对具有通风性能的墙的调查研究.doc

能源和建筑 43 (2011) 21672178内容列表可以在 科学指引(数据库） 能源和建筑 期刊主页 : /locate/enbuild对具有通风性能的墙的调查研究 机械工程学系,斯特拉斯克莱德大学,詹姆斯威尔建筑 环境工程部门,德谟克利特斯大学建筑部门 ,可再生能源的核心利用(CRES) 文章信息：2010年9月10收到修订后与2011年2月18收到2011年四月二十六采纳关键词:通风墙实验性能热及气流模拟摘要：对环保、节能建筑需求的设计已经引发了新的幕墙技术的诞生,包括各种配置的双面外墙。 本文旨在探讨具有热工性能的通风墙,以及对其的加热和冷却。一个对热的分析已经进行过了,特别关注的对流换热特性在露天通道所产生的buoyancyinduced流,证明了在通风墙的性能上以上是一个至关重要的地方。一个完整的热量和空气流模型在整个系统上进行了升级。模型墙的建立和开发是在ESP-r系统下进行的，检查和实验数据是在一个real-scale测试房间进行的。 对辐射墙对热效益增加也进行了研究。结果表明,在这一层对能量绩效的建立是有利的。同时,对比实验和模拟结果表明在夏天夜晚的时候实验结果与预期相符。还进行了敏感度分析,以便探讨通风墙内部的温度变化的主要因素和影响的程度。 1、介绍 近年来现代化建筑建设的优先权有了改变。目前人们舒适和健康的工作环境是建设的重点,以及高效的能源效率,这些是一个建筑师必须考虑。双层外墙的建筑与密封的建筑不同,往往不会创建一个室内与室外环境之间的绝对障碍。如今不同种类的双层墙被用作建筑的外表，目的是减少建筑对能源的需求和改善 其美学外观。通风墙是双层表面墙但它不同与一般墙的建设和运行模式。一个双层通风玻璃幕墙外部层通常是透明的,有通风管道等以便让外墙与内墙之间的空气可以通过气孔进行循环这样的建筑时可能的。相比而言，通风孔只在外墙而且不透明的通风墙，外墙的空气是通过内外墙之间的气孔进行循环的。 有许多不同的施工是用来减少建筑物的耗能。在一个具有较高太阳辐射的地区，如南欧，利用通风结构是墙体外表的温度与大楼内部的温度相近。通过这样的方法是墙体外表面接受的太阳辐射大量的减少。这种技术的应用可以大量的减少整个建筑外表面的温度。在加热期间对通风墙也是有利的,因为白天通过传导和对流换热使他们的温度增加,在夜间他们保持气孔的温度而且高于环境的温度,从而减少了结构的热量损失。 对通风墙1和双层外墙建筑 2-4的研究，证明了他们能够大大降低建筑物的空调冷负荷。这种结构的可行性会应用于地中海主体区域其他研究当中5,6。数值方法已经被应用，是为了找到最适合的操作机制,特别是对气孔层7 - 9。通风墙配备一个不透明的外部层也被研究。目的是为了明确在众多建筑材料的参数中它作为外部层的结构是更有效的10。 术语 热扩散系数(m2/s) 气体膨胀系数(K1) 恒压比热容(J /kg K) 气体流量(kg/ s) 重力加速度(m /s2) 墙高(m) 通道墙表面对流换热系数(W/m2 K) 外部表面对流换热系数(W/m2 K) 内部表面对流换热系数(W/m2 K) 墙的高度(m) 导热系数(W / m K) 壁厚(m) 努谢尔数 普朗特数 密度(kg/m3) 雷利数 雷诺数 通道宽度(m) 时间(s) 室外空气温度(C) 空气通道表面温度(C) 房间气温(C) 管道壁温(C) 管道入口温度(C) 流体温度(C) 运动粘度(m2 /s) 风速(m / s) 窗口宽度(m)环境条件对通风墙的组件性能具有很大的的影响,气孔的几何特征、气流的状态,空气进口边界条件,建筑材料的类型和应用。本文介绍了在夏季和冬季的条件实测和模拟两个热空气流动行为对通风墙结构的影响。 2、目标和方法 通风墙的一个模型安装在一个小房间,为了模拟了其热性能的影响,并探讨不同的几何参数对其性能的作用。模拟结果与通风墙组件测试在真实的气候条件下得实验数据的比较。研究两种类型的通风墙元件:“典型的通风墙和升级通风墙”。他们区别是升级的通风墙存在混凝土底板与空气通道之间有一个额外的薄辐射薄膜。这两种类型的墙在室外的小房间里进行了测试。所有的气象条件（环境温度,风速,风向,相对湿度、太阳辐射)和实验数据(温度和风量内的空气数据需要带)都被记录。所知道的详细的建筑数据,结合变边界条件下上的测试以及内部条件提供创建一个详细的仿真模型的条件和预测性能与比较通风墙结构的对比数据。这产生的模型可以用来确定各种配置优势和不足,研究在全面通风墙建筑物和在不同的气候下得使用。3、空气流动和传热模型在通风墙、传热和流体流动紧密耦合现象。用同样的方法同时计算得出的外部和内部壁面温度、对流换热系数空气流速。分析了一个空气通道内的空气流动和传热现象,包括许多相关性被选择参与对流系数的内部和外部表面的气孔。对室外空气管道方程的逐步调整。这些方程是关于通路与通风墙的传热传质过程的开放的垂直空气之间的相似之处。这些算法用于建立仿真模型。通风墙对流传热系数的确定是至关重要的,为了提高该模型的精度，在选择最合适的对流换热的内在联系进行了探讨。3.1、传热空气通道 当墙体风道内的温度比空气的高时,由于浮力的作用气流向上。相反,当温度低于空气的温度，气流向下。这个方程代表了在y方向上的局部热量的平衡 1 2 1,2联系当地的空气温度变化dT对流换热与每一个相邻的墙A和B图。一般对流系数的值h1,h2,截面平均速度认为是已知的。在y方向的温度。通风墙的等效温度综合以上这个表达法,就是管道内流体的温度变化。3.2、外墙与空气的对流 对流换热的值与对流换热过程的许多因素有关。如系统的几何条件、风速、比热和空气的物性。分析对流换热带的值是很复杂的,因为确定大量的参数。这就是为什么采用经验公式相结合的派生关系相关的变量,如流速和其他空气性能、无量纲数。 木村的14的关系是在第四层建筑上提出的,所以不认为是适当的较低的高度建筑,比如用于目前的研究。在另一项研究中,Yazdanian Klems15,对一系列低层建筑进行了测量，测量条件和实验房间的相近。他们建议,以相关性考虑到风的影响,是由于自然对流地对空温度的差异。在另一项研究中,Yazdanian Klems,进行了一系列的测量与低层建筑状况,这是接近本研究使用年代测试细胞为实验工作的通风墙。他们建议考虑到相关的影响是由于风自然对流地对空温度的差异。 麦克亚当斯的研究,对平行流式风洞中另一个更为现实的,因为它依靠实验方法,考虑风速的影响 经验常数a、b、n取决于两个因素:射程的风速和粗糙墙面。最后选择Yazdanian和Klems相关的通风墙模型，因为他和实验条件非常的相近。3.3、风道内的对流 墙内的通道与空气的对流传热强烈的依赖于风道内空气的流速。在强制对流,机械通风。这使它的速度与墙内的自然对流速度无关。探明,自然条件下对流传热系数和空气流速参数相互依存。一般来说,风道内的自然对流大约界与两个限制条件： 垂直板上的自然对流风道中充分发展的对流当流量或长宽比较低是对流换热的行为接近单盘。探明,当流量或长宽比较高对流传热遵守充分发展流动。3.3.1、垂直板的自然对流 Ostrach和Holman发这些限制条件下的近似解析解。假设的建立是为了求出解析解，表明流体边界层底层的速度为零。通风墙的这种情况满足了流体速度分布的许多要求,甚至在外面热边界层,要大于零。它可以说明这类假定是有效的,只有在长宽比很小或空气流动速率很低的情况下。第二个条件可以遇见，自然对流沿垂直板可以作为案例的限制条件。依据的实验数据得出以下公式，常用于工程应用。3.3.2、对流的充分发展 空气和墙体风道之间的对流传热系数可以用下式进行估算：一些恰当的近似数据适合努谢尔数：雷利数为：T是主流温度、Ts等效的墙体气孔的温度:T1、T2是墙体气孔内部表面的温度,h1、h2是通道表面的墙1和2的对流换热系数。3.3.3、组合关系 对先前提到的案例的一般方法有各种建议:单一板块和充分发展通道的流动。其中一个被丘吉尔用下式表示。在和是努谢尔分别计算出这种情况单一板块和充分发展流动的值。在此基础上通用公式有几个关于混合常数n的定义。丘吉尔和Usagi建议n = 1.5。另一方面Bar-Cohen和Rohsenow定义混合常数n = 2。应当指出,这种方法被广泛地应用在各种电子设备的冷却研究和最佳的垂直板间距。丘吉尔和Usagi相关Bar-Cohen and Rohsenow 相关3.3.4、相关性的比较根据公式7,9,12得到图4的内容。说明了努谢尔数是雷利数的修正。修改后的雷利数是雷利数空气通道长宽比(S / H)的乘积 。比较公式7,9,12,和13表明丘吉尔和Usagi(n = 1.5)与Bar-Cohen and Rohsenow (n = 2)的结果相似。Also these two correlations give results close to the ones of the fully developed flow when the aspect ratio (S/H)0 and close to the ones of the single plate when (S/H)？这二者的相互关系密切的给与全面发展流量长宽比(S / H)0和密切单一的盘(S / H)。由于上述原因,Bar-Cohen and Rohsenow 关联式是通风墙的一个选择。4、实验装置 实验数据,测试得到的通风墙在AIRinSTRUCT项目的框架(23),是用来做比较预测模型。通风墙的原型组件(图1),在实际户外天气条件下进行构建了一系列的全面测试23。实验是在PASLINK房间CRES(中心为可再生能源和储蓄)的网站实施,Pikermi,在雅典希腊(纬度地区3758 N,经度:2342 E,海拔130米)。安装在墙上升级组件发生在PASLINK测试房间,房间一个移动南墙和屋顶上配备一个Pseudo-Adiabatic壳(PAS)24。墙是由两个不同的通风部分组成:“典型的通风墙和升级通风墙”。这些零件具有相同的地方,但是不同的特征当升级墙都装有一辐射阻障层内表面的外部混凝土板层的气隙(图5 a组和b组)23。两壁部分得测量同时进行,为了的出结果，对这两个部件进行了对比研究。他们俩都安装在南方测试房间，表面覆盖的各组成部分的一半总壁区域。这两个部分是由一个横向的分离隔热层。空气的温度内循环气隙测量了两种系列温度传感器位置上下附近的空气中的电流开口和在墙上高度。实验过程中同时测量均采取了“典型的通风墙”和“升级通风墙”。在这两种情况下气孔厚度4厘米。研究参数的通风墙组件分别是:表一 实验条件打开slotInlet /出口 流动模式 控制方案 3/3 自然流动 恒定室内温度表二季节夏天 冬天 第一:将儒略日 最后的作用是:将儒略日 第一:将儒略日 最后的作用是:将儒略日 266 279 333 343 实验过程的条件在此项分析表1给出了。建立了室内温度不变的27C0.2C。为了有更多的代表性数据和墙上组件的行为,两个独立的时期(冬季和夏季赛季)结果。每个实验阶段显示在表2。通过一系列的传感器石墨的内部、外部环境都被记录:室内空气温度(Pt屏蔽100传感器、范围:0-50C、准确性:0.2C),周围的空气的温度(装甲和通风Pt 100传感器、范围:10到60C、准确性:0.2C),表面温度和空气间隙(装甲-type热电偶传感器,范围:- 100 + 200C、准确性:0.5C)、太阳能辐射对一个垂直的位置:pyranometerCM11,范围:0-1000 W /平方米、准确性。(W /平方米,气隙空气速度:热轧传感器、范围:0 - 5米/秒,准确性:0.02米/秒。5、仿真模型 这一节描述有关模拟模型的详细情况,构造了通风墙的和实验测试房间。5.1、仿真工具和条件 仿真模型的发展归功与仿真程序ESP-r-energy25。几何细节测试房间和墙被用于这一模式,它包括了所有气孔开口(3 - 3的进口和出口15厘米长、2厘米，气孔假设开启)。夏天和冬季期间,测试房间内的温度控制持续27C。表三墙建筑材料 密度(kg/m3) 厚度(m) 传导性(W / mC)砂浆 1900 0.015 0.870石膏 1900 0.02 0.870 岩棉 40 0.05 0.035砖层 1000 0.09 0.460混凝土板 1950 0.025 1.0605.2、气候数据 气候数据,在实验记录包括环境温度(C)、横向扩散太阳能辐射(W /平方米),global-horizontal太阳辐射(W /平方米),风速度(米/秒),风向()和相对湿度(%)。测量被记录在一个10 minutely basis from Julian days266279 (23rd September to6th October) for the summer period and Julian days 333343 (29th November to 9th December) for the winter period.5.3、材料 “典型通风墙”“升级通风墙的施工细节见表3。5.4、区每一个通风幕墙组成三个纵向叠置区。测试房间区都如图6。初步测试开展了不同数量的区域代表的通风墙中的气孔。发现了三个区是合理的表示分层空气这是根据以往在通风建筑通风光伏外墙的工作经验。5.5、流体网络定义一个合适的网络来代表空气在通风的正面流动。节点的节点网络rep-resent房间,连接点在管道或管网户外环境等流体元件。离散流体通道如门、施工裂纹、管、管道、风机、泵等。在图7给出了通风墙的流体网络-节点模型。风速一般较低的试验基地,主要驱动力为温度的差异。5.6、对流的相关性选择 如上所述,选择适当的对流的相关性对表示气流的浮力尤为重要。通风墙的空气通道的对流相关选择与公式8相关。最外面的Yazdanian墙Klems15是相关的应用。6、结果进行分析 结果分析,主要集中在三个主题: 收敛的水平实验和仿真模型分析结果对于温度变化的通风墙中的空气通道。温度分层气孔。辐射的影响。6.1、空气正面温度的变化6.1.1、冬天期间 在公式8,9中，空气温度在外墙1 b和2 b之间变化(中间空气区)根据实验结果冬季期间的假设与仿真结果相符合。曲线代表温度随着时间的变化。 空气温度变化在胶粘剂1 b和2 b(中间空气区)冬季期间的构想根据实验和仿真结果。曲线代表的是温度变化随着时间的过去一样变化的模拟和实验的输出。图10表示实验和模拟温度随时间的变化。温度测量误差对实验结果的影响也呈现在图10。The divergence is greater (with the experimentaltemperatures being higher than the simulation ones) in the case of the wall with the radiant barrier (facade 2b), except for the period of the day when both air zones reach their maximum temperature (around 12:00 at noon).在这种情况下的差异较大,负面迹象（模拟温度比相应的试验温度更高)。一般来说,冬季期间,最高温度的平均差异在2.0到4.5之间,当实验温度再高时,大约扩大到4到6度。另外,1b面的平均温差为1.55度,然而2b面的平均差值略高2.19度。6.1.2、夏季期间在夏季期间,实验和仿真结果（图11-13温度误差值）除了第二天上午9点的不同。就在这个时候,仿真模型的温度要比相应的试验温度大约高8度。冬季和夏季的普遍观测的事实表明,当气孔内的温度上升,仿真模型的温度均高于实验值。相反,气温在夜间下降时,模拟输出的温度低于实验温度。这样的结果是有两个主要因素:墙的导热系数没有测量二是假定的,严格的研究表明实际的导温系数要比这个假定要低。对于一些特定的不确定的压力系数,虽然主要是驱动流动温度差异,当地的风效应也将影响整个流程。因此在预测不确定性流动速率也是如此。 确定一个充满不确定性的压力系数的开口的影响，进行了灵敏度分析。为了分析，进出口的压力系数被修改了,低系数的开口有一个“semi-exposed“墙，高系数的开口有一个“fully-exposed“墙。图14和15表明气流流过对空气温度的变化有很小的影响，对风速一般很低的特定地点力。6.2、在通风正面温度的分层 本文的另一个重要的研究领域是通风墙内空气通道的温度分层。图16-19体现了冬天和夏天温度在立面区域的份层（a，b，c区域是从底层到高处）。下图表的环境温度为更好的理解气孔温度的变化是很重要的。冬季期间(图16和17),the air temperature variation in the ventilated air gap of the facades for both theTypicalandUpgradedventilated wall follow similar patterns to each other and to the ambient temperature but with higher values oftemperature than the ambient空气温度变化的通风的空气间隙为两个正面典型通风墙遵循同样的模式升级到对方和环境温度和更高的价值,但比周围的温度。最低的正面区(1a和2a）是其他之中最低的温度英文空气进入通道后一直吸热。吸收的热量可以解释为:环境温度总是小于27.0摄氏度(恒温测试室)。 在夏天时期环境温度有时高于27度,立面最低的地方并不是温度最低的地方(图18和19)，由于通风会降低空气温度。另外一个需要注意的地方:夜间通道的温度要比环境的低。气体温度之间的不同体现在气体的流量。两个连续的空气层之间的温度差异较小，在通道内空气的流量较大的地方相差较大。如果气流在通道内的流速较小热量与表面的越大。这种热量的交换增加了通道内气体的温度。6.3、辐射屏障的影响 在立面墙上加一个辐射屏障可以使通风墙的整体性能增强，这项研究是得益于装在墙内部的两个温度传感器。在图20和22中冬季和夏季墙体中1和2区域各自温度的变化。图21和23表示在实验中相应的面上温度的不同。6.3.1、冬天期间图20显示温度变化的空气在胶粘剂1和2。根据实验结果,灿烂的障碍增加一个一半的通风墙面负责为了保持温度高等内空气立面2 b的期间夜晚,在早晨稍微低一点的时间。这一切发生的时候因为辐射的有效的障碍其实是另一个保温层制作的反应较慢的空气区。效果是更大的在夜间温度区别外墙2和1空气到达了它的最高价值1.8C。一般来说,辐射屏障的加入可以减少房间的热量损失，进而有利于保持较高的