屋面通風對抑制高溫季糧堆升溫影響的實驗與模擬研究

陳 雁 王子嘉 雷軒邈

(河南工業大學土木建筑學院，鄭州 450001)

高溫季節糧食平房倉房屋面傳熱量是造成倉內糧堆積熱的主要原因，加強倉房屋面部分的隔熱對降低平房倉儲糧溫度和能耗起著至關重要的作用。由于糧食倉房防水、防蟲、密閉、承重等要求，公建蓄水屋面、屋頂綠化等節能措施難以在現役平房倉圍護結構隔熱改造中推廣應用［1－2］，目前倉房屋面隔熱的做法主要是加強保溫，設置架空層和采用反光涂料等。考慮到材料使用壽命和倉房屋面傳熱特點，采用架空層隔熱是更為有利的方式［3］。在屋面架空層隔熱方面，Lee等［4］過實驗研究了架空層中氣流和溫度場的分布，確定了屋面坡度、太陽輻射和屋面洞口尺寸對其隔熱性能的影響。D’Orazio等［5］基于6 m×1.5 m的模擬屋面，對14種架空板材料進行對比實驗，研究了材料透氣性對架空層夏季隔熱性能的影響。Kos'ny等［6］通過為期兩年的實地測試，研究了相變材料與架空層通風相結合在實際建筑中的可行性，這種模式可以有效地實現屋面冬季保溫與夏季隔熱功能。Toku等［7］在實驗室建立50 cm×50 cm帶有相變蓄熱物質的模擬平屋頂進行夏季工況實驗，并用實驗數據驗證了對應工況的一維數值模型，通過數值模擬得到了當地氣候條件下最佳蓄熱層厚度為2 cm的結論。與實驗研究相比，計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)可以不受具體條件的限制，對包含有流體流動和傳熱等相關物理現象的系統進行分析［8］，得到工程需要的數值解，該方法已被成功地用于與屋面傳熱相關的模擬分析［9－11］。Liberati等［12］以帶有矩形風道的畜舍屋面構件為研究對象，假設風道空氣處于均勻流動時，通過實測數據和三維數值模擬得到了第二類邊界條件下風道中的溫度分布，進而求出了使畜舍室溫最低的空氣層厚度。Gagliano等［13］采用Fluent軟件研究了保溫層與流動空氣夾層的相對位置對通風屋面熱性能的影響，結果表明，通風屋面夏季可將屋面熱流減少至50%。Kobayashi等［14］利用CFD方法研究了帶有風井的人字形屋面利用風壓對位于密集住宅區的二層建筑進行自然通風的效果，建筑外部采用大渦模擬(LES)而房間內采用雷諾時均方程(RANS)，并采用風洞測量對模擬結果進行了驗證。Perén 等［15－16］基于風洞測試，采用三維穩態 RANS 方程對豎向非對稱位置開窗的普通獨立建筑進行了模擬研究，認為在豎向開窗位置不對稱條件下，大坡度屋面(45°)較平屋面可提高22%的室內通風量，而較低的進、出風口開窗面積比更易獲得較大的通風量。Li等［17］采用CFD方法對寒冷地區住宅建筑的屋面系統建立三穩非穩態模型，利用Fluent軟件求解，對5% ～40%范圍內的4種屋面坡度和60～260 mm內的6種空氣層厚度的具體影響進行了研究，確定了排風口位置和屋面材料吸收率對屋面升溫的延緩作用。與上述研究對象相比，糧食倉房與住宅建筑和其他公建的用途不同，平房倉房屋面結構坡度多在10%以內，在役舊倉屋面常見坡度為3% ～5%。糧堆導熱性差，當外界氣溫升高時，經過冬季通風降溫的糧堆呈現“熱皮冷芯”現象，內部溫度仍維持在20℃以內，同時，由于藥物熏蒸密閉要求，在高溫季節并不開倉進行自然通風。舊倉改造中，架空層隔熱做法采用檐口開放的被動式結構，由于倉房屋面跨度較大，架空層內難以形成有效的空氣流動，當氣溫日較差較大時，由于架空板的存在，倉房屋面無法直接利用夜間輻射，會影響倉內積熱經由屋面向外界散發，減小了倉內夜間降溫速度，影響糧食儲藏品質。本文利用CFD方法，對采用架空層通風進行屋面隔熱的平房倉系統進行數值模擬，探討架空層厚度、架空層氣流速度和架空板反光涂層對高溫季節平房倉糧堆升溫抑制作用的影響。

1 平房倉系統物理模型的建立

1.1 平房倉物理模型

實驗研究的屋面通風隔熱平房倉系統主要由架空板、空氣層、糧倉圍護結構、倉內糧堆和位于糧倉一側的控制室組成。為了便于進行實驗對比驗證，模擬中上述各組成部分的幾何參數與實際對比測試倉一致。測試倉位于鄭州，坐北朝南，墻厚0.37 m。倉體東西長20.5 m，其中控制室長2.5 m，其余為裝糧部分，倉體南北寬9 m，脊高10.09 m，倉內堆糧高度為6 m。，倉房屋頂為平屋面型式，架空板厚0.04 m，架空層空氣厚度為0.2 m。根據當地夏季主導風向，在模型中將架空層南、北面設置為通風進、出口。由于控制室數據采集設備的散熱量很小，為簡化計算，建模中省略了控制室設備。系統基本物理模型如圖1所示。

1.2 控制方程

糧倉各圍護結構和糧堆均為固體，由于外界熱環境的季節性變化，通過平房倉圍護結構傳熱造成的糧堆升溫實際發生在4～9月份，基于所建立的幾何模型和簡化假設，糧食平房倉系統中的傳熱為三維非穩態傳熱，以平方倉底面中心為原點，糧堆高度方向為Z軸正向，建立直角坐標系，則對應的控制方程為:

圖2 實驗倉測溫點布置圖

式中:t為時間/s;ρ為密度/kg/m3;珗u為速度矢量/m/s，糧堆區域 珗u=0;T 為溫度/℃;xi為直角坐標系第i個坐標坐標，i=1，2，3;ui為三個坐標軸方向的速度/m/s;p為空氣流微元體上壓力/Pa;μ為空氣的動力黏度/N·s/m2;Fi為第i個坐標軸方向上的體積力/N;k為導熱系數/W/(m·K);cp為空氣的定壓比熱/J/(kg·K);ST為熱源項，W，對于固體糧堆，此項為0。

1.3 邊界條件和參數設置

根據物理模型，糧倉圍護結構中外墻表面及屋面為第三類邊界條件，架空層入口和倉房底部為第一類邊界條件，外界空氣溫度和地表溫度已知［18］。糧倉圍護結構中墻體、地面和屋面主體材料為混凝土，外設保溫層或反光涂層，模擬所需的圍護結構等材料的熱物性參數如表1所示。

表1 模擬所用介質的主要物性參數

2 模型求解與驗證

2.1 網格劃分與求解

采用Gambit軟件進行幾何建模，圍護結構外墻上部靠近架空層處采用等比間距劃分線網格的方式對網格進行了加密。架空層入口表面設置為速度入口邊界(velocity inlet)，出口表面設置為出流邊界(outflow);圍護結構各外表面設置為固體壁面邊界(wall)?？紤]到實際工程所在環境對圍護結構沒有形成有效遮蔽，實驗倉屋面和外墻表面的太陽輻射得熱量不可忽略，在求解過程中輻射得熱量根據當地氣象數據折算為熱源項加載在對應各邊界條件中。模擬時段與一年儲糧期內糧堆發生明顯升溫的時間段，即5月1日～9月30日，采用Fluent軟件對流場和溫度場進行了求解。

2.2 模擬結果的驗證

為了驗證所建立的研究模型，根據實驗倉測試數據與模擬結果進行了比較，以相對誤差作為衡量指標。實驗采用貝博公司LYLJ有線通訊糧情檢測系統FJ－512型測控機監測糧溫，測溫點共63個，如圖2所示。測點沿糧堆深度方向分7層布置，最上層位于糧面以上0.6 m處，糧堆內第一層測溫點位于糧面以下0.3 m，各層相距0.9 m，底層距倉內地面 0.6 m;水平方每層布置9個測溫點，相鄰測溫點沿x、y方向分別相距2.5 和2.75 m，最外層距墻1.5 m。

取2015年5月1日—5月20日的測試數據作為對比，模擬中架空層流速取主導風向對應風速。圖3是糧面以下0.3和3 m處兩層測溫點的實測平均值與對應模擬值。由圖中數據可知，糧面以下0.3 m處最大相對誤差5.3%，平均相對誤差1.9%;糧面以下3 m處最大相對誤差1.1%，平均相對誤差0.2%。因此，溫度場模擬值與實測值有較好的一致性，模型采用的假設較為合理。

圖3 糧堆內部溫度實測值與模擬值的對比

3 結果分析

3.1 架空層空氣流速的影響

模擬中，架空層內空氣流動方向取當地夏季主導風向，即自南向北。當架空層厚度為0.2 m時，在糧倉屋面未敷設高反射率涂層的條件下，不同空氣流速對糧堆升溫的抑制作用如圖4所示。從模擬監測點平均溫度來看，當空氣流速從0.5 m/s增加到4 m/s時，糧面以下0.3 m處8月份時最高溫度降低了1.1℃，空氣流速再增加至10 m/s時，該層溫度只降低了0.3℃，而糧面以下3 m處的平均溫度在這一風速變化范圍內幾乎保持不變。由此可見，具有架空層結構的倉房，當高于外界自然風速時(夏季為1～5 m/s)，空氣流速的變化對糧堆溫度的影響并不明顯。原因是，作為隔熱系統，架空層幾何參數的設置與風速之間存在最佳對應關系。在0.2 m空氣層厚度下，外界風速約為5 m/s時，架空層內形成的流動即可有效帶走由架空板傳入的積熱，阻斷熱量繼續向倉內傳遞。而夏季高溫環境中，僅靠提高風速并不能使倉內溫度獲得進一步的降低。

圖4 不同架空層空氣流速對糧堆溫度的影響

圖5 亦反映了這一趨勢，圖示為9月30日12時糧堆內部距糧面0.3 m處的水平面溫度分布。與架空層空氣流速較低時相比(v=0.5 m/s)，上層糧堆“冷心”區域的范圍在空氣流速達到4 m/s后明顯擴大。

圖5 不同空氣流速對上層糧堆溫度場的影響

3.2 架空層厚度的影響

模擬對架空層空氣厚度的影響進行了研究。當架空層氣流速度為2 m/s，其他條件不變時，空氣層厚度分別設置為0.2 、0.3 、0.4 和0.5 m，不同空氣層厚度對抑制糧堆升溫的影響如圖6所示。由糧堆上層和下層模擬監測點的平均溫度可知，與氣流速度類似，架空層厚度的增加不影響下層糧堆的溫度，對上層糧堆的影響則表明該厚度存在最佳值，即δ=0.3 m。此時，與其他厚度值相比，溫降效果更好。δ=0.3 m時，7、8月份上層糧溫的降溫幅度增加了1.2℃?；谒ㄎ锢砟Ｐ停嬎慵芸諏涌諝饬鲃訉腞e數，可知該流動屬于平行板間湍流類型。δ=0.3 m時架空層湍流長徑比 L/De為 15.44，與根據Latzko理論解［19］得到的湍流入口段長度對應長徑比相差不足1%，如圖7所示。因此，架空層空氣厚度δ=0.3 m時，沿流動方向的整個屋面寬度與湍流入口段長度一致，充分利用了入口段熱邊界層較薄，表面傳熱系數較高的特點，在架空層中形成了更為有效的對流換熱，減少了架空板和層內熱量的積聚。

圖6 架空層空氣厚度對糧堆溫度的影響

圖7 湍流入口段長徑比

如圖8所示，架空層空氣厚度為最佳值時，對倉內空氣和上層糧堆的隔熱更有效。δ=0.3 m時不僅降低了倉內上層空氣的溫度，削弱了靠近糧面的糧堆升溫(1～2℃)，對通過東、西外墻傳熱造成的溫升也形成了有效的抑制，使沿墻糧堆升溫區域顯著縮小。此外，圖8也給出了屋面流動空氣層和控制室側靜止空氣層隔熱效果的差別。因此，形成有效的湍流對流換熱有利于增強架空層的隔熱作用。

圖8 不同架空層厚度下的溫度場對比

3.3 架空板高反射涂層的影響

模擬針對糧倉屋面敷設高反射率涂層對太陽輻射造成的倉內溫升的抑制作用進行了研究，涂層材料反射率為0.8，敷于架空板上面。架空層空氣流速取季節平均值2 m/s，空氣流動方向為當地夏季主導風向。結果表明，糧堆上層模擬監測點平均溫度比未敷設涂層時僅降低約0.1℃，而底層糧溫幾乎不變，如圖9所示。因此，糧倉屋面具有架空層結構時，反射涂層對減少屋面向下傳熱的效果并不明顯，這也說明架空層通風形成的對流換熱可以有效帶走架空板的吸熱，阻斷屋面輻射得熱向倉內的傳遞。

圖9 反光涂層對糧堆升溫抑制作用的影響

4 結論

4.1 架空層形成湍流對流換熱是改善糧倉屋面隔熱效果的關鍵，在主導風向方向上最大程度地利用湍流入口段效應，可以提高架空層散熱速率，減少熱量積聚，使上層糧堆溫度較“悶頂”式架空層時降低2℃。

4.2 在0.2 m空氣層厚度下，外界風速約為5 m/s時，架空層內形成的流動即可有效帶走由架空板傳入的積熱，有效阻隔屋面向倉內的傳熱。

4.3 與開放式架空層結構相比，沿主導風向設置氣流通道有利于架空層內形成湍流對流換熱，對糧堆升溫的抑制作用優于在屋面單獨設置反射涂層。

4.4 其架空層空氣厚度一定時，可基于Latzko理論解選擇合適的氣流速度，單一地增加空氣流速并未顯著地抑制糧堆升溫;相應地，在自然風速范圍內，架空層空氣厚度存在最佳值。當架空層氣流速度為2 m/s，架空層的最佳厚度為δ=0.3 m。