空氣夾層流動換熱特性及在建筑圍護結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究.pdf

1、圍護結(jié)構(gòu)是影響空調(diào)、供暖能耗的關(guān)鍵因素，提升圍護結(jié)構(gòu)的傳熱性能，有助于降低負荷，進而減小建筑能耗。在建筑外圍護結(jié)構(gòu)中預(yù)留空氣夾層能夠提高其傳熱熱阻，或在圍護結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)被動式冷卻、熱風供暖、自然通風及新風供應(yīng)等不同功能，所以受到越來越廣泛的應(yīng)用。但由于目前缺少針對空氣夾層的基礎(chǔ)理論研究，導致圍護結(jié)構(gòu)中空氣夾層的節(jié)能設(shè)計，缺少理論依據(jù)，強化或弱化夾層內(nèi)空氣的流動換熱過程，缺少運行指導策略。
　　本文從揭示圍護結(jié)構(gòu)中空氣夾層內(nèi)部流動和傳

2、熱機理入手，利用數(shù)值模擬方法，分析空氣夾層內(nèi)部的流動和傳熱特性，提出不同夾層特征內(nèi)的流態(tài)判定準則，并給出空氣夾層傳熱優(yōu)化的依據(jù)及方向。
　　針對空氣夾層的流動問題展開研究，基于渦量-流函數(shù)模型，對不同尺寸及不同Ra數(shù)下，空氣夾層內(nèi)的流通工況進行了模擬計算，通過分析夾層內(nèi)部空氣流動特征隨 Ra數(shù)的變化發(fā)展趨勢，提出了不同幾何特征下基于Ra數(shù)的流態(tài)判定依據(jù)，并對圍護結(jié)構(gòu)空氣夾層內(nèi)的流態(tài)進行了判斷。
　　建立了封閉夾層內(nèi)空氣層流自

3、然對流和輻射耦合傳熱模型，通過計算分析了夾層中對流和輻射換熱量各自所占比例及其變化規(guī)律，結(jié)果表明，輻射換熱所占的比例在60％以上。夾層的高度、寬度、傾斜角度、壁面溫差及表面發(fā)射率均會對傳熱產(chǎn)生影響；可通過優(yōu)化夾層寬度和降低表面發(fā)射率來抑制封閉夾層的熱量傳遞。對于高度為0.8-1.5m的封閉夾層，其最佳寬度為20mm。
　　通過紊流自然對流和輻射耦合傳熱模型研究了流通夾層內(nèi)部的空氣流動特性，考察了流通夾層的空氣流量、溫升及其影響因素

4、，發(fā)現(xiàn)壁面熱流對流通內(nèi)空氣的加熱作用僅發(fā)生在壁面附近區(qū)域；夾層高度、寬度、熱流密度及夾層與水平夾角的增加，均會增加通過夾層的空氣流量，但溫升會隨寬度及夾角的增加而降低。對于高度為2-4m的流通夾層，用于熱風供暖時寬度不宜大于0.2m；用于通風時最佳寬度為0.6m。
　　利用得到的空氣夾層內(nèi)自然對流流動和換熱的相關(guān)理論，對多玻窗、Trombe墻和外墻式太陽能煙囪等在寒區(qū)建筑中的典型應(yīng)用工況，進行了模擬，分析了空氣夾層結(jié)構(gòu)的性能及影響

5、因素，給出了寒區(qū)多玻窗、Trombe墻和外墻式太陽能煙囪的設(shè)計及運行策略。
　　基于空氣夾層墻體與室內(nèi)空間共軛傳熱問題的整體式求解法，完成了封閉夾層及流通夾層墻體共軛問題的求解，分析了空氣夾層的應(yīng)用對室內(nèi)環(huán)境和氣流分布的影響。相對于普通房間，圍護結(jié)構(gòu)中采用封閉空氣夾層時，能有效提高墻體保溫隔熱性能；當形成流通的空氣夾層時，能通過熱風供應(yīng)提高室溫和墻體內(nèi)壁面溫度，所以能有效改善室內(nèi)熱環(huán)境。
　　采用實測和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的

6、方法探討了太陽能熱風墻用于寒區(qū)農(nóng)宅時，對冬季室內(nèi)熱環(huán)境的改善程度，結(jié)果顯示太陽能熱風墻的三種熱風供應(yīng)模式能夠提升室內(nèi)溫度、降低溫度波動。提出了采用CCP局部供暖結(jié)合太陽能熱風墻的聯(lián)合供暖方式，模擬分析了該方式的供暖效果。
　　本文的研究工作，不僅能夠豐富空氣夾層圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱技術(shù)的應(yīng)用方式，為外圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能提供新的思路和方法，還能夠?qū)ㄖ粍邮焦?jié)能方法及理論進行補充，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。研究結(jié)果還適用于其他包含空氣夾