑進行模擬，選取自然室溫穩定后3天的數據，以南向主臥為研究對象，對比分析德國標準被動房和符合《江蘇省居住建筑熱環境和節能設計標準》（DGJ32/J71-2008）中規定的節能達到50%和65%建筑的自然室溫和內墻壁熱流，如圖8和圖9所示。

圖8 三種圍護結構體系的室內溫度對比

圖9 三種圍護結構體系的內墻壁熱流對比

從圖8曲線總體趨勢看，建筑節能達50%的室溫波幅最大，建筑節能達65%的其次，被動房室溫波動較平緩，平均室溫穩定在18.8℃左右，分別比建筑節能達50%和65%的平均室溫高7.9℃和5.3℃，并且后兩者室溫與室外空氣綜合溫度相比，溫度波均存在不同程度的延遲現象。由圖9可知，被動房內墻壁熱流波幅明顯小于建筑節能達50%和65%的波幅，且內墻壁熱流平均值高于建筑節能達50%和65%平均值。被動房、建筑節能達50%和65%的內墻壁熱流平均值分別為 4.3 W/m2、0.8 W/m2、1.4 W/m2，被動房內墻壁熱流密度分別比建筑節能達50%和65%高3.5 W/m2和2.9 W/m2。因此，綜合圖8和圖9的分析結果，被動房在冬季期間的室內熱環境舒適度更高。

4 結論

1）被動房室內基礎溫度的形成是在室外氣候條件下持續作用的累積結果。墻體傳熱開始時，南向主臥前6天熱流曲線波動明顯，熱流平均值表現為室內得熱，即南向主臥室溫逐步升高，第7、8兩天，熱流曲線變化放緩，平均熱流在2 W/m2左右，第9天時，熱流密度逐漸穩定在4.2 W/m2；北向次臥熱流在前3天波動不大，平均值為-8 W/m2，室溫下降約1.2℃，第4天熱流密度逐漸增大，并在第5天變為正值，即南向外墻吸收太陽輻射的熱量此時已傳遞到北向墻體，表現為室溫逐漸升高，到第9天時，熱流曲線穩定在3.5 W/m2。

2）對于被動房的室內溫度變化，南向主臥內墻壁溫度在36 h～48 h后溫度才有所升高，第9天到第10天之間溫度變化開始趨于平緩，逐漸穩定在18.3℃左右；北向次臥內墻壁溫度在48 h內基本保持不變，第3天到第4天之間溫度略有下降，之后逐漸升高，在第10天穩定在16.4℃左右。

3）與符合《江蘇省居住建筑熱環境和節能設計標準》（DGJ32/J71-2008）中規定的節能達到50%和65%建筑比較，被動房冬季室內熱環境舒適度更高。被動房平均室溫穩定在18.8℃左右，分別比建筑節能達50%和65%的平均室溫高7.9℃和5.3℃；被動房內墻壁熱流密度約為4.3 W/m2，分別比建筑節能達50%和65%的熱流值高3.5 W/m2和2.9 W/m2。