（土木工程专业论文）双层屋面空气层隔热性能计算分析.pdf

摘要 双层屋顶是一种减少夏天太阳辐射热量进入室内的有效的屋顶隔热措施，传 统的措施主要关注屋顶的“构造节能”，在屋顶设置架空隔热板利用空气层隔热， 但是这种做法并没有发挥空气层隔热的潜力，还存在防渗防漏问题。而新型的空 腹结构双层通风屋顶，更有利于发挥结构的力学性能和保温隔热性能，可以集屋 顶建筑功能与结构受力性能于一体。空气层隔热效果的理论研究尚不完善，计算 分析相关设计参数对夹层中的空气流动传热变化影响具有理论意义和工程指导 意义。 本文在阐述了空腹夹层结构双层通风屋顶的保温隔热性能机理和热传导计 算分析方法的基础上，对空腹夹层结构的间距、空气流动速度以及通风方式等因 素对于双层通风屋面的保温隔热效果的影响进行了分析。首先，利用有限封闭空 间内的自然对流理论，分析了封闭空气层热阻计算方法，给出了封闭空气层最大 热阻值理论计算公式。其次，基于普朗特边界层传热理论，归纳推导了在二维稳 态受迫流动情况下双层通风屋顶最优空气层高度的计算公式。最后，建立了双层 通风屋面内空气的温度场和速度场的数值计算模型，用k 一湍流模型模拟双层 通风屋面空气的流动，通过数值迭代计算方法求解了自然对流与强制对流下夹层 区域内速度场、温度场的分布，分析了空气入口速度、双层通风屋面空气层高度 等因素对隔热效果的影响，并与理论推导的最优间距公式计算结果进行了比较， 两者结果较为一致。 计算结果表明，使用双层通风屋面后，空气层带走热量随着间距的增大而增 大，当间距大于0 3 m 的时所带走热量值的变化趋势平缓。同时空气层导热效果随 着环境水平风速的增大而增大，这一变化最终趋于平缓。因而风口的型式、位置 应当尽量设计成使入口风速越大越好，夹层的高度设计应大于空气层最大热阻值 所决定的高度。本文给出的封闭空气层、对流空气层最大热阻值及高度理论计算 公式，可供工程设计参考使用。 关键词：建筑节能双层屋面空气隔热流动换热热传导热阻 a b s t r a c t d o u b l e s k i nd e s i g ni sk n o w na sa ne f f e c t i v ew a yt or e d u c et h eb u i l d i n g ss o l a r h e a tg a i n i nt h et r a d i t i o n ，w ep a ya t t e n t i o nt ot h e “e n e r g ys a v i n gi nt h es t r u c t u r e ”， s e t t i n gt h e r m a li n s u l a t i n gl a y e rt oi n s u l a t e h e a tf r o mo u t s i d e ，b u ti n t h i sw a y ，t h e s t r u c t u r ed i dn o te x p r e s sa l lt h ep o t e n t i a lo ft h ea i rl a y e r ，a n dt h e r ea l s oe x i s tm a n y p r o b l e mo fl e a k i n ga n ds e e p i n g t h ec u b i cs p a c ef r a m ec o n n e c tt h et o pc h o r dp l y a n dt h eb o t t o mc h o r dp l yw i t ht h es h e a rc o n n e c t o r ，i ti sp r o p i t i o u st oe x p r e s st h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h e r m a li n s u l a t i o np r o p e r t y ，i tc a ng a t h e rt h eb u i l d i n g f u n c t i o na n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si ni n t e g r a lw h o l e t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nh e a t i n s u l a t i o ne f f e c to fa i rl a y e ri sn o ty e tp e r f e c t a n a l y z et h ee f f e c to ft h ep a r a m e t e r st o t h eh e a t t h a n s f e rh a v et h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dg u i d i n gs i g n i f i c a n c ei ne n g i n e e r i n g t h i sp a p e rd e s c r i b et h et h e r m a li n s u l a t i o np r o p e r t yo fc u b i cs p a c ef r a m e ， a n a l y z et h ee f f e c t so ft h es p a c eb e t w e e n ，a i rv e l o c i t ya n dv e n t i l a t i o nm o d ei nt h e c u b i cs p a c ef r a m e f i r s t ，u s et h en a t u r a lc o n v e c t i o nt h e o r yt oa n a l y z et h e r m a l r e s i s t a n c eo fs e a l e da i rl a y e r ，a n dt h e o r e t i ca r i t h m e t i cf o r m u l ao ft h eb i g g e s tt h e r m a l r e s i s t a n c ev a l u ei sp u tf o r w a r d s e c e n d l y ，b a s e do nt h eb o u n d a r yl a y e rh e a tt r a n s f e r t h e o r y ，t h e o r e t i ca r i t h m e t i cf o r m u l ao fa i rg a ph e i g h t u n d e rt h ec o n d i t i o no f t w o d i m e n s i o n a lf o r c e ds t a b l ef l o w i n gi sp u tf o r w a r d f i n a l l y ，am a t h e m a t i c a lm o d e l o ft e m p e r a t u r ef i e l da nv e l o c i t yf i e l db e t w e e nt h et h e r m a li n s u l a t i n gl a y e ra n d t h er o o f w a se s t a b l i s h e dw i t ht h es o f t w a r ef l o t r a nb yu s i n gt h el 卜一t u r b u l e n c em o d e l i t e r a t i v ec o m p u t a t i o nw a sc a r r i e do nu n t i lc o n v e r g e n c ew a sr e a c h e dt h e nd e t a i l so n v e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nw a sg a i n e d d i f f e r e n tc o n d i t i o n st h a ti n f l u e n c e t h eh e a tt r a n s f e rb yt h ea i rf l o ww e r ec o m p a r e ds u c ha st h ev e l o c i t yo fi n l e ta i r ， d i s t a n c eb e t w e e no v e r h e a dt h e r m a li n s u l a t i n gl a y e ra n dr o o f , a n ds oo n t h er e s u l ts h o wt h a tb yu s i n gd o u b l e s k i nr o o f , t h eh e a tt r a n s f e r r e db yt h ea i r ， w i l l i n c r e a s e sw i t ht h er i s eo ft h ed i s t a n c eb e t w e e n w h e nt h ed i s t a n c ei sm o r et h a n 0 3m e t e r ，t h ei n c r e a s et r e n do fh e a tt r a n s f e r e di ss l o w l y t h eh e a tt r a n s f e ri sa l s o i n c r e a s ew i t ht h ev e l o c i t yo fa i rf l o w s ow h e nd e s i g n i n gt h ew i n dg a ps h o u l dm a d e t h ev e l o c i t ya sb i ga sp o s s i b l e t h e o r e t i ca r i t h m e t i cf o r m u l ao fs e a l e da i rl a y e ra n d o p e n e da i rl a y e rg i v e do u tb yt h i sp a p e rc a nb eu s e df o rr e f e r e n c ei ne n g i n e e r i n g d e s i g n k e yw o r d s ：b u i l d i n ge n e r g ys a v i n g d o u b l e - s k i nr o o f sa i rh e a ti n s u l a t i o n f l o wa n dh e a tt r a n s f e rt h e r m a lc o n d u c t i o nt h e r m a lr e s i s t a n c e s tt t 独创性声明 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。据我所知，除了文中特别妻羹j 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿态堂或其他教育机构的学 位或证书丽使用过的材料。与我一同工作的弱志对本研究聪做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：谋 签字瞧口驴年 占月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸鎏基茎有关保留、便用学位论文的规定，有 权保留并向黧家有关部f j 或机构送交论文的复印侔稚磁盘，允许论文被查阅秘借阅。 本人授权澈塞三盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，霹以采用影印、缩窝或扫描等复制下段 杲存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学佼论文作者签名：导师签名： 罨 签字弱期： 矿墓年参胄，蠹 签字圜赣： 曙年多冀厂爱 学位论文作者毕业后去向： 工作攀位：电话： 致谢 本论文是在俞亚南老师的悉心指导下，历经近一年的时间完成的。谨此论文 即将完成之际，向俞老师表示衷心的感谢和敬意。俞老师知识渊博，治学严谨。 在工作方面，培养我们具有了较强的动手能力和丰富的工作经验。两年来无论在 学习、工作还是生活上，导师都给予了我大力的帮助和指导，使我能够顺利的完 成硕士阶段的学习和研究工作。同时从导师身上我也学到了许多做人的道理，这 一切对我将来的发展都是一笔珍贵的财富，学生为此倍添感激，并力争在以后的 工作中取得较大的成绩来回报老师的培育之恩。 攻读硕士学位期间，得到了市政所多位老师的帮助和指导，也得到仇敏玉、 徐坚、段园煜、周胤、牛辉、张巍等同门兄弟姐妹的大力协助，这里向他们表示 深深的谢意! 还要感谢我伟大的父母，感谢他们一直以来对我学业的鼓励和支持，多年来 他们始终为我无私地奉献着，我将永生不忘! 最后向所有关心我、支持我和帮助我的家人、老师、同学和朋友表示最诚挚 的谢意，他们的关爱是我人生最大的财富! 赵黎 2 0 0 8 5 于浙大求是园 浙江大学硕1 二学位论文第l 章绪论 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 在世界建筑发展的大潮流中，建筑节能是大家共同关注的热点问题，是建筑 技术进步的一个重大标志，也是建筑界实施可持续发展战略的一个关键环节。发 达国家为此进行了长久的努力，并取得了十分丰硕的成果，而我国建筑节r 3 e s - 作 现状令人堪忧。 近几十年来，由于能源危机和矿物能燃烧过程对生态环境的污染，使得人们 对生产、生活中节能和环保问题十分关注。我国是能耗大国，而且随着采暖空调 建筑的增多，建筑能耗占国民经济能耗的份额与日俱增，建筑节能己成为一个突 出的问题。我国的经济发展一直是资源高消费和以牺牲环境为代价的粗放型增长 模式。缺乏建筑热工和建筑节能方面的研究和相关标准，片面强调降低建筑造价， 造成建筑围护结构过于单薄，门窗缝隙过大，保温、隔热、气密性差，居住环境 差，建筑用能效率低，建筑能源浪费突出，目前的建筑能耗已经占到了我国能源 总消耗的3 0 1 1 , 2 1 其中建筑采暖、空调、照明占1 4 ，建筑建造能耗为1 1 1 ，今后 比例还可能有所上升。目前我国采暖地区能耗为相同条件下欧美发达国家的3 倍 左右。我国与国外先进水平的差距，不仅在材料和技术上，更在于设计水平和标 准的落后上。 房屋建筑是能源的主要消费者，在大多数国家，建筑业消费全国1 3 的输出 能源，在电力使用方面所占比例更高1 。研究和解决以最少的能耗实现最佳的舒 适空间为目的的各种技术问题是暖通空调工程的主要课题之一。综上所述，建筑 节能是贯彻可持续发展战略的重要组成部分，是执行国家节约能源、保护环境基 本国策的重要组成部分，是世界建筑发展的大趋势，是改善人民居住环境的需要。 建筑设计怎样在保证健康和舒适的条件下，做到降低能耗、保护环境，长期以来 一直是专家们研究讨论的课题。建筑节能的最终目的是以最少的能耗，最有效的 能源利用率实现最佳的舒适的居住空间，而建筑节能的一个重要方面就是通过围 护结构的通风、保温、隔热，来提高能源的使用效率，减少能量的损失，本文就 是通过对通风屋顶的保温隔热方面性能的研究来探索建筑节能的新途径。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 我国建筑节能现状 建筑节能已是国家的重大战略问题。如果国家从现在起就下决心抓紧建筑节 能工作，对新建建筑全面强制实施建筑节能设计标准，并对既有建筑有步骤地推 行节能改造，则到2 0 2 0 年，我国建筑能耗可减少3 3 5 4 l 吨标准煤，空调高峰负荷 可减少约8 0 0 0 万千瓦时( 约相当于4 5 个三峡电站的满负荷出力，减少电力建设投 资约6 0 0 0 亿元) 砧1 ，由此造成的能源紧张状况必将大为缓解。如果再加大工作力 度，要求2 0 2 0 年建筑能耗达到发达国家2 0 世纪末的水平，则节能效果将更为巨大。 但如果继续放任自流，错过当前这段大好机遇，不采取坚决有效的措施，则将长 期大大加重国家能源负担，对我国经济社会的可持续发展产生严重障碍，对能源 安全和大气环境造成重大威胁。 1 2 1 能源结构 我国人口众多，能源资源相对缺乏。自然资源总量排在世界第七位，能源资 源总量约4 万亿吨标准煤，居世界第三位。我国人均能源占有量约为世界平均水 平的4 0 1 。 1 2 2 建筑能耗 目前，我国绝大多数采暖地区围护结构的热功能都比气候相近的发达国家差 许多，外墙的传热系数是他们的3 5 - 4 5 倍，外窗为2 - 3 倍，屋面为3 - 6 倍，门窗 的空气渗透为3 - 6 倍。现在，欧洲国家住宅的实际年采暖能耗已普遍达到每平方 米6 升油，大约相当于每平方米8 5 7 k g 标准煤，而在我国，达到节能5 0 的建筑， 它的采暖耗能每平方米也要达到1 2 5 k g ，约为欧洲国家的1 5 倍6 1 。 尽管我国人均用能不及世界平均人均能耗水平的一半，能源消费总量已达世 界第二。在我国北方地区，建筑采暖能耗占当地全社会能耗的2 0 以上，采暖期， 当地空气中的c o ：排放量明显高于非采暖期；全国城市居民空调安装率已从1 9 9 1 年的o 7 1 发展到1 9 9 9 年的2 4 4 8 ，建筑用能己达全社会能源消费量的2 7 6 ( 发 达国家的建筑用能一般占全社会能源消费量的1 3 左右) 【7 1 。 随着我国经济持续快速稳定增长，建设事业发展迅速。至j j 2 0 lo 年，城镇人均 建筑面积将达n 2 6 平方米，农村人均建筑面积将达到3 0 平方米。随着人民生活水 平的逐步提高，对住宅的舒适度要求也越来越高，将增加采暖和空调设施，建筑 2 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 能耗必将大幅度增加，建筑能耗占总能耗的比重也会越来越大。近年来，我国建 筑规模迅速扩大，现在一年建成的房屋建筑面积，比所有发达国家一年建成的房 屋建筑面积的总和还要多一1 。 房屋在约1 0 0 年左右的使用期间内，需要不断消耗大量的能源，主要用于采 暖、空调、通风、热水供应、照明、炊事、家用电器等方面。如果浪费能源的房 屋建得越多，遗留下来的能源消耗的负担就越发沉重。建设部等相关部门制定了 建筑节能管理办法，编制了一批建筑节能设计标准，北京、天津、上海、山东、 江苏和唐山、武汉等地己大批建造节能建筑。但是，从总量上来看，到目前为止， 不仅既有的4 0 0 多亿平方米城乡建筑中的9 9 为高耗能建筑n 1 ，新建的数量巨大的 房屋建筑中，9 5 1 ) f l , 上还是高能耗建筑。单位建筑面积采暖能耗高达气候条件相 近的发达国家新建建筑的3 倍左右。 发达国家从1 9 7 3 年能源危机时就开始关注建筑节能，之后由于减排温室气 体、缓解地球变暖的需要，更加重视建筑节能。在生活舒适性不断提高的条件下， 新建建筑单位面积能耗已减少到原来的1 3 - 1 5 ，对既有建筑也早已组织了大规 模的节能改造，而我国建筑节能工作总体上却行动迟缓，至今城镇建成的节能建 筑仅占城镇建筑总面积的2 h 1 。 住宅节能是我国建筑节能的重要组成部分。截至2 0 0 0 年底，全国既有房屋建 筑面积，城市已达到1 0 0 亿平方米。其中能够达到采暖建筑节能设计标准的仅占 全部城乡建筑面积的0 6 ，占城市房屋建筑面积的2 3 。而约2 1 0 4 l 平方米的既 有住宅建筑存在着保温隔热性和气密性差、供热系统热效率低下等问题哺1 。 1 2 3 建筑能耗增长的原因 随着人民生活水平的提高，建筑能耗必然较快增长。首先，房屋建筑继续增 加，近几年每年每人平均新增房屋面积1 3 - 1 5 平方米；人口也在不断增加。城 市化不断加快平均每年有1 5 0 0 万以上的农村人口向城镇转移。其次，人们对建 筑热舒适性的要求越来越高。现在空调制冷范围已从公共建筑扩展到居住建筑， 从南方扩展到北方。随着某些村镇的渐趋富裕，空调和采暖将在许多村镇逐步得 到发展，使用采暖和空调的时间也在延长。 在建筑能耗中，冬季采暖与夏季空调，是造成电力负荷峰谷差最主要的因素。 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 2 0 0 2 年夏季降温，全国各电网空调制冷负荷共达4 5 0 0 万千瓦。2 0 0 3 年夏季，高温 酷暑，多数电网负荷又连创历史新高，全国电网差不多全面告急，至少有1 0 个省 市仍不得不拉闸限电，各电网高峰负荷中约有1 3 都属于空调制冷负荷1 0 1 。 随着空调的快速发展，预计到2 0 2 0 年，全国制冷电力高峰负荷将会翻两番， 即达到约相当于1 0 个三峡电站的满负荷出力“3 ”1 。由此可见，如果单纯采取增建 电力设施的做法，随着空调的不断增加，电力工业的峰谷差必然更加扩大，致使 高峰用电问题愈益严重。只是为了保证高峰期间用电，许多昂贵的电力设施大部 分时间都处于闲置状态，这是极其浪费的，其成本的摊销又会使电价抬高。空调 如此，采暖也只是用在冬天一段时间内。 1 2 4 建筑节能的构造措施 开展建筑节能，可从源头上“釜底抽薪”，把建筑空调、采暖和家电能耗大 大降低下来，是最经济有效的办法。现在常用的建筑节能构造措施主要从墙体、 屋顶、门窗以及地面保温隔热措施等几个方面着手，其中墙体和屋顶的保温隔热 措施是从构造措施上进行建筑节能的最主要的两个方面，本文主要介绍建筑屋顶 的隔热措施。 1 3 屋顶隔热方法 建筑空间内外的能量主要是通过包括屋顶、墙体、门窗等在内的维护结构进 行交换的，如通过降低物体表面温度的措施来降低室内环境温度就是建筑节能中 有效可行的方法，即：建筑隔热“9 1 。提高建筑隔热效果来降低建筑物温度的新用 途除了具有节能效果外，还有利于减轻城市温度在夏季异常升高的热岛效应。建 筑隔热保温是节约能源、提高建筑物居住和使用功能的一个重要方面，主要任务 就是减弱室外热作用，改善室内热环境。其中，建筑屋顶受到夏天太阳直射，尤 其是我国南方地区，是建筑热负荷的一个重要方面，是建筑隔热节能设计中应该 着重考虑到的一个方面。在我国，对于屋顶保温隔热主要从保温隔热材料、特殊 构造、屋面生态方法、屋面结构措施等几个方面着手。 1 3 1 利用建筑材料性能隔热 从屋面材料的保温隔热性能入手，最主要的方法是反射隔热。传统的隔热层 隔热方式只是一定程度上延缓了建筑物内部温度的上升和下降，且增加了建筑材 4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 料的耗用。而反射隔热、屏蔽太阳热辐射是一种新型的、重要的隔热方式，可以 解决太阳辐照下众多厂房及住宅屋面墙面铺设黑色防水层带来的内部高温。尤其 在炎热的夏季，能够有效的降低太阳辐照下涂料封闭体内的温度 1 。 1 3 2 利用屋面特殊构造方法隔热 蓄水隔热是很常见的也很有效的一种屋面隔热方法，就是在刚性防水屋面上 蓄一层水，水的热稳定性和蒸发散热性较好且比热较大，对太阳辐射有一定反射 作用，蒸发时带走大量水中的热量，直接消耗晒到屋面的太阳辐射热，从而有效 地减弱屋面的传热量和降低屋面温度，是一种较好的隔热措施1 0 1 。 倒置式屋面也是利用屋面特殊构造方法隔热的有效措施，倒置式屋面是与传 统屋面相对而言的。所谓倒置式屋面，就是将传统屋面构造中的保温层与防水层 颠倒，把保温层放在防水层的上面。倒置式屋面中，特别强调了“憎水性”保温 材料，工程中常用的保温材料如水泥膨胀珍珠岩、水泥蛭石、矿棉岩棉等都是非 憎水性的，这类保温材料如果吸湿后，其导热系数将陡增一1 。 浅色坡屋面是一种将屋面反射隔热与屋面特殊构造隔热结合的一种方法，目 前，大多数住宅仍采用平屋顶，在太阳辐射最强的中午时间，太阳光线对于坡屋 面是斜射的，而对于平屋面是正射的，深暗色的平屋面仅反射到3 0 的日照，而 非金属浅暗色的坡屋面至少反射6 5 的日照，反射率高的屋面大约节省2 0 - 3 0 的能源消耗。因此，平屋面的隔热效果不如坡屋面，浅色坡屋面的隔热效果更 好n ”1 。 1 3 3 屋面生态节能措施 屋面生态节能措施也是一种屋面特殊构造隔热，最常用的是屋面绿化隔热， 绿色植物能有效地改善城市微气候，有效地阻挡太阳辐射，同时产生降温增湿效 应。屋面空间绿化指利用绿色植物具有的光合作用能力，在不同的地区，针对太 阳辐射的差异，选择不同品种的植物进行屋面种植。绿色植物的种植不仅可以避 免太阳光直接照射屋面，而且由于植物本身对太阳光的吸收利用、转化和蒸腾作 用，大大降低了屋顶的室外综合温度。同时利用植物培植基质材料的热阻与热惰 性，可以降低内表面温度，从而减轻了对顶楼的热传导 1 1 1 。 稻草板屋面是另一种屋面生态措施隔热，稻草板是以洁净的天然稻草或麦草 5 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 为主要原料，经加热挤压成形，外表粘贴面纸而成的。具有轻质高强、保温隔热 的特点，是节能建筑中良好的屋面材料。稻草板屋面有很多优点，最主要的是保 温、隔热性能良好，用其建造的住房冬暖夏凉川。 太阳能屋面，在工业文明高度发展、科技突飞猛进的今天，环境污染、全球 温室效应、厄尔尼诺现象等使人类陷入两难困境。众所周知，常规能源发电给环 境造成了严重污染，因此清洁能源的利用受到许多国家政府的高度重视和支持。 太阳能取之不尽、用之不竭，不使用燃料，不产生废料，是最清洁的能源，因而 受到极大关注。太阳能屋面通常是指安装有太阳能热水器或太阳能发电系统的屋 面川。 1 3 4 利用结构性能隔热 传统的结构措施隔热是用架空板隔热屋面，是指在已经做好防水层的屋面 上，架设平板通风隔热层1 ，并设置通风屋脊，设置进风口等，使屋面不被太阳 直射，并通过隔热板和屋面之间的空气间层进行隔热和节能。这种隔热方式施工 简单，对屋面结构荷载增加不大，重量轻，隔热效果好，且板底具有合理的排气 结构，又有一定的保湿作用一1 。 空腹夹层结构保温隔热，这是一种新型的利用屋顶结构性能隔热的方法，空 腹结构在上、下肋板之间形成的空腔具有建筑的保温隔热功能，夹层中间形成封 闭空气层或者通风空气层，利用空气层的对流换热以及空气流动带走热量以达到 保温隔热的效果，这正是本论文研究的主要内容。 1 4 空腹夹层结构的保温隔热性能 1 4 1 传统架空板隔热屋面做法及存在的问题 传统的屋顶节能措施主要关注屋顶的“构造节能”，但传统的构造做法并没 有充分发挥出“构造节能”的潜力。例如，在夏热冬冷地区，一般的屋面构造做 法无论从保温或隔热的角度来讲，其节能效率都不是很高，效果也不甚佳。与其 它楼层相比，顶层的房间通常夏季温度更高，冬季温度更低，降温采暖的能耗更 大。所以需要进行更深入的研究，对传统构造做法进行组合改进，综合优化，使 “构造节能”在建筑整体节能中发挥更大的作用“。 6 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 图1 1 为传统的做法，该方法在结构层上支砖墩，砖墩上搁置预制小板，在 预制小板与结构层之间形成了空气层以达到隔热之效果。但是这种做法存在一些 问题，首先它不适用于上人屋面；其次，随着 使用年份的增加，预制小板多有断裂、毁坏等 现象；再者，小砖墩及其上的预制小板增加了 结构层的负荷量。屋顶作为主要的围护结构， 除了肩负着保温隔热的作用之外，还起着更为 重要的防水、防渗的作用，目前屋顶的渗水、 漏水是工程技术人员力图彻底解决又仍未完 成的一大难题“1 2 1 。 r 最翻隔热板 一水泥砂袈拽平墨 卜防水履 一水泥砂酚囊投平蔗 1 4 2 空腹夹层结构构造及其保温隔热方面的应用 图1 1 屋顶架空隔热层 空腹结构在上、下肋板之间形成的空腔具有建筑的保温隔热功能，如图1 2 所示。从结构受力性能分析，该 空腹结构的整体弯矩转化为上、 下肋板的压、拉轴向力，结构具 有更大的刚度。因此只要通过合 理的计算，该结构完全可以承受 上人屋面等各种荷载的作用。空 腹结构的上、下肋板均为结构的 组成部分，从屋顶防水，防渗来 看，这种结构体系具有双重的防 水、防渗防线。 ；、太阳辅射热剪力键 、治 o ，r w = 厂o ) 特殊情况为物体表面上的温度到处一样，并不随时间变化，即l = 常数。 第二类边界条件为给定物体表面热流密度的分布随时间的变化，其函数关系 式为： 舢，一七( 鲁) 。训 特殊情况为热流密度为常数，即吼= 常数，若边界处为绝热面，则q ，= 0 。 第三类边界条件为给定物体表面上的对流换热系数h 和周围流体的温度t 。 这类边界条件又称为对流边界条件，特殊情况为h 和t 。均为常数。根据热平衡原 理，第三类边界条件可表示成导热量与表面温度的函数，其函数关系式为： 一七( 鼍) 。叫l 吲 第三类边界条件在一定条件下可转化为第二类边界条件。 2 3 2 对流换热的基本微分方程 对于本论文所涉及到的对流换热中，由于流体的速度场不依赖于温度场，因 此可由能量微分方程单独描述其对流换热的微分方程。不可压缩流体的能量方程 浙江大学硕士学位论文第2 帝建筑围护结构的传热原理 可表示为： 丝：a v ：丁- t 上 一2v 。一 d t p cp 2 4 本章小结 ( 2 6 ) 本章介绍了导热问题求解的基本数学知识和原理。介绍了屋顶隔热的现行规 范的设计要求，同时介绍了导热、对流、辐射传热的基本原理，以及导热对流的 基本微分方程，为下面几章的空气层导热计算模型的求解打下基础。 浙江大学硕士学位论文第3 章封闭空气层热阻的求解方法 3 封闭空气层热阻的求解方法 空气间层的传热过程与固体材料层内不同，固体材料层内是以导热方式传递 热量的，而在空气间层中，导热、对流和辐射三种传热方式都明显存在，通风空 气层利用气体的导热性差，以及空气流动带走热量来进行隔热，而封闭空气层利 用空气的导热性差及封闭空间内空气对流作用达到隔热效果，本章介绍热阻的求 解方法及其最大热阻和最优间距的理论解，为后面的通风空气层的计算以及两种 情况的对比打下基础。 3 1 空气问层对热工性能的影响 3 1 1 不同厚度的单层空气间层的热工性能 传统建筑热工理论认为，一般建筑材料的保温隔热性能与其分子结构、容重 及应用环境的温湿度有关，辅助一定的空气间层，可以使建材及其制品达到较好 的保温隔热效果。不同材料和不同空气间层形式都会影响其制品的传热系数，目 前使用较好的轻质材料和多孔洞砌块或空心砖，就是较好地利用了材料及空气间 层的保温隔热性能。 对于不同位置、热流情况和材料特性的空气间层，随着空气问层厚度的增加， 空气间层的热阻基本上也是增加的，但这种增加是非正比关系的。当空气间层厚 度达到6 0 咖以上时，由于对流换热的增加，空气间层的热阻将趋于稳定不变的状 态。 3 1 2 空气间层保温隔热原理 空气间层传热过程实际上是在一个有限空间内的两个表面之间的热转移过 程，包括对流换热和辐射换热。因此，空气间层不像固体材料层那样，当材料导 热系数一定时，材料层的热阻与厚度成正比。空气间层其热阻主要取决于间层两 个界面的空气边界层厚度和界面之间的辐射换热强度，所以，空气间层的热阻与 间层厚度之间不存在成比例增长的关系。现就空气间层中的对流换热和辐射换热 分述如下。 在有限空间内的对流换热强度，与间层的厚度、位置、形状和间层的密闭性 等因素有关。在空气间层中，当间层两界面存在温差时，热表面附近的空气将上 2 0 浙江大学硕士学位论文 第3 章封闭宅气层热阻的求解方法 升，冷表面附近的空气则下沉，形成一股上升和一股下沉的气流。当间层厚度较 薄时，上升和下沉的气流相互干扰，此时气流速度虽小，但形成局部环流而使边 界层减薄，相对于开敞空间的壁面边界层而言。在水平空气间层中，当热面在上 方时，间层内可视为不存在对流。当热面在下方时，热气流的上升和冷气流的下 沉相互交替形成自然对流，这时自然对流换热最强。 通过问层的辐射换热量，与间层表面材料的辐射性能、黑度或辐射系数和间 层的平均温度高低有关。对于普通空气间层，在总的传热量中，辐射换热比例很 大，通常都在总传热量的7 0 以上。因此，要提高空气间层的热阻，首先要设法 减少辐射换热量。将空气间层布置在围护结构的冷侧，降低间层的平均温度，可 以减少辐射换热量，但效果不显著。最有效的是在间层壁面上涂贴辐射系数小的 反射材料( 常用铝箔) 。空气间层设计在保温节能墙材及屋面中的应用由于空气间 层具有较好的保温隔热效果，所以在建筑设计中常利用封闭的空气间层作为围护 结构的保温层。 3 2 三种热传递方式对封闭空气间层的传热的影响 静止的空气介质导热性很小，在建筑设计中常用封闭间层作为围护结构的保 温层。空气问层的传热：是有限空气层的两个表面之间的热转移过程，包括热传 导、对流换热和辐射换热。 空气间层的热阻主要取决于间层两 个表面间的辐射和对流换热的能力；即取 决于表面材料的辐射系数、间层形状、厚 度、设置方向( 水平或垂直) 及间层所处的 环境温度。 垂直封闭空气间层辐射与对流传热 量的比较如图3 1 所示： “1 ”线：表示间层空气静止态纯导 热量，可以看出纯热传导所传递的热量所 占的比例非常小，图中间距大于1o c m 时热 流密度仅达到0 1 w m 2 左右。 2 l 图3 1 空气层内三种热传导方式所传 递的热量 浙江大学硕士学位论文 第3 章封闭空气层热阻的求解方法 “2 ”线：表示间层空气对流换热量，对流传递的热量约占3 0 ，图中间距 大于1o c m 时热流密度达到1 5 w m 2 左右。 “3 ”线：表示间层空气的总的传热量，辐射换热量占总换热量的7 0 ，图 中间距大于1 0 c m 时热流密度达到5 5 w m 2 左右。 “4 ”线和“5 ”线：分别表示铝箔加在上下表面时的热流密度变化关系。 由上图分析可以看到，空气层所传递的热量所占比例最大的是辐射传热，其 次是对流传热，影响最小的热传导。从图3 1 可以看出，由于建筑所处的环境不 能随意改变，为了减少空气间层传热，提高间层热阻，在间层壁面上涂贴辐射系 数小的反射材料是一种很有效的方法，目前建筑中采用的主要是铝箔，而铝箔设 置的最佳位置在空气层下表面。 3 3 封闭空气层热阻计算公式推导 封闭空气层的保温机理已被建筑热工界所认知，空气层热阻在一定的边界条 件下存在最大值，而迄今尚未见到关于探讨双层屋顶最大热阻值问题的文献。 3 3 1 空气层热阻公式的推导 对于封闭的空气层，研究其传热问题是从理论和实验两个方面进行的。在理 论上通过空气层的传热量是由三部分组成，即空气分子的导热、夹层内侧壁面之 间的辐射换热和夹层内空气的自然对流换热。 在稳态条件下，可表为： ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 1 ) 夹层空气导热系数入a 夹层中空气的导热系数是随着空气本身温度的变化而变化的，通常在热工计 算时采用以夹层内部定性温度值来确定夹层空气的导热系数，而当上下壁面温差 较大时，传热系数入。差别不大，而这一差别对于最终求解的热阻值影响更小， 2 2 以了 d 一以 弓 惫 生j 一屯 互j 上k = = 肌 或 瓜 浙江大学硕士学位论文第3 章封闭空气层热阻的求解方法 所以这一定性温度一般可取两界面温度的平均值，即有下式确定： 乙= 圭( + 如) ( 3 3 ) 在t 。值确定后，便可由表3 1 幢确定出入a 值。 表3 1 空气导热系数入a t 。 一5 0一2 00102 03 04 0 入o 0 2 0 3o 0 2 0 30 0 2 3 70 0 2 4 5 o 0 2 5 20 0 2 5 3o 0 2 5 6 。w ( m k ) - 1 ( 2 ) 夹层空气对流当量导热系数入c 经实验得出的结论为： 五= 0 9 4 2 d 3 胆a t 2 ( 3 4 ) 式中： a t = t l - t 2 ( 3 5 ) ( 3 ) 夹层的辐射当量导热系数入r 入r 可根据夹层两壁面辐射换热过程推求。夹层的辐射换热量为： ”c 患) 4 - 彘) 4 】 ( 3 6 ) 整理成辐射当量导热量形式为： 铲鲁仁鲁( t l - t 2 ) ( 3 7 ) 于是寺( i 廿c i ( 南4 一( 斋4 】 4 = c ( 互2 + 互2 ) ( 石+ 互) x 1 0 8 d ( 3 8 ) 其中，c 7 的值根据夹层表面辐射特点，按无限大平壁平行放置状态推导得： 浙江大学硕士学位论文 第3 章封闭空气层热阻的求解方法 c 2 盎 q岛 式中：晶，占，二一上下表面的热辐射率； c 。一一黑体辐射系数，c 。= 5 6 7 w ( m 2 k 4 ) 。 如令： 弘( r 1 2 + 互2 ) ( 互+ t 2 ) x 1 0 8 则( 3 8 ) 式又可以简写为： 以= c g d 3 3 2 最大热阻的理论解 现将( 3 4 ) 式、( 3 1 1 ) 式代回( 3 1 ) 式可以得到： ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 磁：互+土o942d32ty2+三c-fd：无di+o942d1，2f12+cf(312)ddd 口 将( 3 1 2 ) 式两边对d 求导得： 警一矿2 + 半扩 二次求导得： 簪抛一半扩 d k k = ：0 d d 则有： a 0 = ( 1 6 5 乃2 仃) a t 一仃 将( 3 1 5 ) 式代入( 3 1 4 ) 式 ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 等= 2 1 6 5 矿3 ) 矿3 】- 3 - 0 9 4 4 2 ( 1 6 5 矿3 ) 乃 - 3 2 a t l 2 = 0 3 3 4 a t 。 上式即表明k f f ( d ) 在d 。处有极小值，将( 3 1 5 ) 式代到( 3 1 2 ) 式便可解出最小 2 4 浙江大学硕士学位论文第3 章封闭空气层热阻的求解方法 导热系数的解为： k k , i i i & x = 丽暴矿+ 0 9 4 2 ( 1 6 5 乃2 3 a t - t 3 ) l 2 a t l 2 = 1 8 2 3 出“( 3 1 6 ) 从而得空气层的最大热阻解为： 心一= i ( 1 8 2 3 x - 石a t + c f ) ( 3 1 7 ) 空气层出现最大热阻表明空气层的保温隔热功能处于最好状态，在空气层两 侧夹壁表面温度一定时，必有一个最大热阻值r 。，。，存在，这个最大值也只有在 ( 3 1 5 ) 式确定的d 。间距下才能存在。 但对于不同的壁面温度，这个d 。又是变化的。下面以定性温度t 。来约束d 。进 行讨论。 将( 3 1 5 ) 式写成： d o = c a t 一1 7 3 ( 3 1 8 ) 式中： c = i 6 5 l 2 7 3 ( 3 1 9 ) 由表1 可取各种定性温度下的入a ，进而算出c 值，得c 值变化的平均值为 c = 0 13 3 。这样，0 13 3 所对应的入a = 0 0 2 2 9 ，由( 3 1 8 ) 式得： d o = o 1 3 3 a t 一1 7 3 ( 3 2 0 ) 从而又得： 一= 1 ( 0 5 1 7 瓶+ c f ) ( 3 2 1 ) 由此可见，计算空气层的最大热阻可用( 3 2 1 ) 式，确定空气层的最佳间距可 用( 3 2 0 ) 式表示，图3 2 表示d 。与at 的关系曲线，从式( 3 2 0 ) 及图3 2 可以看到 空气层的最优间距与上下壁面温差有关，温差越大壁面最优间距越小，这是由于 在间距大干一定值的时候，空气导热对于热阻的影响变小，对流换热成为影响热 阻的主要因素，而温差越大越有利与对流换热的进行，此时，只有在间距减小时 其热阻值才能达到最大。 从式( 3 2 1 ) 可以看到封闭空气层的热阻不仅与两壁面的材料有关，而且与壁 2 5 浙江大学硕士学位论文第3 章封闭空气层热阻的求解方法 面之间的温差大小有关，同时还与两壁d o ，血叫。 面的平均温度高低有关。上下壁面的温 0 儡 差主要影响空气对流换热，温差越大对 流换热的效果越好，则空气层隔热的效 。脚 果就越差，对应热阻越小，上下壁面平 0 d 4 均温度影响中间空气层的平均温度，而 空气的导热系数随着温度的升高而增 0 0 2 大，与之对应热阻就减小。 。 3 3 3 算例分析 01 0加 加如 a t k 现以常见的屋顶封闭隔热空气层 为例，取双层屋顶的空气层上下表面的温度分别为3 3 0 k 、3 1 0 k ，上下表面的热辐 射率蜀，岛分别取混凝土的热辐射率o 9 4 。 按式3 2 0 求得最佳间距d 。： d o = 0 1 3 3 木( 3 3 0 3 1 0 ) 一1 门= 0 0 4 9 m = 4 9 c m 按式3 2 1 求得最大热阻r 。，： r r = 1 ( o 5 1 7 瓶+ c r ) = 1 ( o 5 1 7 宰v 3 3 0 - 3 1 0 + 5 0 3 枣1 3 1 2 ) = 0 1 2 5 m 2 0 k w 其中： 2 = 三= s + 一l 0 9 40 9 4 f = ( 3 3 0 2 + 3 1 0 2 ) ( 3 3 0 + 3 1 0 ) x 1 0 一= 1 3 1 2 k 3 由以上算例可得双层屋顶封闭空气层的最优间距为4 9 c m ，最大热阻值为 o 1 2 5 m 2 k w 。从该算例的计算结果以及图3 2 中可以看出，当上下表面温差在5 k 以上的时候空气层的最优间距值最大不超过1 0 c m ，当上下表面温差取双层屋顶常 见的温差2 0 k ”时，其最优间距值已经较小( 小于5 c m ) 。 3 4 本章小结 本章从封闭空气层对建筑热工性能的影响出发，简单分析了空气层保温隔热 9 r 浙江大学硕士学位论文 第3 章封闭宅气层热阻的求解方法 的原理以及三种基本热传递方式对于封闭空气层传热的影响，并从空气层传热机 理出发，推导了空气层热阻的理论解，在理论上证明了空气层的热阻在壁面温度 及壁面材料一定时存在最大热阻，在壁面温度一定时，空气层存在一个使热阻最 大的最佳间距。 浙江大学