自然通风状态下轻质屋面隔热性能分析

付昌杰 冯雅 刘东升

摘要：在自然通风状态下，室内空气和屋面是耦合传热过程，文章建立轻质保温屋面和室内空气耦合传热的三维物理及数学模型，分析了屋顶有无保温措施和保温层厚度对屋顶隔热性能及室内热环境的影响。分析表明：轻质保温屋顶比传统无保温屋顶能显著降低屋顶内表面温度波动，保温厚度增加到200 mm，温度波动衰减几乎不变;在延迟效果上，有保温屋顶对温度的延迟效果明显，延迟程度随保温厚度增加逐渐减弱。

[基金项目]国家政府间国际科技创新合作重点专项（项目编号：2019YFE0100300-11）

[作者简介]付昌杰（1988—），男，硕士，工程师，研究方向为建筑节能及建筑热物理方面。

既有传统建筑中木结构屋面顶热工性能差，夏季屋面顶内表面温度高，夏季屋面顶内表面温度对人体的辐射占到很大部分室内热环境差，严重影响了建筑室内的热舒适性。因此，提高屋面保温隔热性能，对提高抵抗夏季室外热作用的能力尤其重要，也能减少空调能耗，改善室内热环境具有极为重要的作用。

近年来国内外对轻质屋面保温隔热性能进行了大量研究，但大部分都是在空调模式下对屋面顶热工状况做研究。王平[1]对平屋面通风隔热性能做了实验测试和CFD数值研究，研究表明：屋面通风隔热效果显著，并验证了Fluent在屋面模型传热计算中的可行性;黄夏东[2]通过实验的方式对位于福建建筑科学研究院金山基地屋面顶做了4种隔热保温性能热工分析，给出常规架空屋面不能满足节能要求，对屋面顶的传热系数控制在1.0 w/m2K以下。

以上研究所建立的分析模型均人为设定室内空气温度及室内壁换热系数，仅对屋面固体结构传热进行分析。实际上，室内空气流场结构复杂，壁面各处换热性能不同，必须对屋面和室内空气进行耦合传热分析才能准确预测室内热环境及屋面表现的热工性能。

针对既有传统建筑的屋面顶改造，本文主要分析在自然通风状态下，对轻质屋面热工性能的改造对室内热环境的影响。

1 传统民居轻质保温隔层屋面物理模型

房屋物理模型见图1，东西方向為两面墙，南墙带有门，北墙有开窗，南北方向实现通风，顶部是南北坡向的轻质屋面顶。房间四周墙体的主体结构尺寸，长6.52 m，宽5.02 m，高3.6 m，墙厚0.26 m，墙两侧存在抹灰0.01 m。南墙门开口尺寸2 m×1.8 m，北墙窗开口尺寸1.5 m×1.8 m。屋面分为3层，由上到下依次为15 mm瓦、保温层、10 mm木制天花板，为了比较保温层厚度对屋面热工性能和室内热环境影响，保温层厚度分别取0 mm、100 mm、200 mm、300 mm。因为本研究对象为东西对称结构，为了简化计算，所以取整间房屋的一半来研究。

模型材料的物性参数详见表1。

2 数学模型

2.1 流动控制方程

本文考虑了自然对流的影响，因为在每个时刻空气存在温差，空气密度随温度变化，在热压的作用下，空气会上浮，因此将空气采用Boussinesq假设，在温度变化不是很大的时候，此假设能很好的模拟自然对流现象。

对于湍流模型，金新阳[3]等对数值风工程应用中湍流模型做了比较研究，谢海英[4]也对前后通风建筑内外流动湍流模型做了比较。根据前人的结果本文选用RNG k-ε二方程湍流模型。

2.2 边界条件

围护结构外表面接收的太阳辐射量可以认为围护结构外表面和天空进行辐射换热，天空可以假定成一个无限大的黑体平面。当有太阳辐射时，屋面和墙体南侧外表面接收的太阳辐射热流量可以表示为qb=ρI=εσ（Tb4-T4r），其中ρ为围护结构外表面对太阳辐射的吸收系数;ε为围护结构外表面发射率，在灰体辐射中ρ=ε;I为太阳辐射强度;Tr为围护结构外表面温度。Tb为天空有效黑体辐射温度。

当无太阳辐射时，即夜间的时候，Tb采用成都地区典型气象年一天的逐时天空有效温度。

（1）屋面外表面、南侧竖直端面采用壁面第三类边界条件和辐射边界条件的混合边界条件。

式中：tf为室外温度;tr为屋面外表面温度;ts为南墙外表面温度; hr为屋面外表面对流换热系数，W·（m2·K）-1;hs为南墙外表面对流换热系数，W·（m2·K）-1;ε为屋面或墙体外表面发射率;σ为黑体辐射常数，其值为5.67×10-8W·（m2·K4）。

（2）为了分析房屋在自然通风状态下表现出来的热物理性质，南墙门和北墙窗都采用压力出口边界条件，压力出口表压力取0 Pa;东西墙和北墙采用定壁温边界条件T=299 K。

室外温度和太阳辐射强度采用成都地区7月20日典型气象年的数据，屋面和南墙外表面对流换热系数取18W·（m2·K）-1，屋面顶和南墙外表面吸收系数分别取0.8和0.67[5]。建筑论坛与建筑设计付昌杰， 冯雅， 刘东升： 自然通风状态下轻质屋面隔热性能分析

3 数值模拟结果与分析

3.1 屋面隔热性能分析

热惰性是表征围护结构对外界温度波动的抵抗能力，围护结构热惰性越大，对室外温度波动的抵抗能力越强，房屋室内的温度波动较小，室内温度相对稳定。因屋面南北两侧只是辐射强度不同，对屋面热惰性的研究，本节以南侧屋面顶为研究对象。屋面外表面平均温度逐时分布曲线见图2。屋面内外表面平均温度逐时分布曲线见图3。

由图2可知，由于屋面保温板的存在，导致有太阳直射的时间段，屋面外表面温度会略高于保温屋面外表面温度2 ℃左右，但当太阳落山，由于保温板对室内热量的阻隔，屋面外表面温度由于室外对流的作用，温度减低速度明显优于无保温屋面，对城市热岛强度的降低起到有利作用。

自然通风下图2与图3进行对比，无保温屋面内外表面温度差在1 ℃左右，屋面几乎对外表面温度没有延迟和衰减作用，屋面内表面温度随太阳辐射强度增减规律一致;有保温屋面内表面温度波动幅度相对平稳。

屋面采取保温后，内表面温度会有明显的降低，但随着保温层厚度的增加屋面内表面温度衰减幅度逐渐减小，说明在采用保温屋面时存在一个合理的保温层厚度。不同保温层厚度屋面隔热性能和对温度的延迟及衰减程度见表2。

由表2可知，对屋面增加保温层，提高了屋面的热阻，能有效地改善屋面内表面温度过高的现象，显著地降低屋面内表面对人体的长波辐射作用;当保温层厚度增加到一定程度之后，屋面内表面温度全天温差将会趋于一致，温度衰减值与延迟时间逐渐增加，增加保温层厚度对室内热环境改善作用越来越小。

3.2 室内热环境分析

因正午时分太阳辐射强度最大，选取正午时的室内温度场，对有保温与无保温措施屋面顶作比较。根据3.1章节的分析，100 mm的保温板已经可以对屋面内表面温度起到很好的改善作用，所以本节取100 mm保温屋面与无保温屋层顶作比较，室内温度场分布见图4。

从图4可以看出，在屋面外表面有持续的太阳辐射下，无保溫屋面房屋空气上层出现闷顶现象，由上到下温度依次降低;有保温屋面室内没有出现闷顶现象，室内空气温度均衡。闷顶的存在使房屋上层空气形成一个大的保温层，且室内低温区域会明显减少，对既有建筑增加屋面顶保温能有效地改善室内热环境，提升室内舒适区域范围。

4 结论

通过对既有传统轻质屋面房屋的耦合传热模拟计算，得出结论：

（1）对既有轻质屋面增设保温层能显著降低屋面内表面温度及波动，且能够在一定程度上对降低城市热岛现象上起到有利作用。当保温层厚度增加到一定程度之后，屋面内表面温度全天温差将会趋于一致，温度衰减值与延迟时间逐渐增加，增加保温层厚度对室内热环境改善作用越来越小。

（2）在屋面外表面有持续的太阳辐射下，无保温层屋面室内空气由上到下温度依次降低，且室内低温区域会明显减少;有保温层屋面室内空气温度均衡，能有效地改善室内热环境，提升室内舒适区域范围。

（3）对既有传统轻质屋面通过增加保温材料的做法有助于改善室内热环境，保温层厚度在100 mm级（以XPS保温板热工性能为例）为宜。

参考文献

[1] 王平.通风屋面隔热性能分析研究[D]. 长沙： 湖南大学，2008.

[2] 黄夏东.屋顶隔热构造的热工性能分析[J]. 福建建筑，2005（2）：32-33.

[3] 金新阳，杨伟，金海，等. 数值风工程应用中湍流模型的比较研究[J]. 建筑科学，2006，22（5）：1-3.

[4] 谢海英，张道方.前后通风的建筑内外流动湍流模型比较[J]. 上海理工大学学报，2007，29（5）：449-452.

[5] 华南理工大学，重庆大学，大连理工大学，等.建筑物理[M].广州：华南理工大学出版社，2002.