屋面通风对抑制高温季粮堆升温影响的实验与模拟研究

2018-11-19王子嘉雷轩邈

中国粮油学报 2018年9期

陈雁王子嘉雷轩邈

(河南工业大学土木建筑学院，郑州 450001)

高温季节粮食平房仓房屋面传热量是造成仓内粮堆积热的主要原因，加强仓房屋面部分的隔热对降低平房仓储粮温度和能耗起着至关重要的作用。由于粮食仓房防水、防虫、密闭、承重等要求，公建蓄水屋面、屋顶绿化等节能措施难以在现役平房仓围护结构隔热改造中推广应用［1－2］，目前仓房屋面隔热的做法主要是加强保温，设置架空层和采用反光涂料等。考虑到材料使用寿命和仓房屋面传热特点，采用架空层隔热是更为有利的方式［3］。在屋面架空层隔热方面，Lee等［4］过实验研究了架空层中气流和温度场的分布，确定了屋面坡度、太阳辐射和屋面洞口尺寸对其隔热性能的影响。D’Orazio等［5］基于6 m×1.5 m的模拟屋面，对14种架空板材料进行对比实验，研究了材料透气性对架空层夏季隔热性能的影响。Kos'ny等［6］通过为期两年的实地测试，研究了相变材料与架空层通风相结合在实际建筑中的可行性，这种模式可以有效地实现屋面冬季保温与夏季隔热功能。Toku等［7］在实验室建立50 cm×50 cm带有相变蓄热物质的模拟平屋顶进行夏季工况实验，并用实验数据验证了对应工况的一维数值模型，通过数值模拟得到了当地气候条件下最佳蓄热层厚度为2 cm的结论。与实验研究相比，计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)可以不受具体条件的限制，对包含有流体流动和传热等相关物理现象的系统进行分析［8］，得到工程需要的数值解，该方法已被成功地用于与屋面传热相关的模拟分析［9－11］。Liberati等［12］以带有矩形风道的畜舍屋面构件为研究对象，假设风道空气处于均匀流动时，通过实测数据和三维数值模拟得到了第二类边界条件下风道中的温度分布，进而求出了使畜舍室温最低的空气层厚度。Gagliano等［13］采用Fluent软件研究了保温层与流动空气夹层的相对位置对通风屋面热性能的影响，结果表明，通风屋面夏季可将屋面热流减少至50%。Kobayashi等［14］利用CFD方法研究了带有风井的人字形屋面利用风压对位于密集住宅区的二层建筑进行自然通风的效果，建筑外部采用大涡模拟(LES)而房间内采用雷诺时均方程(RANS)，并采用风洞测量对模拟结果进行了验证。Perén 等［15－16］基于风洞测试，采用三维稳态 RANS 方程对竖向非对称位置开窗的普通独立建筑进行了模拟研究，认为在竖向开窗位置不对称条件下，大坡度屋面(45°)较平屋面可提高22%的室内通风量，而较低的进、出风口开窗面积比更易获得较大的通风量。Li等［17］采用CFD方法对寒冷地区住宅建筑的屋面系统建立三稳非稳态模型，利用Fluent软件求解，对5% ～40%范围内的4种屋面坡度和60～260 mm内的6种空气层厚度的具体影响进行了研究，确定了排风口位置和屋面材料吸收率对屋面升温的延缓作用。与上述研究对象相比，粮食仓房与住宅建筑和其他公建的用途不同，平房仓房屋面结构坡度多在10%以内，在役旧仓屋面常见坡度为3% ～5%。粮堆导热性差，当外界气温升高时，经过冬季通风降温的粮堆呈现“热皮冷芯”现象，内部温度仍维持在20℃以内，同时，由于药物熏蒸密闭要求，在高温季节并不开仓进行自然通风。旧仓改造中，架空层隔热做法采用檐口开放的被动式结构，由于仓房屋面跨度较大，架空层内难以形成有效的空气流动，当气温日较差较大时，由于架空板的存在，仓房屋面无法直接利用夜间辐射，会影响仓内积热经由屋面向外界散发，减小了仓内夜间降温速度，影响粮食储藏品质。本文利用CFD方法，对采用架空层通风进行屋面隔热的平房仓系统进行数值模拟，探讨架空层厚度、架空层气流速度和架空板反光涂层对高温季节平房仓粮堆升温抑制作用的影响。

1 平房仓系统物理模型的建立

1.1 平房仓物理模型

实验研究的屋面通风隔热平房仓系统主要由架空板、空气层、粮仓围护结构、仓内粮堆和位于粮仓一侧的控制室组成。为了便于进行实验对比验证，模拟中上述各组成部分的几何参数与实际对比测试仓一致。测试仓位于郑州，坐北朝南，墙厚0.37 m。仓体东西长20.5 m，其中控制室长2.5 m，其余为装粮部分，仓体南北宽9 m，脊高10.09 m，仓内堆粮高度为6 m。，仓房屋顶为平屋面型式，架空板厚0.04 m，架空层空气厚度为0.2 m。根据当地夏季主导风向，在模型中将架空层南、北面设置为通风进、出口。由于控制室数据采集设备的散热量很小，为简化计算，建模中省略了控制室设备。系统基本物理模型如图1所示。

1.2 控制方程

粮仓各围护结构和粮堆均为固体，由于外界热环境的季节性变化，通过平房仓围护结构传热造成的粮堆升温实际发生在4～9月份，基于所建立的几何模型和简化假设，粮食平房仓系统中的传热为三维非稳态传热，以平方仓底面中心为原点，粮堆高度方向为Z轴正向，建立直角坐标系，则对应的控制方程为:

图2 实验仓测温点布置图

式中:t为时间/s;ρ为密度/kg/m3;珗u为速度矢量/m/s，粮堆区域珗u=0;T 为温度/℃;xi为直角坐标系第i个坐标坐标，i=1，2，3;ui为三个坐标轴方向的速度/m/s;p为空气流微元体上压力/Pa;μ为空气的动力黏度/N·s/m2;Fi为第i个坐标轴方向上的体积力/N;k为导热系数/W/(m·K);cp为空气的定压比热/J/(kg·K);ST为热源项，W，对于固体粮堆，此项为0。

1.3 边界条件和参数设置

根据物理模型，粮仓围护结构中外墙表面及屋面为第三类边界条件，架空层入口和仓房底部为第一类边界条件，外界空气温度和地表温度已知［18］。粮仓围护结构中墙体、地面和屋面主体材料为混凝土，外设保温层或反光涂层，模拟所需的围护结构等材料的热物性参数如表1所示。

表1 模拟所用介质的主要物性参数

2 模型求解与验证

2.1 网格划分与求解

采用Gambit软件进行几何建模，围护结构外墙上部靠近架空层处采用等比间距划分线网格的方式对网格进行了加密。架空层入口表面设置为速度入口边界(velocity inlet)，出口表面设置为出流边界(outflow);围护结构各外表面设置为固体壁面边界(wall)。考虑到实际工程所在环境对围护结构没有形成有效遮蔽，实验仓屋面和外墙表面的太阳辐射得热量不可忽略，在求解过程中辐射得热量根据当地气象数据折算为热源项加载在对应各边界条件中。模拟时段与一年储粮期内粮堆发生明显升温的时间段，即5月1日～9月30日，采用Fluent软件对流场和温度场进行了求解。

2.2 模拟结果的验证

为了验证所建立的研究模型，根据实验仓测试数据与模拟结果进行了比较，以相对误差作为衡量指标。实验采用贝博公司LYLJ有线通讯粮情检测系统FJ－512型测控机监测粮温，测温点共63个，如图2所示。测点沿粮堆深度方向分7层布置，最上层位于粮面以上0.6 m处，粮堆内第一层测温点位于粮面以下0.3 m，各层相距0.9 m，底层距仓内地面 0.6 m;水平方每层布置9个测温点，相邻测温点沿x、y方向分别相距2.5 和2.75 m，最外层距墙1.5 m。

取2015年5月1日—5月20日的测试数据作为对比，模拟中架空层流速取主导风向对应风速。图3是粮面以下0.3和3 m处两层测温点的实测平均值与对应模拟值。由图中数据可知，粮面以下0.3 m处最大相对误差5.3%，平均相对误差1.9%;粮面以下3 m处最大相对误差1.1%，平均相对误差0.2%。因此，温度场模拟值与实测值有较好的一致性，模型采用的假设较为合理。

图3 粮堆内部温度实测值与模拟值的对比

3 结果分析

3.1 架空层空气流速的影响

模拟中，架空层内空气流动方向取当地夏季主导风向，即自南向北。当架空层厚度为0.2 m时，在粮仓屋面未敷设高反射率涂层的条件下，不同空气流速对粮堆升温的抑制作用如图4所示。从模拟监测点平均温度来看，当空气流速从0.5 m/s增加到4 m/s时，粮面以下0.3 m处8月份时最高温度降低了1.1℃，空气流速再增加至10 m/s时，该层温度只降低了0.3℃，而粮面以下3 m处的平均温度在这一风速变化范围内几乎保持不变。由此可见，具有架空层结构的仓房，当高于外界自然风速时(夏季为1～5 m/s)，空气流速的变化对粮堆温度的影响并不明显。原因是，作为隔热系统，架空层几何参数的设置与风速之间存在最佳对应关系。在0.2 m空气层厚度下，外界风速约为5 m/s时，架空层内形成的流动即可有效带走由架空板传入的积热，阻断热量继续向仓内传递。而夏季高温环境中，仅靠提高风速并不能使仓内温度获得进一步的降低。

图4 不同架空层空气流速对粮堆温度的影响

图5 亦反映了这一趋势，图示为9月30日12时粮堆内部距粮面0.3 m处的水平面温度分布。与架空层空气流速较低时相比(v=0.5 m/s)，上层粮堆“冷心”区域的范围在空气流速达到4 m/s后明显扩大。

图5 不同空气流速对上层粮堆温度场的影响

3.2 架空层厚度的影响

模拟对架空层空气厚度的影响进行了研究。当架空层气流速度为2 m/s，其他条件不变时，空气层厚度分别设置为0.2 、0.3 、0.4 和0.5 m，不同空气层厚度对抑制粮堆升温的影响如图6所示。由粮堆上层和下层模拟监测点的平均温度可知，与气流速度类似，架空层厚度的增加不影响下层粮堆的温度，对上层粮堆的影响则表明该厚度存在最佳值，即δ=0.3 m。此时，与其他厚度值相比，温降效果更好。δ=0.3 m时，7、8月份上层粮温的降温幅度增加了1.2℃。基于所建物理模型，计算架空层空气流动对应的Re数，可知该流动属于平行板间湍流类型。δ=0.3 m时架空层湍流长径比 L/De为 15.44，与根据Latzko理论解［19］得到的湍流入口段长度对应长径比相差不足1%，如图7所示。因此，架空层空气厚度δ=0.3 m时，沿流动方向的整个屋面宽度与湍流入口段长度一致，充分利用了入口段热边界层较薄，表面传热系数较高的特点，在架空层中形成了更为有效的对流换热，减少了架空板和层内热量的积聚。

图6 架空层空气厚度对粮堆温度的影响

图7 湍流入口段长径比

如图8所示，架空层空气厚度为最佳值时，对仓内空气和上层粮堆的隔热更有效。δ=0.3 m时不仅降低了仓内上层空气的温度，削弱了靠近粮面的粮堆升温(1～2℃)，对通过东、西外墙传热造成的温升也形成了有效的抑制，使沿墙粮堆升温区域显著缩小。此外，图8也给出了屋面流动空气层和控制室侧静止空气层隔热效果的差别。因此，形成有效的湍流对流换热有利于增强架空层的隔热作用。

图8 不同架空层厚度下的温度场对比

3.3 架空板高反射涂层的影响

模拟针对粮仓屋面敷设高反射率涂层对太阳辐射造成的仓内温升的抑制作用进行了研究，涂层材料反射率为0.8，敷于架空板上面。架空层空气流速取季节平均值2 m/s，空气流动方向为当地夏季主导风向。结果表明，粮堆上层模拟监测点平均温度比未敷设涂层时仅降低约0.1℃，而底层粮温几乎不变，如图9所示。因此，粮仓屋面具有架空层结构时，反射涂层对减少屋面向下传热的效果并不明显，这也说明架空层通风形成的对流换热可以有效带走架空板的吸热，阻断屋面辐射得热向仓内的传递。