空心砌块通风墙体技术及传热模型研究进展

于靖华 田利伟 徐新华 杨 建

空心砌块通风墙体技术及传热模型研究进展

于靖华1田利伟2徐新华1杨 建1

1华中科技大学环境科学与工程学院
2中铁第四勘察设计院集团有限公司

提出采用空心砌块搭建成通风墙体，利用空调系统排风、地道风或夏季夜间凉风等对空心砌块墙体的空腔进行通风，实现墙体内部冷、热量的转移。论文回顾了国内外通风墙体的传热模型并进行了简要分析。目前通风墙体的研究包含一维、二维和三维的稳态或动态的传热模型，以稳态模型居多，而实质上瞬时传热特点对于墙体冷热负荷及室内热舒适非常重要。利用数值方法的动态传热模型可以对通风墙体进行瞬时传热特性的研究，但是此方法耗时长，且不易于嵌入传统的能耗模拟软件中进行能耗特性分析。简化的动态热网模型可以嵌入到既有的建筑能耗模拟软件中，在建筑能耗分析中是一种较好的研究方法，然而如何准确系统地确定模型的阶数及热阻、热容等参数还缺少研究。

通风墙体空心砌块动态传热模型能耗特性

随着我国墙改政策的实施与建筑节能标准的执行，市场上开发生产出许多类型的新型墙体结构，其中空心砌块占了很大的比例。空心砌块在热工性能方面较传统的实心黏土砖有一定程度的改善。但普通单、双排孔空心砌块墙体由于热阻值较低，其热工性能依然达不到建筑节能标准的要求[1]。为了得到更好的应用，针对其空心部位始终上下贯通这一特点，构建成通风墙体，夏季通入冷风，冬季通入热风，充分利用砌块本身的蓄热性能及空腔内气流与壁面间较大的接触面积，实现热量传递与转移。通过墙体通风移除夏季和冬季室外环境作用于围护结构的热量或冷量，可大大降低甚至消除建筑的冷负荷，使围护结构的内表面温度更加接近室温，同时也减少人体与围护结构之间的辐射换热，提高人体的热舒适性。

1 空心砌块通风墙体技术

通风墙体出现于上世纪八十年代，多用于寒冷地区冬季以阻挡室内向室外传热，主要有夹层通风墙体和动态隔热墙体。夹层通风墙体即在内外层墙体材料之间加上一层通风隔热层，将室外空气引入通风夹层经太阳能或加热器加热后，与墙体换热并阻隔墙体的热损失，如将火炉中燃烧的高温烟气流经带有通风夹层的墙/地板，或利用太阳能集热系统加热夹层中的空气从而带走墙体/地板的冷量；动态隔热墙的主体是一层多孔材料，以强制的方法（保持室内为负压状态）使室外空气以渗透方式流过该墙体进入室内，从而使渗流空气将传向室外的热量带回室内，是一种热回收技术。目前通风墙体在国外尤其是北欧国家已有较多应用[2～6]。

针对混凝土空心砌块墙体的特点，提出利用空心部位形成通风墙体，如图1为空心砌块通风墙体示意图。将墙体上部外表面开设排风口，在排风口处设风机以提供动力来实现空气介质的流动，将墙体底端开设进风口。空心砌块通风墙体内的通风气流在夏季可以采用空调系统排风、地道风和夜间凉风，在冬季可以采用室内空调系统排风。空调系统排风量约占总风量的10%，直接排走会造成能量的极大浪费；地道风主要是通过空气与土壤换热降温为建筑提供冷风[7]和新风[8]；夏季夜间通风也是具有较大节能潜力的节能技术[9]，因此可采用空调系统排风、地道风和夜间冷风等低品位能源作为通风气流，经过与墙体内壁表面对流换热，冷却或加热空心砌块墙体，具有较大的节能潜力。空心砌块通风技术将空调系统余热、地热能等低品位能源利用与降低外墙对建筑能耗的影响结合起来，大大削弱室外气候对室内环境的影响，对于建筑节能具有重要的意义。

空心砌块通风墙体同时受室内、外环境及空腔内空气流速和温度的综合作用，准确地建立空心砌块通风墙体在多外扰作用下的传热模型，把握其瞬态传热特性，是空心砌块通风墙体优化设计及应用的基础理论研究，有利于这种墙体的应用与推广。数值模拟是对该结构进行优化设计及优化运行的一个十分有效的工具，而建立简单准确便于工程应用的传热模型也是极为重要的。本文主要回顾国内外对该结构的传热模型及试验研究，并对各种模型进行简要分析。

图1 空心砌块通风墙体示意图

2 通风墙体传热模型及应用研究

国内的学者针对通风墙体的热特性和节能效果大都处于起步阶段，主要体现在对通风墙体的实验研究和传热模型研究两个方面。谭志邱等[10]考虑墙体热阻建立了太阳能板复合墙体的简化的一维稳态传热模型，重点计算了太阳能板复合墙夹层中的空气在静止、自然对流和受迫对流状态下该结构的热阻；邹付熙等[11]建立了装有多孔渗透材料层的通风隔热墙体的一维稳态导热数学模型，通过数值方法计算了在室内、外扰动下的稳态传热特性，分析了室内排风渗透速度和渗透材料厚度对其传热特性的影响，并在此基础上研究了该模型的一维动态数学模型[12]。陈刚[13]通过建立三维稳态模型，对空心砌块通风墙体在过渡季节引入新风室内通风效果进行数值模拟研究。赵嘉靖等[14]建立了二维稳态模型，在时域内对通风墙体热工性能进行了数值模拟研究。此外，针对普通空心砌块墙体，有部分学者采用有限差分及有限体积的数值计算方法进行了传热热阻分析[15]以及最优孔洞结构的设计研究[16～17]。由此可见，国内学者关于通风墙体传热特性的研究较少，主要是一维简化稳态、一维动态和二维稳态模型的研究。然而室外热扰是不断变化的，气流在空腔内流动并与墙体换热，温度随高度发生变化，忽略这种变化只考虑一维传热或者稳态传热分析，与实际工况存在着一定的误差。

国外学者对通风墙体的关注起源于上世纪八十年代，从九十年代开始有较多学者对其传热模型及热特性进行了理论研究。Taylor等[18]建立了三层隔热墙体（两层空腔）的一维稳态模型，给出了包括墙体内部温度分布、热流密度、传热系数、水蒸气含量分布、对流扩散水蒸气流量等在内的一维稳态方程式。接着，该学者采用此简化模型研究了气流速度的变化对墙体表面温度变化的影响[19]，并将模型结果与隔热箱实验数据进行了对比分析。Akander[20]提出采用热阻热容网络法建立多层构件墙体/屋顶的一维传热模型，在此基础上，Ren[21]采用了此方法对空心预制板通风屋顶的简化动态热网模型进行研究，该模型的每层构件采用一个热阻与热容相连（即一阶模型），热容和热阻根据简化的几何尺寸进行确定，并与测试数据进行对比，结果表明通风出口处温度最大误差为1.1℃，该模型还可以直接嵌入建筑环境与能耗模拟平台。Pottler等[22]采用二维稳态传热模型，在时域内采用有限差分法研究了太阳能集热器加热玻璃与墙体之间的空气层，模拟计算了出口空气温度、玻璃表面温度以及吸收装置不同部位的温度，该模拟结果与实验结果基本吻合。

近十年来，针对通风墙体的传热模型及热特性理论研究仍然以稳态居多。Schmidt等[23]建立了双层通风墙体的二维简化稳态模型，研究了空腔内空气沿气流方向的温度变化，建议空腔应尽量与内表面接近以减少热损失，该方法仅适用于稳态传热及线性传热系数的求解。Balocco等[24]给出了通风墙体的一维稳态模型，采用有限元法计算了每个步长的墙体表面及热流温度，研究了夏季和冬季不同空腔厚度在风口开启和关闭状态的热特性。Ciampi等[25]考虑墙体热阻建立了烟囱效应下通风墙体的简化二维稳态传热模型，计算了夏季通风墙体内气流带走的热量及节能特性，分析了表面粗糙度、热阻、太阳辐射强度、空腔层厚度以及不同室内外温差时对节能特性的影响。Sanjuan[26]等分析了西班牙马德里城市一个典型的多开口夹层通风外墙的热特性，建立了三维稳态及准稳态模型采用数值模拟计算的方法进行求解，研究了封闭与多开口夹层通风墙体在夏季和冬季空腔内的温度分布、热流传递以及能耗情况。Seferis[27]考虑了太阳辐射对墙体传热性能的影响，建立了空腔内沿气流方向的一维对流换热的数学模型，采用了ESP-r模拟软件计算分析了夹层通风墙体的传热特性，并将模拟结果与实验做了对比分析，通过敏感性分析检测了主要因素对墙体温度分布造成的影响。Mavromatidis等[28]建立了由空气夹层组成的多层保温结构墙体传热过程的一维动态模型，采用有限体积法研究了对流和辐射的综合换热过程、多层保温构件的内部温度分布特性及壁面热流传递特性。此外，一些学者采用数值计算的方法，对普通空心砌块墙体的静态和动态热特性[29～30]以及以当量热阻为标准的最优孔洞结构设计[31]进行了研究。

综上所述，目前关于通风墙体传热模型的研究主要包括以下四种：一是稳态传热模型，包含一维、二维和三维模型的研究，采用数值方法如有限差分法等进行求解；二是利用数值方法的动态传热模型；三是仅考虑热阻值的简化稳态模型；四是同时考虑热阻和热容的简化动态热网模型。目前的研究仍以稳态模型居多，而实质上瞬时传热特点对于墙体冷热负荷及室内热舒适性分析非常重要。利用差分法及有限元等数值方法的动态传热模型可以对通风墙体进行瞬时传热特性的研究，为了准确评估使用该结构的房间或建筑物的节能特性和环境特性，该模型通常需要和传统的建筑物能耗模拟软件集成在一起，但计算量非常大，且整个模拟会变得不稳定。采用简化的动态热网模型是一种较好的研究方法，这种模型很容易与现有的建筑能耗仿真软件包集成在一起，一些学者研究了通风墙体的一维热网模型，但很少论及如何系统准确地确定该模型的阶数（即热容的个数）及模型的热阻、热容等参数，而这些参数对于预测结果的准确性非常重要。空心砌块通风墙体的瞬时传热受室外侧空气、空腔内气流及室内侧空气非稳态外扰的综合作用，使得空心砌块通风墙体的传热变得更为复杂，目前尚未见空心砌块通风墙体的动态传热特性及节能特性的研究，因此，建立准确把握其动态热特性的简化的动态热网模型具有非常重要的理论意义，同时该结构模型还应很容易地与既有建筑模拟软件包集成在一起，以用于该结构的优化设计以及能耗性能的评估。

3 结论

本文提出将空心砌块搭建成通风墙体，利用空调系统排风、地道风或夏季夜间凉风等对空心砌块墙体的空腔进行通风，充分利用砌块本身的蓄热性能及空腔内气流与壁面间较大的接触面积，实现热量传递与转移，可大大降低甚至消除建筑的冷负荷。目前夹层通风墙体和动态隔热墙体已有较多应用和研究，本文回顾了通风墙体的传热模型，包含有一维、二维和三维的稳态或动态的传热模型，利用数值方法的动态传热模型计算过程耗时长，且不易于嵌入能耗模拟软件中进行能耗特性分析。简化的动态热网模型可以计算建筑围护结构的瞬时传热且可以嵌入到常用的建筑能耗模拟软件中，在建筑能耗分析中是一种较好的研究方法，而模型的阶数及热阻热容等参数对模型准确性的影响还缺少研究。因此空心砌块通风墙体需要建立准确且易于嵌入建筑能耗模拟软件包的简化动态热网模型，以用于该结构的传热特性及节能特性研究。

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Re s e a rc h Proc e s s of The rm a l Mode ling of Hollow Bloc k Ve ntila te d Wa ll

YU Jing-hua1,TIAN Li-wei2,XU Xin-hua1,YANG Jian1
1 School of Environmental Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology
2 China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.

The ventilated wall is built using the hollow blocks,the exhaust air of air-conditioning system,underground tunnel air or cooling air of summer night can be used to flow through the cavity of hollow block,in order to carry away the cool and heat stored in walls.The development of heat transfer models of this structure with concise analysis was reviewed.The current researches on ventilated walls include the steady or dynamic heat transfer models of one-dimension,two-dimension and three-dimension,the majority are the steady-state models,while the instantaneous heat transfer characteristics of wall are essential important to cooling/heating loads and indoor thermal comfort.Transient heat transfer characteristics of the ventilated wall can be studied by the dynamic heat transfer model using numerical methods,but the methods are time-consuming,and can not be easily integrated in conventional building energy simulation packages to analyze the energy performance.Simplified dynamic thermal network model can integrate them in existing building energy simulation packages,which is a good research method for building energy analysis,however, there has been a lack of studies on how to accurately and systematically determine the order and the parameters of these models,such as resistances and capacitances,are hardly addressing.

ventilated wall;hollow block;dynamic;heat transfer model;energy performance

1003-0344（2014）04-040-4

2013-4-24

于靖华（1981～），女，博士，讲师；湖北省武汉市华中科技大学环境科学与工程学院（430074）；E-mail:yujinghua323@126.com

高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20110142120084）；国家自然科学基金（51208221）