温度补偿墙体的初步研究

董昭禄　张叶　王伟　马贝贝

【摘 要】我国建筑普遍存在能耗大、效率低、围护结构的保温隔热性能差等问题，而围护结构能耗是建筑能耗中占比最大的部分。建筑围护结构是室内环境与室外环境的联系纽带，是建筑物内、外环境进行热量交换的主要通道，所以减少墙体能耗是减少建筑能耗的主要方法之一。但是传统墙体传热系数固定不变，不利于昼夜温差大的严寒地区及时利用空气的温度进行散热和得热。本文提出了温度补偿墙体墙体，在建筑内、外环境传热驱动温差发生变化时，墙体可以及时的增加“有益”传热，减少“有害”传热，以达到有效的降低建筑物能耗的目的，并应用CFD软件包Fluent通过对温度补偿墙体系统进行了简化，研究了温度补偿墙体在不同双金属片曲率，不同变热阻层厚度及不同双金属片间距时热工特性，为后续的实验研究奠定了基础。

【关键词】温度补偿墙体；建筑节能；传热系数

A Preliminary Study on Temperature Compensated Wall

（Civil Engineering Department， Xinjiang University，Urumqi Xinjiang，830047，China）

【Abstract】Large energy consumption， low efficiency and the poor insulation structure and the huge envelope energy consumption are the most important existing issues. Building envelope is the link between the indoor environment and the outdoor environment， is the main channel of heat exchange between building inside and outside， therefore reduce the wall energy consumption is one of the main methods to reduce building energy consumption. But heat transfer coefficient of traditional wall is fixed， is not suitable for the cold area where the temperature difference between day and night is large. In this paper， the temperature compensation wall is proposed. When the temperature difference between the inside and outside of the building is changed， the wall can increase the “beneficial” heat transfer and reduce the “harmful” heat transfer in order to achieve the effective reduction of the building. The Computational Fluid Dynamics CFD software package Fluent is adopt for simulation of thermal performance of the temperature compensation wall. The influence of different thermal resistance thickness and different bimetallic spacing are simulated.

【Key words】Temperature compensation wall；Building energy efficiency；Heat transfer coefficient

0 引言

建筑向节能、绿色、智能化发展已经成为国际建筑界实现可持续发展理念的一大趋势[1]。我国建筑能耗约占全社会总能耗的 27% 左右，且这个比例仍在逐渐增长，因而开发新的建筑节能技术，推广新型建筑节能材料，推行相关的建筑节能措施和规范，全力降低建筑总能耗，应是当前社会节能领域的重点发展方向[2]。在建筑的能耗损失中，围护结构散热损失所占的比例为40%～50%，因而建筑围护结构的节能在建筑节能工作中有着较为重要的作用[3]。建筑围护结构又是室内环境与室外环境的联系纽带，是建筑物内、外环境进行热量交换的主要通道[4]，因此减少墙体能耗是减少建筑能耗的主要方法之一。为此，本研究提出了温度补偿墙体，该墙体不仅在冬季随室外环境温度变化而进行墙体传热系数自调节，降低冬季供暖能耗；在夏季同样可以随室外环境温度变化自动进行传热系数调节，达到节省空调能耗及电能耗等优点。

1 温度补偿墙体基本构造及原理

1.1 温度补偿墙体基本构造

中所示本文研究提出的传热系数自动调节墙体结构主要由：覆面保护层（1）、变热阻层（2）、承重层（3）、面层（4）构成。其中变热阻层是墙体能够进行温度补偿的主要部分，由双金属片（5）和柔性导热基体（6）构成。

1.2 温度补偿墙体原理

在夏季，当室外温度高于室内温度时，面层（1）受热，使得双金属片（5）温度升高如图2所示向上发生偏转弯曲，各个双金属片（5）与对应的柔性导热基体（6）发生分离，使得变热阻层（2）内只有空气导热，因此热阻最大，传热系数最小，此时通过墙体传导到室内的热量最小，在不使用空调的前提下，对室内温度进行了补偿，减少了建筑物空调能耗。当室外温度降低直至低于室内温度时，双金属片（5）向下偏转直至与对应导热基体（6）闭合，此时变热阻层内双金属片与柔性导热基体重新构成热桥，减少了变热阻层热阻，传热系数最大。此時通过墙体传导到室外的热量很大，室内温度得到补偿，也减少了空调能耗。

1.3 温度补偿墙体传热系数计算

根据热力学原理，垂直于传热方向由两种以上材料组成的复合材料层，温度补偿墙体的平均热阻应按下式计算：

=-R+R？渍（1）

式中：—平均热阻（m2·K/W）；

F0—与传热方向垂直的总传热面积（m2）；

F1，F2，…，Fn—按平行于热流方向划分的各个传热面积（m2）；

R0.1，R0.2，…，R0.n—各个传热部位的热阻（m2·K/W）；

φ—组合材料的修正系数。

传热系数按下式计算：

K=（2）

2 CFD软件模拟

根据温度补偿墙体传热系数的计算式可以看出，温度补偿墙体的热工特性受变热阻层尺寸，双金属片间距，以及双金属片曲率的影响。为此本研究采用了计算流体动力学软件CFD，采用了湍流动能k方程，对所提出的温度补偿墙体进行了初步的模拟。k-ε模型对于较小压力梯度下的自由剪切流具有较好的计算结果；对于壁面流动，在零或小平均压力梯度下，模型计算结果和实验结果符合的较为一致。

2.1 几何模型的建立

根据本文所提出的温度补偿墙体的工作原理，墙体变热阻层外侧各层为外墙涂层，保温层，属各向同性材料，因此将它们简化为一层，同理变热阻层内侧为结构层和内墙表面涂层，也简化为一层，简化后模型如图3所示，模型网格划分图如图4所示。

墙体覆面保护层的简化面（1）、承重层的简化面（2）、变热阻层空气间层（3）、上下部分绝热面层（4）、曲率为20°的双金属片（5）。墙体的高度为固定值，H=0.5m；变热阻层厚度为σ=100mm；双金属片间隔为a=100mm，长度为ds=90mm，厚度为σ=0.5mm。

2.2 边界条件

将柔性导热基体；模型上下两面为设置为绝热面；进口边界为覆面保温层。覆面保温层入口材料设定为胶粉聚苯颗粒保温砂浆层，密度为：ρ=230kg/m3；比热容：=1202j/（kg·K）；导热系数：λ=0.059W/（m·K）。覆面保温层边界类型设定为Wall，左侧的边界设定为Temperature，温度初步设定为30度，墙体厚度为80mm，发热率为0W/m3。出口温度设置为23°C，出口面为承重层面，使用混凝土的热物性参数设置边界条件；而进入面为保温层面，使用胶粉聚苯颗粒保温砂浆热物性参数设置边界条件，温度为室外气象温度，通过给定一个固定的值对双金属片曲度、竖向间隔、变热阻层厚度选取最佳值后进行改变。

3 模拟结果分析

3.1 双金属片曲率对温度补偿墙体热工特性的影响

变热阻层厚度初步设定为100mm，双金属片间距为100mm，双金属片材料选定为主动层为Mn75Ni15Cu10，其被动层为Ni36的双金属片。将双金属片的弯曲度设为自变量。本模型使用FLUENT15.0进行模拟，在Workbench的总操作平台中创建新的ICEM CFD得版块进行建模。创建双金属片弯曲角度分别为0°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°的八个模型进行分别操作。温度补偿墙体传热系数随双金属片曲率变化曲线如图5所示。

双金属片曲率为0°时的传热系数为双金属片曲率20°时的传热系数的四倍。相当于在该简化的模型中，双金属片的弯曲时由于出现空气间层，其热阻较大，通过的热量较小而改变了该变热阻层墙体的传热系数。

3.2 变热阻层尺寸对温度补偿墙体热工特性的影响

在各部分材料设定不变的情况下，取上一节中所得出的传热系数最小的双金属片曲率为20°的值，其他边界条件设定保持不变，变热阻层尺寸为自变量。在ICEM CFD中对变热阻层厚度为50mm、75mm、100mm、125mm、150mm、175mm、200mm的墙体分别建立模型并使网格各项参数设置相同，计算结果如图6所示。

在变热阻层厚度低的时候，因传热面积小，变热阻层厚度较薄，传热系数大，从而增大了从外界通过墙体传入到内壁面的热量。随着变热阻层逐渐变厚，传热面积增大，传热系数逐渐变小，在变热阻层厚度为100mm时，传热系数达到最小14.17W/㎡·K。而后，隨着变热阻层厚度增大，因双金属片的面积逐渐增大，变热阻层的导热系数也随之增大，从外界通过变热阻层传入到内壁的热量增大，传热系数也增大。

3.3 双金属片间距对温度补偿墙体热工特性的影响

在各部分材料设定不变的情况下，取3.1中所得出的传热系数最小的双金属片曲率为20°的值，变热阻层厚度取传热系数最小的变热阻层厚度为100mm的值，与此同时其他边界条件设定保持不变，双金属片间距设为自变量。在ICEM CFD中对双金属片间距为25mm、50mm、100mm、125mm的墙体分别建立模型并使网格各项参数设置相同，计算结果如图7所示。

4 结论

本文分析并简化了本研究所提出的温度补偿墙体，得到一个较为简化的模型，通过CFD软件FLUENT对简化模型进行了模拟。根据模拟结果分析，可以得到以下结论：

（1） 曲率不同的双金属片会导致温度补偿墙体传热系数变化，从系统带给室内的热量的角度分析，选取传热系数较小的双金属片曲率时对于整个系统的从室外导入到室内的热量更多。通过计算分析，得出双金属片曲率为20°时，传热系数为最小值14.17W/㎡·K。

（2）变热阻层较厚的墙体双金属片传热面积较大，会导致变热阻层双金属片和柔性基体间传热增大，通过计算分析，得变热阻层厚度为100mm时，传热系数为最小值14.17W/㎡·K。

（3）在双金属片间距较小的时候，双金属片分布密集，金属导热的部分夹层导热面积增大，温度补偿墙体的传热系数有较明显的增加。双金属片分布越密集，墙体传热系数越高，过高的传热系数不利于墙体在夏季对室内温度进行补偿，因此最佳双金属片间距应在100-125mm之间。

【参考文献】

[1]姚润明，李百战，丁勇.刘猛绿色建筑的发展概述[J].暖通空调，2006，36（11）：27-32.

[2]李艳静，张芳志.关于建筑设计中的节能分析探究[J].建筑工程技术与设计，2016（3）：978.

[3]司小雷.我国的建筑能耗现状及解决对策[J].建筑节能，2008，36（2）：71-75.

[4]马长波，林建好.纤维增强发泡混凝土复合保温板的研究及应用[J].粉煤灰综合利用，2010（2）：39-41.

[5]周军莉.建筑蓄热与自然通风耦合作用下室内温度计算及影响因素分析 [D].湖南大学，2009.

[责任编辑：朱丽娜]