太阳能诱导式通风屋顶模型的研究

林会文　王荣　任杰　苟超　康威

【摘 要】基于太阳能诱导式通风屋顶的构造和原理，建立太阳能诱导式通风屋顶模型，通过正交试验得出实验方案，并通过实验数据初步分析出太阳能诱导式通风屋顶隔热能力。为实验研究及数学模型的建立奠定基础，得出太阳能诱导式通风屋顶的隔热能力与风管露出屋顶的高度、风管所在平屋顶面积、第二层屋面结构至原屋面距离、有无风帽及不同风帽结构、不同截面风管、第二层屋面材料有一定的相关性。

【关键词】太阳能；诱导式；通风屋顶；模型

【Abstract】Based on the structure and principles of solar induced ventilation of the roof， build solar induced ventilation roof model， obtained by orthogonal experimental program， and preliminary analysis of the experimental data of solar induced ventilation roof insulation capacity. Lay the foundation for the establishment of experimental research and mathematical models， obtained the solar induced ventilation roof insulation capacity related to the exposed roof duct height， duct of the area of flat roof， the distance between the second layer of the roof and the original， with or without hood and different structures of the hood， different duct cross-section， the material of second layer of roof.

【Key words】Solar energy； Inducing formula； Roof ventilation； Model

0 引言

我国大部分地区太阳能资源较丰富，全年日照时数为2800～3300h，且太阳总辐射为600～800kJ/cm2的地区包括西藏、新疆、甘肃、宁夏、青海的绝大部分地区，还包括陕西北部、内蒙古中西部[1-2]。但基于空间及成本等因素，为人类所利用的非常少。而空调建筑夏季冷负荷，主要来源于：（1）通过围护结构的传热；（2）通过透明围护结构进入的太阳辐射热量；（3）人体散热量；（4）设备、照明灯具散热量等[3]。通过围护结构的传热以及窗户进入的太阳辐射热量占总冷负荷的30%以上，其中夏季屋顶得热量为东南西北四面墙壁的2～3倍。

利用太阳能进行屋顶诱导式通风，可以减少建筑物夏季得热量，降低建筑物夏季制冷负荷，进而降低制冷设备装机容量，并提高室内空间舒适度是进行建筑节能减排的可行途径。

1 通风屋顶的原理

太阳辐射照射于建筑物双层屋顶外构造使上层屋顶构造表面不断吸收热量，部分热量会反射及对流散失于大气中，大多数的热量借由热传导及热对流传入自然通风空气层中，空气受热升温后因密度差产生热浮力，热空气上升产生热压导致空气层内空气的流动；另外，室外空气流动也会产生风压使得空气发生流动。通风屋顶基本原理如图1所示。

利用热压和风压，大部分的热量将会被流动的空气带走，只有少部分热量以热对流和热传导的方式进入室内。

2 通风屋顶的模型

屋顶构造的隔热能力对于室内居住环境十分重要，更是左右屋内舒适度及空调负荷的重要因素，为加强通风屋顶通风效果，在第二层屋顶构造上安装竖向风管，并涂成黑色，加上风帽或无动力通风风帽，利用烟囱效应加强通风。

建立通风屋顶模型，从影响通风屋顶隔热能力的风压和热压角度分析通风屋顶隔热能力的相关因素。影响因素可以为两类：屋顶本身的构造和气候条件。

（1）屋顶本身的构造。构造主要影响热压。首先，热压的大小由屋顶面积及间层厚度有关。屋顶面积越大，吸热量越大；空气间层越厚，热压作用越明显。其次，为了增强热压的作用，加上屋顶竖向通风管，影响竖向通风管热压大小的有通风管的长度、截面积、材质及表层颜色。长度和截面积影响吸热能力的大小，另外，如果在竖向通风管顶部加上无动力通风风帽，通风作用亦会加强[4]。

综上，影响通风屋顶隔热能力的屋顶构造主要有：风管露出屋顶的高度、风管所在平屋顶面积、第二层屋面结构至原屋面距离、有无风帽及不同风帽结构、不同截面风管、第二层屋面材料。

（2）气候条件。影响通风屋顶隔热能力的气候条件有：太阳辐射强度、太阳辐射高度角、室外风速、室外温度等。

3 实验方案及测试结果分析

根据通风屋顶的原理及模型，选取40cm、50cm、60cm长的竖向通风通道（方/圆）并刷黑漆、每个竖向通风通道配有无动力通风帽。调节竖向通风通道的数量为2、4、6个；调整通风屋顶空气间层的厚度20cm、25cm、30cm。按照正交试验原理可得到实验方案如表1所示。

4 隔热能力分析

加装通风屋顶的屋面与不加装通风屋顶的屋面向室内传递的热量可以通过式（1）[5]计算得出。

根据测试结果，如图3所示，这是测试期间某日测试数据，可以看出通风屋顶上表面与原始屋面的上表面温差在11点15分左右即达到10℃，后逐渐增大，至13点40分达到最大值18℃，至18点25分左右又下降至10℃。

当房间确定，屋顶面积确定，屋顶传热系数确定，传热量的大小与屋顶内表面温度、屋顶外表面温度直接相关。如下部房间设计温度为26℃，屋顶内表面温度为28℃。如图3所示，加装通风屋顶的屋面外表面温度40℃，向室内传递的热量12 K·F；不加装通风屋顶的屋面外表面温度58℃，向室内传递的热量30 K·F。不加装通风屋顶的屋面向室内传递的热量为加装通风屋顶的屋面向室内传递热量的2.5倍，因此，加装通风屋顶对建筑节能的贡献还是很可观的，尤其是太阳能诱导式通风屋顶的节能效果非常显著。具体应用还要考虑经济性和地区适用性。

5 结论

加装通风屋顶对建筑节能的贡献很可观，尤其是太阳能诱导式通风屋顶的节能效果非常显著，在新疆地区不加装通风屋顶的屋面向室内传递的热量为加装通风屋顶的屋面向室内传递热量的2.5倍。风管露出屋顶的高度、风管所在平屋顶面积、第二层屋面结构至原屋面距离、有无风帽及不同风帽结构、不同截面风管、第二层屋面材料等均会对通风屋顶隔热性能产生影响。这七个因素对屋顶的隔热能力均有不同的影响，本文的初步探索以期为实验研究及数学模型的建立奠定基础，为今后建筑节能及被动式建筑的设计使用提供更可靠有力依据。对于不同地区通风屋顶的隔热能力的影响因素研究及基础数据库的建立还有待进一步的探索。

【参考文献】

[1]李柯，何凡能.中国陆地太阳能资源开发潜力区域分析[J].地理科学进展，2010，09：1049-1054.

[2]潘进军，江滢，郭鹏，张永山.中国太阳能资源和环境气象因子影响分析[J].科技导报，2014，20：15-21.

[3]陆亚俊.暖通空调[M].中国建筑工业出版社，2007.

[4]谢浩.提高通风屋顶隔热性能的相关问题[J].建筑节能，2007，7：39-41.

[5]贺平，孙刚，等.供热工程[M].中国建筑工业出版社，2007.

[责任编辑：杨玉洁]