平屋顶遮阳隔热层热工性能研究

摘要

我国夏热冬暖地区及夏热冬冷地区城市，夏季异常炎热，太阳辐射强度大。由于传统屋顶隔热性能差，导致从屋顶进入室内环境的热量大。为了改善屋顶的隔热性能，传统架空板通风屋面在我国已经应用多年，包括在夏热冬冷地区及寒冷地区部分城市，旨在提高屋顶在夏季的隔热性能，然而该类型屋面在气流不畅时隔热效果并不好。此外，国内外尚缺乏关于架空板屋面冬季工作性能及全年的节能率方面的研究。因此，对这类屋面构造的保温隔热性能开展进一步的研究具有重要意义。
　　本文首先利用Fluent12.0建立三维流固耦合传热模型，对传统架空板通风屋面内部的传热规律展开深入的计算分析。结果表明:架空板通风屋面的隔热能力在入口风度低于约1.0 m/s时，隔热效果并不明显;而入口风速达到约2.0 m/s后企图进一步通过加大风速来提高其隔热能力的效果十分有限。当风速为0～1m/s时，架空板与楼板之间的辐射传热量约占其总传热量的79～47％，风速越低，占的比重越大。在此基础上，提出在低风速下通过在通风道的内表面粘贴铝箔来降低辐射传热量的措施，并研究比较了不同铝箔粘贴位置对改善屋面隔热能力的差异，根据研究结果，建议将铝箔贴在通风道的上表面。
　　本文通过在传统架空板通风屋面的盖板下表面贴铝箔，构造出一种新型平屋顶遮阳隔热板屋面，并分析了其温度场及温度变化曲线，通过与传统架空板屋面对比，结果表明:增加铝箔后，楼板温度场分布更为均匀，温度值更低。为进一步探究其在不同地区的工作性能，以杭州和广州的4种典型天气（夏季晴朗、夏季阴天、冬季晴朗和冬季阴天）为气候边界条件展开初步研究。结果表明:新型平屋顶遮阳隔热板屋面在夏季晴朗和夏季阴天里相比于普通架空板屋面和普通钢筋混凝土板屋面，其隔热能力均有较为明显的改善;但是在冬季晴天时，新型平屋顶遮阳隔热板屋面出现了“反节能”现象。
　　为考察新型平屋顶遮阳隔热板屋面在不同地区全年的节能情况，本文选取杭州和广州的典型气象年气象数据作为气候边界，并结合温度频率法原理，进行了数值计算与分析。结果表明:在夏热冬暖地区（广州），相对于普通钢筋混凝土板屋面，新型平屋顶遮阳隔热板屋面的平均节电率为63.1％;在建筑的总能耗中，相对于普通钢筋混凝土板屋顶可实现约4.3％的节能。在夏热冬冷地区（杭州），相对于普通钢筋混凝土板屋面，新型平屋顶遮阳隔热板屋面的全年的平均节电率为26.5％;在建筑的总能耗中，相对于普通钢筋混凝土板屋顶可实现约1.8％的节能。可见，从全年看，新型平屋顶遮阳隔热板屋面在夏热冬冷地区及夏热冬暖地区均实现节能。采用温度频率法并结合数值模拟计算来研究类似屋面建筑构件的全年节能性问题的方法具有很好的参考价值。
　　最后，为了比较在夏季降温过程中新型遮阳隔热板屋面相对于普通屋面热工性能的差异，通过在实大环境中建立足尺模型，以普通钢筋混凝土板为基准组，附加新型遮阳隔热板的屋顶为实验组，开展了试验研究。研究表明:新型遮阳隔热板屋面相对于普通屋面，其楼板内、外表面温度得到了大幅降低。同时，使用新型遮阳隔热板后，也降低了楼板内外表面温差，新型遮阳隔热板屋面的楼板内外表面最大温差仅约为2℃，而普通屋面的为20℃。此外，通过测量从屋顶进入室内的热流密度发现，降温过程新型遮阳隔热板屋面相对于普通屋面其进入室内的热流密度平均值降低了76.8％。可见，屋顶使用新型遮阳隔热板后，相对与传统普通钢筋混凝土屋面，具有更好的热工性能。

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摘要

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第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 常见屋顶隔热形式

1．3 通风屋面研究现状

1．3．1 标准中对屋顶或通风屋顶的相关规定概述

1．3．2 平屋顶架空板通风屋面国内外研究成果综述

1．3．3 坡屋顶通风屋面国内外研究成果综述

1．3．4 通风屋面节能性能评价方法

1．4 温度频率法介绍

1．5 CFD流固-耦合传热分析软件简介

1．6 课题目标及研究内容

第二章 传统架空板屋面热工性能研究

2．1 架空板屋面内通风层的热量转移途径及其控制方程

2．1．1 导热传热

3．1．2 辐射换热

3．1．3 对流换热

2．2 传统平屋顶架空板屋面热工性能研究

2．2．1 传统平屋顶架空板屋面夏季隔热效果

2．2．2 平屋顶架空板屋面夏季隔热性能数值模拟分析

2．2．3 架空板屋面在冬季的工作性能探究

2．3 平屋顶架空板屋面通风层隔热性能改进措施分析

2．3．1 架空板屋面架空层的最佳高度理论解

2．3．2 架空板支墩对架空板屋面隔热性能的影响

2．3．3 平屋顶架空板屋面的盖板下表面主要传热方式分析

2．3．4 通风道内铝箔粘贴位置对屋面隔热性能的影响

2．4 本章小结

第三章 新型遮阳隔热板屋面的热工性能研究

3．1 新型平屋顶遮阳隔热板屋面构建

3．2 夏热冬暖和夏热冬冷地区气候数据

3．3 新型平屋顶遮阳隔热板屋面热工性能研究

3．3．1 计算模型及边界条件设定

3．3．2 本次数值计算中Fluent软件设置步骤

3．3．3 新型平屋顶遮阳隔热板屋面在夏季的热工性能

3．3．4 新型平屋顶遮阳隔热板屋面在冬季的热工性能

3．4 新型屋面在夏热冬暖地区和夏热冬冷地区的工作性能探究

3．4．1 新型屋面在夏热冬暖地区广州的工作性能探究

3．4．2 新型屋面在夏热冬冷地区杭州的工作性能探究

3．5 本章小结

第四章 新型平屋顶遮阳隔热板屋面全年节能性研究

4．1 基于温度频率法原理的公式推导

4．2 气候数据处理

4．2．1 夏热冬冷地区代表城市杭州气候数据处理

4．2．2 夏热冬暖地区代表城市广州气候数据处理

4．3 新型平屋顶遮阳隔热板屋面的全年节能性研究

4．3．1 计算模型及边界条件设定

4．3．2 夏热冬冷地区代表城市(杭州)计算结果与分析

4．3．3 夏热冬暖地区代表城市(广州)计算结果与分析

4．4 本章小结

第5章 新型遮阳隔热板屋面夏季降温过程试验研究

5．1 新型遮阳隔热板屋面夏季降温过程试验测试准备

5．1．1 足尺全天候环境实验室介绍

5．1．2 实验载体尺寸及构造参数

5．1．3 新型遮阳隔热板制作

5．1．4 试验器材、测点及测试系统布置

5．2 夏季降温过程试验测试过程

5．2．1 测试系统调试与试运行

5．2．2 对照组夏季升温达到典型气候参数过程测试

5．2．3 对照组夏季自然降温过程测试

5．2．4 试验组夏季升温达到典型气候参数过程测试

5．2．5 试验组夏季自然降温过程测试

5．3 夏季降温过程试验测试结果与分析

5．3．1 基准组与试验组升温至稳态过程对比

5．3．2 基准组与试验组降温过程实大环境气温对比

5．3．3 基准组与试验组降温过程屋顶热工性能对比

5．4 本章小结

第六章 全文总结

6．1 主要结论

6．2 本文主要创新点

6．3 未来工作展望

参考文献

作者简历