（制冷及低温工程专业论文）建筑墙体传热特性的分析与比较.pdf

摘要 建筑墙体作为建筑的重要组成部分，研究其作用及在传热过程中 的特性对生态建筑的可持续发展具有重要的指导意义。通常建筑墙体 的传热特性主要有延迟热传输时间和削减热传递强度。在过去二十多 年的时间里，人们对墙体已做了大量的研究工作，现今关于墙体的研 究模型根据研究对象不同主要可分为针对空调建筑室内温度维持不 变的室内温度固定的墙体模型和针对非空调建筑室温随室外变化而 变化的非固定室内温度墙体模型两类。本文的创新就是在现有两模型 的基础上提出考虑对流影响的非固定室温的新墙体模型。本文主要分 四部分系统讨论建筑墙体作用特性。 首先，新墙体模型与现有墙体模型的分析与讨论。内容主要包括 两部分：室温固定与非固定两墙体模型传热特性分析；新墙体模型特 性分析。结果表明室温固定模型是室温非固定模型计算区域长度趋 向无穷大时的一种特殊情况，非固定室温新墙体模型相对能更好反映 室内温度逐时变化且对流强度对传热的影响。 其次，将单面墙体新模型推广到双面墙体模型。考虑建两墙体边 界不同时室内对流强度及墙体参数的影响。结果表明左右侧h ，受室内 空气对流影响变化同步，大小因墙体表面换热强度不一样而不同。左 右墙体参数比值s 和f 的增加会改变两侧墙体h 值跳跃时间点，室内 外之间的传热效果得到改善。 最后，分析墙体与自然通风作用耦合的效果。讨论了对流强度及 墙体结构的影响，结果表明墙内侧瓦值的变化会随瑞利数( r a ) 增加而 变得简单且具有规律性，空气流动是引起对流换热系数产生跳跃的主 要原因；绝缘层总厚度不变时，绝缘层位置离热源越近隔热效果越好。 关键词建筑蓄热介质，延迟时间，衰减因子，平均对流换热系数 a b s t r a c t i ti sv e r ym e a n i n g f u lt oi n v e s t i g a t et h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s o fb u i l d i n gw a l lf o re c o l o g i c a lb u i l d i n g ，b e c a u s eo fb u i l d i n gw a l li st h e m o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h eb u i l d i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c su s u a l l yc o n t a i n d e l a y i n gt h eh e a tt r a n s f e rt i m ea n dr e d u c i n gt h eh e a tt r a n s f e ri n t e n s i t y d u r i n gt h el a s tt w od e c a d e s ，ag r e a tm a n yo fr e s e a r c h e sh a db e e nd e a l t w i mi nt h i sa r e a a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ea r g u m e n t s 。 p r e v i o u sr e s e a r c h e sc a l lb es e p a r a t e di n t oam o d e lw i t hu n i f o r mi n d o o ra i r t e m p e r a t u r e ，w h i c ha i m e da t t h ea i r c o n d i t i o n i n gb u i l d i n gw a l la n d a s s u m e di n d o o ra i rt e m p e r a t u r ew i t hac o n s t a n tv a l u e a n da n o t h e rm o d e l w i t hu n - u n i f o r mi n d o o ra i rt e m p e r a t u r ew h i c hc a l c u l a t e dt h ev a r i a t i o no f t h ei n d o o ra i rt e m p e r a t u r ei nf r e e r u n n i n gc o n d i t i o n s a l t h o u g ht h el a t t e r o n ew a sm o r es i g n i f i c a t i v et h a nt h ef o r m e r 鹪i tw o r k e dw e l lw i t ht h e p r a c t i c a lc o n d i t i o n , i ts t i l lr e m a i n e d8 0 m es h o r t a g e s 即1 ei n n o v a t i o no f t h i sp a p e rw a gt h a ti tp r e s e n t e dan e wu n c e r t a i ni n d o o ra i rt e m p e r a t u r e w a l l m o d e l t l l i sp a p e rm a i n l yc o n s i s to ft h r e ep a r t st oa n a l y s i st h e c h a r a c t e r i s t i co f n e wm o d e lw a l l f i r s t l y , t h ed i f f e r e n c e so ft h en e wm o d e la n dp r e v i o u sm o d e l sw e r e a n a l y z e da n dd i s c u s s e d t l l i sp a r tm a i n l yp r e s e n t e dt h ec h a r a c t e r i s t i e so f t h eu n i f o r mi n d o o ra i r t e m p e r a t u r em o d e l 。u n - u n l f o r mi n d o o r a i r t e m p e r a t u r em o d e la n dt h en e ww a l lm o d e l t h er e s u i t ss h o w e dt h a tt h e c o n s t a n ti n d o o ra i rt e m p e r a t u r em o d e lw a sas p e c i a lc a s ea st h el e n g t ho f c o m p u t e df i e l d 皿) o ft h eu n - u n i f o r mi n d o o ra i rt e m p e r a t u r em o d e l b e c o m ei n f i n i t ea n dt h en e wm o d e lc a l lb eb e t t e rf o rt h ec a s ew i t h u n - u n i f o r mi n d o o ra i rt e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n tc o n v e c t i o ni n t e n s i t y s e c o n d l y , t h en e wm o d e lw i t hs i n g l ew a l lw a ge x t e n d e dt oc o u p l e w a l lm o d e l t l l i sp a r tm a i n l yc o n s i d e r e dt h ee f f e c to f c o n v e c t i o ni n t e n s i t y a n dt h ew a l lp a r a m e t e r su n d e rt h ed i f f e r e n c eo fw a l lc o n d i t i o n s i tw a s s h o wt h a tt h ea v e r a g ec o n v e c t i o nc o c m c i e n to fl e f ta n dr i g h ts i d ev a r i e d i n - p h a s ea st h ec o n v e c t i o ni n t e n s i t yw a sd i f f e r e n t t h ei n c r e a s i n go ft h e l e f ta n dr i g h tw a l lp a r a m e t e r sr a t i o8a n d ( w o u l dm a d et h eb o u n dt i m eo f t h ec o n v e c t i o nc o e 伍c i e n tv a l u ew a sv a r i e da n dt h eh e a tt r a n s f e rb e t w e e n i i i n d o o ra n do u t d o o rb eb e r e n f i n a l l y , t h ec o u p l i n ge f f e c t o fw a l la n dn a t u r a lv e n t i l a t i o nw a s i n v e s t i g a t e d n er o l e so fc o n v e c t i o ni n t e n s i t ya n dw a l ls t r u c t u r ew e r e c o n s i d e r e d i ti ss h o w e dt h a tt h ev a r i a t i o no fi n n e rw a l ls i d ea v e r a g e c o n v e c t i o nc o e f f i c i e n tw o u l db er e g u l a ra st h ec o n v e c t i o ni n t e n s i t y e n h a n c e da n di t sv a r i a t i o nw a sm a i n l ya f f e c t e db yt h ea i rm o v e m e n t i f t h et o m lt h i c k n e s so ft h ei n s u l a t i o nl a y e rw a sf i x e d , t h eh e a tt r a n s f e rr a t e w o u l db es m a l l e ra st h ed i s t a n tb e t w e e ni n s u l a t i o nl a y e ra n dh o ts o u r c e w a ss h o r t e r k e yw o r d sb u i l d i n gt h e r m a lm a s s ，t i m el a g ，d e c r e m e n tf a c t o r ， a v e r a g ec o n v e c t i o nc o e f f i c i e n t i l l 英文符号 彳振幅 彳，长高比 c 热容 q定压比热 ，衰减因子 g 重力加速度 符号说明 j i对流换热系数或 f 开口之间的高度 日房间高度或特 r 征尺寸 七热传导率 工 房间长度 p 压力 v i u 矿 无因次压力 p r a n d t l 数 墙体传热量 通风量 r a y l e i g h 数 墙体厚度 温度 无因次温度 x , y 方向速度 分量 x , y 方向无因 次速度分量 w开口大小 p n g q 勋 f 希腊字母 d热扩散系数 下标 夕 空气膨胀系数 d 空气的动力粘度 f p 密度 f 时间 b 基准值 p右墙 ， 流体 f 室内 疗墙内壁 v 左右墙导热系 数比 左右墙热容比值 或方程对流项系 数 时间步长或延迟 时间差 r特征温度尺寸 4振幅差 打脚 d s 最大值 室外 固体 总合 左墙 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或 其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作 的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部 分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或 湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 、 导师签名掣显丝日期：至型l - 年上月耳日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 在每年我国能源消耗结构中，建筑能耗已逐渐成为人们关注的焦点。通常建 筑能耗是指维持建筑功能和建筑物在运行过程中所消耗的能量，包括照明、采暖、 空调、电梯、热水供应、烹调、家用电器以及办公设备等的能耗。目前，我国建 筑能耗总量面积约为1 6 0 亿m 2 ，每年单位面积平均能耗折合成等效耗电约 5 5 6 k 骱m 2 ，其中北方地区采暖面积约为6 5 亿平米，单位面积能耗约6 6 2 k 1 | 1 1 m 2 ， 这就意味每年北方采暖就需约消耗1 3 亿吨标煤，这无疑是一个惊人的数字。在 全国能源消费结构中，建筑能耗所占的比例在逐年增加，如图1 1 所示从1 9 9 6 年2 1 8 起至2 0 0 0 年已增至2 7 7 【l 】，目前，我国的城镇建筑能耗约占全国商品 能源的2 3 2 6 。现今发达国家的建筑能耗一般在总能耗的l 3 左右圆。据资料 显示目前我国每年城乡新建房屋建筑面积近2 0 亿m 2 ，其中8 0 以上为高耗能建 筑，既有建筑9 5 以上是高能耗建筑。我国建筑能耗与相同气候的北欧国家相比， 平均能耗为2 - 3 倍。这些事实都说明为了走可持续发展道路，发展生态节能建筑 已是刻不容缓的选择。 加 2 5 窑 妻2 0 耀 襄1 5 蚯 犍 袭1 0 捌 5 0 1 9 9 7 1 9 蛆1 9 9 9 年份 图i - i 我国建筑能耗在总能耗中的比倒 中南大学硕士学位论文第一章绪论 生态建筑的基本思想就是将建筑( 或建筑、社区) 视为一个基本完整的生态 圈，努力使其中的满足人的需求的生态环境达到平衡。其观点就是：充分利用高 新技术解决人类与自然环境的矛盾，将太阳能、核能、风能、地热能技术引入建 筑及城市规划中，将信息技术、自动控制技术与新能源结合，形成与环境协调的 新型建筑【”。发展生态节能建筑最终的目标就是要在满足室内居住者的热舒适基 础上降低建筑的能耗，对实际居住者而言较关注的是如何以较低的能耗获得舒适 的建筑室内热环境。随着居住条件逐渐成为参考人们生活质量的一个重要指标， 建筑的功能已不再是简单的为人们提供遮风避雨的庇护场所，它的外延已扩展到 更广泛的范围外，如被赋于烘托一方文化氛围和表现社会和协发展等角色。建筑 墙体作为联系建筑室内与室外的纽带，不但被认为是建筑的重要组成部分也是影 响整个建筑系统能耗变化的关键。 1 2 研究现状 1 2 1 建筑墙体传热特性 建筑墙体传热过程受室外气候参数( 包括太阳辐射和室外环境温度) 和室内 多变内部负荷( 包括人的活动、光、设备) 的影响，是包含了对流、导热和辐射 三种基本传热方式并随时间变化的复杂非稳态综合传热过程。根据传热发生位置 不同可分为墙体外表面换热、墙体导热和墙体内表面换热三个部分m 】，如图1 - 2 所示。通常墙体表面与周围环境之间通过对流、辐射进行热交换，所得热量以热 传导的方式传递至墙体内表面，墙体内表面又主要以对流方式与室内空气进行热 - 豁 图1 2 墙体传热过程：墙体外表面换 热墙体导热墙体内表面换热 2 中南大学硕七学位论文第一章绪论 交换。在整个热量传递的过程中传热量大小主要与环境气候参数、空气对流系数、 墙体材料物性参数、墙体结构和室内热环境等因素有关。 墙体在传热过程中主要起到保温和隔热两种作用。两种作用可由延迟( t i m e l a g ) 与衰减( d e 叫锄e mf a c t o r ) 两个尺度定量描述【6 】。 延迟现象主要是墙体在换热过程中墙体热阻及热容能阻隔、存储热量的作用， 使在白天由墙体获得的室外热量在晚些时候才释放到室内，从而延缓室外热 传到室内的时间。 墙体衰减作用是指墙体传热量在墙体传热过程中受热阻削减，传入室内后传 递热量的强度大小发生改变的作用。 通常作用不同的建筑对墙体延迟与衰减效果要求不一样。例如对于空调建筑墙体 的延迟时间越长、墙体衰减作用越大使得室外进入室内的热量越小就越好。而对 于非空调建筑则是延迟时间为6 小时室外最高温度到达室内恰是室内最冷时刻 为最佳，此时衰减度要求较小。 墙体作为建筑的主体部分，它的作用在传热过程中通常是影响了建筑热负荷 的大小的关键因素，同时又因为室内空气温度受室外环境温度因受气候和太阳辐 射等因素的综合作用，是随时间周期变化的鳓，经过墙体传热室内空气温度通常 也是有规律的变化，因此使得墙体传热过程的规律越趋复杂，研究分析它的传热 特性是很有意义的。 1 2 2 现有的研究 墙体传热特性一直是国内外建筑节能领域的研究热点 7 4 7 。通常所采用的方 法可分为实验测量法 7 - 1 2 1 、数学分析法t 1 3 - 2 9 、数值模拟法【2 9 。4 7 三大类。实验测量 法是传统的研究方法，至今仍然是墙体传热特性的有效研究手段，但常常由于受 测量条件、测量精度的限制，不能得到广泛应用。数学分析法一直是是墙体传热 特性理论研究的基础方法。数学分析法是通过运用积分变换、格林公式和拉普拉 式变化等方法求解墙体传热的物理方程，主要是集中在解决建筑热负荷的计算与 墙体导热方程的求解，但数学分析法求解过程复杂，解的形式不直观且具有多样 化等缺点。在九十年代初随着计算机技术的高速发展，数值传热学为研究墙体的 作用手段已逐渐兴起。数值分析法是用网格对传热方程离散化进而用计算机数值 3 中南丈学硕士学位论文 第一章绪论 求解的方法，由于其计算方便和简单等特点而普遍被人们所采用。 在数学分析方法及数值模拟中，根据所研究建筑物用途及作用不同又可分 为：固定室温墙体模型和非固定室温墙体模型两大类。在工业革命后二十世纪中 叶随着动力机械和电力的广泛应用，使得“舒适空调建筑”成为人们追求的目标， 大量兴建的高层和超高层建筑，出现了全封闭的、完全靠空调和照明来维持室内 环境而与自然界隔绝的室内环境。这一时期固定室温墙体模型成为研究空调建筑 墙体传热特性的主要方法。随着能源危机发生引发人们对人与自然的再思考以及 空调建筑室内空气品质劣化带来的人体不适( 如病态建筑综合症s b s ) ，从而绿色 的生态节能建筑逐渐成为建筑发展的主流，随之研究非空调建筑墙体传热的非固 定室温模型也孕育而生。 固定室温墙体模型针对空调建筑所提出脚9 l 。通常在空调建筑中由于空调的 作用室内温度常保持为一恒定值不随室外温度而变化。因而在分析墙体传特性时 将室内温度取为定值，此时研究墙体的目的为分析墙体传热量在墙体作用下如何 达到最小从而节约室内空调负荷，如图1 3 a 所示。现有关于固定室内温度模型 的研究有早在1 9 9 5 年，a l - r e g i b 采用数值方法分析室外为阶跃信号时单面墙体 不同绝缘层位置的影响。结果表明绝缘层置于墙体外侧的房间冷负荷要比置于墙 内侧的小。同年p r i c e 考虑室外太阳辐射与周期性环境温度同时作用下，单面 墙体含多层复合材料的非稳态传热【3 1 l 。并把单面墙模型推广应用到了六面墙体 模型中，所得墙体传热量与分析解比较符合。1 9 9 8 年后，土耳其的a s a n 相继发 表多篇文彰3 5 1 ，系统分析单面墙体物性参数、厚度和复合墙体绝缘层位置对墙 体传热的影响。主要结果表明墙体物性参数对墙体延迟及衰减有显著的影响，将 单层厚度的绝缘层对分成两份并分别置于墙外侧和中间时能够获得最大延迟且 此时墙体传热衰减最大。希腊的t s i l i n g h - i s 将实际气候参数作为求解条件着重分 析实际不同复合墙体结构的传热效果1 3 6 - 3 7 。同时还提出了用于描述系统获得瞬时 输入后系统响应输出的延迟时间的墙体热时间常数( w a l lt h e r m a l t i m e c o n s t a n t ) 3 a ，结果表明墙体热容分布位置的不同影响了墙体两侧热时间常数的变 化，墙体两侧热容呈对称分布时两侧的热时间常数相同。墙体具有相同热阻但不 同的热容分布时墙体表现出的热行为( t h e r m a lb e h a v i o r ) 不同，热容增加能够减小 和延迟墙体瞬时热流，但是周期内的平均热流变化不受影响【3 9 1 。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 非固定室温墙体模型针对非空调建筑提出1 2 5 - 2 s l 舡忉。非空调建筑由于室内 空气温度受室外环境影响是随时间而变化的，此时分析墙体传热特性的目的是如 何通过墙体作用调节室内温度在人体舒适范围内变化，如图1 3 b 所示。现有关 于非固定室温模型的研究工作有：b o l a n d 提出了一种更为简单的求解单个墙体 非稳态传热的数学方法 7 j - 2 习。随后l u 采用数学分析方法考虑了单个墙体复合结 构的非稳态传热( 2 6 - 2 s 1 。数值分析方法由于计算方便且解比较直观因此发展相对比 较快。如a n t o n o p u o l o s 用数值求解与实验相结合的方法系统分析了单房间多面 墙体且考虑室内热容的复杂情况，并提出了墙体时间常数( t i m ec o n s t a n t ) 、显热容 积( t t 把a p p a r e n tt h e r m a lc a p a c i t a n c a ) 和有效容积( t h ee f f e c t i v et h e r m a lc a p a c i t a n c e ) 等概念。最近t s i l i n g i r i s 采用室温非固定模型的方法具体分析了不同建筑材料分 别在单面墙体1 2 种复合结构中的传热特性。 这两类模型主要是根据不同的历史时期而产生的。在工业革命后二十世纪中 叶随着动力机械和电力的广泛应用，使得“舒适空调建筑”成为人们追求的目标， 大量兴建的高层和超高层建筑，出现了全封闭的、完全靠空调和照明来维持室内 环境而与自然界隔绝的室内环境。这一时期固定室温墙体模型成为研究墙体传热 特性的主要方法。随着能源危机发生引发人们对人与自然的再思考以及空调建筑 室内空气品质劣化带来的人体不适( 如病态建筑综合症s b s ) ，从而绿色的生态节 能建筑逐渐成为建筑发展的主流，随之研究非空调建筑墙体传热的非固定室温模 型也孕育而生。然而目前至今室温非固定模型仍存在不足或不完善的地方，它 在处理墙内侧边界时采用给定的对流换热系数，简化了室内空气自然对流对墙体 传热的影响，实际室内空气对流强度由于受热浮升力和风压等驱动力的驱动，应 是不断变化的。因此，针对现有室温非固定模型的不足本文提出了一种新的室温 非固定模型。与现有室温非固定模型不同，新的室温非固定模型对墙内侧室内计 算区域采用分布参数的方法处理，不采用给定的对流换热系数和室内温度，相对 更能反映实际室内外传热过程。 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( a ) 室温固定模型 1 3 本文研究内容 图1 - 3 墙体模型示意图 ( b ) 室温非固定模型 本文主要分三部分系统讨论非空调建筑墙体作用特性。首先，是对现有墙体 模型工作的分析与论证。内容主要包括两部分：室温固定与非固定两墙体模型传 热特性分析；新模型特性分析。其次，由单面墙体模型引伸到双面墙体模型。比 较分析新模型方法的双面墙体作用及特性。最后，在以上讨论基础上，分析结合 自然通风效果时墙体的传热特性。 生态节能建筑思想的根本点就是要最大化采用建筑本身的生态平衡来满足 室内热舒适的需求，提高能源利用率，减小建筑对环境的影响。本文的主要工作 是在总结现有墙体研究工作的基础上提出了新的室温非固定模型，并以单面墙体 模型为基础运用于双面墙体的研究及带通风条件房间墙体模型。对现有室温非固 定模型进行完善，同时考虑自然对流和室温非固定的“新非固定室温模型”，为 今后生态节能建筑可持续发展提供理论支持。 6 中南大学硕士学位论文第二章两种建筑墙体模型传热特性 2 1 引言 第二章两种建筑墙体模型传热特性 固定室内温度墙体模型 2 9 - 3 9 1 和非固定室内温度墙体模型i 2 4 - 2 1 1 1 是根据建 筑不同的作用和用途而提出的，人们采用这两种方法对空调建筑和非空调建筑墙 体传热进行了大量的研究并得到了许多非常有指导意义的规律，然而人们关于这 两种模型之间的联系与区别的认识还不足。虽然两种模型的研究目的不同，但是 它们有着本质内在的联系。因此本章的主要目的就是分别以两种模型对同种条件 墙体传热的分析两种不同模型墙体的传热特性。 2 ( a ) 物理模型 图2 - l 单面墙体模型 ( ”计算网格( 1 8 x 3 6 ) 图2 1 所示为本章分析采用的物理模型。取墙体左下角为坐标原点，考虑墙 体高上芦l ，厚度取s = h 5 ，墙内外侧均采用第三类边界条件，上下壁面均为绝热， 这样热只在x 轴方向传递。室外温度为周期性变化温度，室内温度根据两种不 同模型分两种情况进行考虑，室温固定模型中南为给定值，室温非固定模型为随 时间变化的t g r ) 。 7 中南大学硕士学位论文 第二章两种建筑墙体模型传热特性 2 3 数学模型 2 3 1 控制方程 针对前面分析，本章分析固定与不固定室内温度两种模型时均假设墙体无内 热源；热物性参数均为常数；墙体导热过程忽略湿传导及其相变热对墙体的热物 性参数和温度分布的影响。墙体的热传导则可视为一维非稳态的传热过程，两模 型墙体导热控制方程为： ( 孵) ，妾= t 等 ( 2 1 ) 方程中槲体材料导热系数，w ，m k ；一体材料密度，k g m 3 ：o 一定压比 热容，j ( k g k ) 。 2 3 2 边界条件 为求解以上方程，两模型都采用稳态解作为初始解，墙体上、下侧均为绝缘 热壁面，热只沿x 方向传输，墙体内外侧采用第三类边界条件，两模型的边界条 件分别如下： 室温固定模型 在删处一t ( 为。= 吃眈p ) 一_ 。( f ) 】 ( 2 2 ) 在】产s 处一屯f 耋) 。= 趣哆。( f ) 一】 ( 2 - 3 ) 式中t o ( o 一室外大气温度，t o ( c ) = 1 0 c o s ( 面h - ( f 1 5 ) ) + 3 0 0 ，k ；钿( f ) 一为捌 处f 时刻温度，k ；“f ) 一为墙内侧f 时刻温度，k ；f 广为室内空气温度，k 5 而o 一为墙外侧空气对流换热系数，根据文献【7 】，h o - - - 2 3 w m 2 k ：| i l 厂- 为墙内侧对 流换热系数，根据文献【7 】，阮= 8w m 2 k 。 室温非固定模型 在】f 町处 一t ( o = r 一, ) ，l o = g t o c r ) 一。o ( f ) 】( 2 - 4 ) 在j f 谣处 一屯( _ o r , ) 。= | i j i 瞳。( 力一( f ) 】 ( 2 - 5 ) 8 中南大学硕士学位论文 第二章两种建筑墙体模犁传热特性 室内热平衡 4 上( 卢c ，) ，妻= 4 乓k ( f ) 一( f ) 】 式2 - 6 a 可简化为 妻0 = 饥( f ) 一( f ) 】f 式中以力一室外大气温度， f t a r ) = f o x c 0 “箐( 一1 5 ) ) + 3 0 0 ，k ； 钿( o 一为x - - - 0 处随时间变化的温度， k ；拓。一为墙内侧随时间变化的温 度，k ；，刁一为室内空气平均温度，其 迭代初始值为3 0 0 k ；而广一为墙外侧空气 对流换热系数，根据文献【7 】， = 2 3 w m 2 k ；j l f 一为墙内侧对流换热系 ( 2 6 a ) ( 2 6 b ) 数，根据文献 7 】，岛= 8w m 2 k ；广- 为图2 - 2 本文数值解与n i r e 岫l d i 删分析解比较 房间内壁面积，m 2 ； 一为室内计算空间长度尺寸，m ；( p q 厂为空气密度与定 毗躲枫d 嘞= 1 2 3 2 8 8 j m 3 k 卜躲数拈罢，h 。 从以上分析可知，在方程形式上两模型很相似，室温固定模型多了方程2 6 a ， 它们均是描述了非稳态条件下墙体的导热过程，然而所反映的问题却不同。方程 2 - 6 b 表明，当工趋向无穷大时房间空气温度变化为零，也就是说室温此时是固 定不变的，同时这也说明室温固定模型只是温非固定模型的一种特殊情况。 采用隐式微分方法( t h ei m p l i c i tf i n i t e - d i f f e r e n c es c h e m e ) 对以上方程时进行 离散化，为了保证结果的精确性，时间步长a r = 9 0 0 s ，图2 - 2 是本文数值方法与 t h r e l k e l d 4 s 1 分析解比较图，如图所示，本文数值解与分析解拟合得很好，误差很 小，结果基本相一致。 2 3 3 描述尺度 式2 7 为计算墙体延迟时间锄的表达式，它描述室外热传入室内时墙体作 用所产生的延迟效应； 9 中南大学硕士学位论文 第二章两种建筑墙体模犁传热特性 2 。一l 一，。 l 。 2 4 一r o w + l n l ，l 一 ( f ) ，f = o 2 3 0 ：或2 4 ，o 一= l 一 式2 8 为衰减因子厂的表达式，它描述墙内壁温度衰减强度大小，厂越大墙内 壁温度的强度衰减的也越大室外传入室内的热则越小，反之厂越小室外传入室内 的热量则越大。 ，= 竿 ( 2 - 8 ) 式2 - 9 墙内壁平均热流量q ( 0 ，表示室外传入室内的热量，正值表示热由室 内传出室外，负值则是室外传入室内。g ( 力的大小直接反应了房间冷负荷的变化 量。 q ( r ) = 啊m ( f ) 一，( f ) 1 ( 2 - 9 ) a r = k 2 一k i ( 2 - l o ) a a = 4 4 ( 2 - 1 1 ) 上式中一体延迟时间，h ；。广室外温度最大值时刻，h ；而。一内壁温 度最大值时刻，h ；产一衰减因子，衰减因子越大墙内壁温度强度越小，衰减因子 越小墙内壁温度越大；旷固定室温模型墙体延迟时间，h ；屯略厂非固定室温 模型墙体延迟时间，h ；4 厂表示室外温度振幅，k ；彳矿表示墙内壁平均温度 振幅，k ；彳广固定室温模型墙内壁平均温度振幅，k ；一厂非固定室温模型墙 内壁平均温度振幅，k 。 2 4 结果分析与讨论 通过以上分析可知，室内外传热过程与室内空气温度( 蹦f ) ) 、室外环境温度 亿( ) ) 、墙体物性参数及墙体结构和室内自然对流等因素有关。以下分别分析固 定室温墙体模型与非固定室温墙体模型的传热特性。以下的结果均取自解达到稳 定的周期。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章两种建筑墙体模型传热特性 2 4 1 固定室温墙体模型传热特性 从前面分析可知固定室温墙体模型是针对空调建筑房间而提出的，主要目的 是分析不同墙体参数条件下室外因素对室内热负荷的影响。为了减小建筑冷负 荷，空调建筑墙体主要作用则是能够以较强的隔热或保温能力削弱室外传入室内 的热量，减小室外对室内的影响。 w i m k ) 图2 - 3 固定室温模型不同毛的最大q ( f ) c 。i j m 。k l 图2 - 4 固定宣温模型不同g 的最大q ( f ) 图2 - 3 所示为固定室温墙体模型不同恕墙内壁的最大传热量q 。，此时墙体 热容c 产1 0 5j m 3 k 。如图所示，墙体内壁面的最大传热量g 一随着墙体导热能力 增强而增大，g 。受毛影响变化较大。 在k ：1 0w i n k 时，劬。上升幅度很大， 当k , 1 0w i n k 后墙体内壁最大传热量 g 。随屯增大的增加量变小。图2 5 不 同岛的墙体衰减因子厂变化曲线，也说 明墙体传热的强度随屯变化有较大的 变化。当蔚 lw i n k 后延迟时间均近似为o h 。 图2 - 4 是同一个模型不同的墙体熟容c 对应的墙内壁最大传热量g ，此时 中南大学硕士学位论文第二章两种建筑墙体模型传热特性 墙体导热系数岛= o 3w i n k 。如图所示，g 变化对口。影响较小，比较小g 对 应的q 。最大值也只有1 2w m 2 。当g 值较d , i ；t d , 于1 0 5 j m 3 k 时，不同g 对应 的墙体内壁面最大传热量q 变化不大，近似等于1 2w o ，当c ， 1 0 5j m 3 k 后 q ，。随增加大幅减小，最终g = 1 0 7 j m 3 k 时，q 一近似为0w m 2 此时墙体保温 性能很好。同时图2 - 6 又说明墙体的衰减因子随c 变化墙体内壁温度衰减很大， 墙体传热量较小。此时墙体热容对墙体延迟时间影响相对较大。当c s 1 0 5j m 3 k 后，墙体延迟作用增加很快，在热容大于3 x 1 0 6j m 3 k 时，室外热 传入室内的时间也趋向于无穷大。 一 一 口 卫 e i - 图2 - 6 固定室温模型不同g 的延迟与衰减 综上固定室温墙体模型中不同的毛与c j 分析可知，在空调房间中墙体的传 热量主要受墙体导热系数的影响，当墙体导热系数毛小于1 0w i n k 时，不同岛 对应的墙体传热量差别较大，随危i l ow i n k 后墙体的传热能力较大，当随毛 增大的增加值较小。墙体热容c j 是影响墙体延迟作用的主要因素，它对墙体传 热强度影响不大。因此在设计空调建筑时，可以选择岛在1 0w i n k 以下的材料 作为墙体的隔热材料。 2 4 2 非固定室温墙体模型 非固定室温墙体模型主要是针对非空调建筑而占，此时室内空气温度随室外 不断变化而变化，当室外温度t o ( r ) 变化已知时，室内温度“0 主要受到室内计算 区域和墙体参数的影响。此时，通过非固定室温墙体模型分析墙体作用时主要目 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章两种建筑墙体模型传热特性 的是利用墙体延迟作用使通过墙体传入室内的热量能自然满足室内热舒适的需 要，室内平均温度，l 的变化是关键因素。 3 1 2 3 1 0 3 0 8 躺 2 3 0 4 e3 0 2 暑铷 趵s 童2 9 6 2 舛 2 9 2 2 2 髓 t i 埘 图2 - 7 室温非固定模型不同l 的蹦o ( 工单4 - i - ：m ) 图2 7 是室温非固定模型不同计算区域得到的室内平均温度曲线图，此时， 墙体材料参数置，- 0 6w ，m k ，p g 炉1 0 5 j m 3 k 。如图所示，随着房间计算区域 的增加，“f ) 的峰值不断减小，当l = 4 0 0 m 时，t s ( z ) 值在3 0 0 k 附近波动，很明显 工趋向于无穷大时，室内温度将会近似等于3 0 0 k 不变，从式2 6 b 可知随着九的 增加，室内温度变化量则不断减小，当趋向于无穷大时蹦订变化量为零，计算 结果与此结论相符合。这是因为工趋向于无穷大时房间内空气的热容也趋向于无 穷大，此时室外的输入相对室内空气系统没有影响。同时计算区域工对“f ) 的影 响也说明室温固定模型考虑的只是室温非固定模型l = o o 时的特殊情况。 1 3 中南大学硕士学位论文第二章两种建筑墙体模型传热特性 t l h l 图2 8 非固定室温墙体模型不同毛对应的室 内平均温度“订 图2 8 是由非固定室温墙体模型不同岛得到的室内温度f 纠变化曲线，此时 c 1 0 5 j m 3 k 。如图所示，矗受岛影响波动较大。随着墙体导热能力增强墙体隔 热能力不断减小，“f ) 峰值逐渐增大并向t o ( r ) 靠近，两者之间的相位不断减小， 这说明t o ( z ) 传入室内所受墙体的影 响也逐渐减小。当岛= o o lw m k 时 墙体热阻很大此时的隔热能力很强， r 室温 御受室外影响较小，此时可近； 似为室温固定t r = 3 0 0 k 。在妊1 暑 盂 w i n k 时，不同毛之间的室内温度力 相差较大，正如图2 - 9 墙体的延迟与 衰减曲线变化表明此时墙体延迟时 间如瞎和衰减因子，均随墙体导热能力 增强而降低且，下降的趋势很快。惫， l i w l m k ) 图2 - 9 非固定室温墙体模型不同屯的延迟 时间l 塘与衰减因子， w m k 后逐渐趋近于0 与不同岛之间的峰值相位较小相对应，此时以f ) 峰值逐渐向t o ( o 逼近正好也与，趋近于o 的情况相符。 图2 1 0 是由室温非固定模型不同g 得到的室内温度蹦刁变化曲线，此时墙 体导热系数岛= 0 3 w m k 保持不变。从图中可知非固定室温模型的墙体热容g 的作用与固定室温模型的不同，此时墙体的g 对室内温度以力影响也很大。 1 4 m m淞蛳姒；蓦i拼；s i 亳撇抛撇 oi一2暑&e暑 -暑皇芒ee口口凸 中南大学硕士学位论文第二章两种建筑墙体模犁传热特性 下i h 图2 - 1 0 室温非固定模型不同g 的“( f ) 当墙体热容较小，c s 3 x 1 0 4 j m 3 k 后热在墙体停留的时间 越长，联力峰值与室外温度“d 之间的相位差也就逐渐增大，图2 1 l 所示的墙 体延迟作用与衰减效果均是直线上升，直至c r - - 3 x 1 0 6 j m 3 k ，允。趋向无穷和，近 图2 - 1 1 非固定室温墙体模型不同g 的 延迟时间 与衰减因子f 似为l 时以f ) 所变化也趋向一固定值，表明此时室内的温度几乎不用采用其它手 段就可维持在一定值内。与墙体导热系数毛的影响相比墙体热容c j 不但对墙体 1 5 m枷靴粥蛳；i枷獬s触撒踟鹕 oie暑芒墨e暑 中南大学硕士学位论文 第二章两种建筑墙体模型传热特性 延迟作用影响较大而且对墙体传热强度变化的影响也很大。通常对于非空调建筑 墙体的设计时，墙体参数取值时屯取小于lw i n k 而g 应大于l o j m 3 k 范围攻 内的材料比较合适。 从以上非固定室温墙体模型传热特性分析可知，固定室温的墙体模型是非固 定室温模型计算区域趋于无穷时的一种特殊情况，随计算区域增大，房自j 内 空气容积增大，室内平均温度“波动范围越小。墙体导热系数屯仍是反映墙体 隔热能力的主要因素，以f ) 的变化受屯影响较大，当矗 lw i n k 时，室内温度 的强度较小，墙体延迟作用和衰减效果均随k 增大而直线下降。墙体热容g 与 空调建筑室内温度固定时的不同，此时c 不但对墙体延迟作用影响较大而且是 调控墙体传热强度变化的主要手段，非空调建筑墙体热容g 取大于1 0 5j l m 3 k 比 较合适。 2 4 3 两模型比较 表2 1 是不同墙体导热系数岛对应的两模型墙体延迟与衰减作用的区别。从 表中可发现相同毛值对应的室温非固定模型墙体延迟时间相对较长、墙体内壁 平均温度较高。 表2 - i 不同t 时两模型墙体作用的区别 表2 - 2 是不同c 的时两模型墙体延迟与衰减作用的区别。结果表明相同墙体 热容g 值对应的室温非固定模型墙体延迟时阿相对较长、墙体内壁平均温度较 高。 表2 - 2 不同c ：时两模型墙体作用的区别 1 6 中南大学硕士学位论文 第二章两种建筑墙体模犁传热特性 2 5 小结 本章用数值求解的方法，分析了固定室内温度的墙体模型和非固定室内温度 的墙体模型的传热特性。主要讨论了墙体参数和非固定室温模型中计算区域的影 响，由此得出两模型方法的联系与区别有： 相同点 两模型墙体传导方程相同； 固定室温的墙体模型是非固定室温模型计算区域趋于无穷时的一 种特殊情况； 不同点 针对的对象不同，从而求解条件不同； 研究目的不同。固定室温模型计算目的是，选择适当的墙体参数， 使墙体传热量最小，从而降低室内空调负荷；非固定室温模型计算 目的是，选择适当的墙体参数，使墙体可对室内温度进行调节与控 制； 结果不同。固定室温模型中墙体导热系数岛是影响墙体导热系数墙 体换热的关键因素，在设计空调建筑时，选择毛在1 0w i n k 以下的 材料作为墙体材料比较合适；墙体热容g 是影响墙体延迟作用的主 要因素，此时它对墙体传热强度影响不大；非固定室温墙体模型中 以f ) 的变化受毛影响较大，当抟1w i n k 时，室内温度的强度较小， 墙体延迟作用和衰减效果均随岛增大而直线下降；墙体热容g 不但 对墙体延迟作用影响较大而且是调控墙体传热强度变化的主要手 段，非空调建筑墙体热容c j 取大于1 0 5j m 3 k 比较合适。 当墙体导热能力越小时，室温非固定模型的墙体延迟时间比室温固 定模型的长、两模型室内平均温度相差越小；不同墙体热容的两模 型延迟时间差均在1 小时以上，热容较小时两模型所得室温差值越 大。 1 7 中南大学硕+ 学位论文第三章考虑对流影响的非同定室温墙体新模型 3 1 引言 第三