被动房冬季南北向墙体间的传热过程研究

王政 龚延风 陈丽萍

南京工业大学城市建设学院

0 引言

随着当前建筑节能工作的持续推进，被动房在我国夏热冬冷地区的试点和推广已陆续展开。由于被动房围护结构具有良好的保温隔热性和气密性，冬季室内温度可维持在20℃以上[1-2]。孔文憭等[3]通过对夏热冬冷地区某德国标准被动房冬季实际运行情况实测分析，进一步表明在室内无人且无任何辅助供热措施条件下，被动房在寒潮期间的自然室温稳定在18℃左右。建筑在冬季期间室内得热量主要来源于太阳辐射引起的围护结构传热、内热源散热和空调投入热量三个部分，其中由太阳辐射带来的围护结构之间传热是最重要的组成部分[4]。太阳辐射得热由南向北、由外向内逐步反应到建筑内部，墙体又具有一定的蓄热特性和保温功能，使室内平均温度一直保持在高于室外气温的水平。

以往的研究缺少对被动房自然室温形成原因和过程的分析，针对建筑南北向墙体间大跨度传热过程的研究更少。因此，本文基于FLUENT，针对被动房南向墙体到北向墙体的传热过程进行研究，为夏热冬冷地区被动房冬季室内热环境的形成、保障和实际运行策略提供参考，对于被动房气密性标准的制定和优化也具有一定工程应用价值。

1 物理模型

1.1 模型建筑概况

选取夏热冬冷地区某居住建筑为研究对象，采用Gambit软件对目标建筑进行三维几何建模，为突出南向外墙到北向外墙动态传热过程的特性，忽略外门窗，如图1所示。本次模型建筑为三室两厅居住户型，坐北朝南，共三层，以第二层为研究对象，其房间尺寸为10.7 m×15 m×3 m，平面布置见图2。

图1 模型建筑几何外观图

图2 模型建筑平面布置简图

1.2 围护结构体系

德国标准被动房围护结构构造及其热工参数列举如表1～4所示，符合《江苏省居住建筑热环境和节能设计标准》（DGJ32/J71-2008）中规定的节能达到50%和65%建筑的外墙、内墙、屋面和楼板等其他构造的热工参数均可查阅相关标准。

表1 被动房外墙构造

表2 被动房内墙构造

表3 被动房屋面构造

表4 被动房楼板构造

三种节能标准下的建筑围护结构传热系数汇总如下，见表5。

表5 各节能标准建筑围护结构传热系数

2 数学模型

2.1 墙体传热控制方程

对南向墙体到北向墙体动态传热过程作合理简化，假定如下：墙体温度只沿房间进深变化；室内无内热源；墙体为多层的定常物性结构，且墙体材料各向同性；各材料层间接触紧密，忽略接触热阻。墙体传热控制方程可表示为：

式中：ρ为密度，kg/m3；c 为定压比热容，J/(kg·K)；T 为墙体材料在τ时刻的温度，K；λ为导热系数，W/(m2·K)。

2.2 初始条件及边界条件

①初始条件

式中：T0为计算开始时的墙体温度，K，设定为281 K。

②边界条件

南向外墙：

东西向外墙为绝热边界：

北向外墙及屋面：

式中：tz为室外空气综合温度，K；tf为边界面周围空气温度，K；h为外墙外表面与室外空气之间的表面传热系数，取h=23 W/(m2·K)。

2.3 室外空气综合温度及其函数拟合

工程上把室外空气与太阳辐射两者对建筑围护结构的共同作用，用一个假想的温度tz来衡量，即室外空气综合温度，本文采用室外空气综合温度作用于南向外墙，研究墙体传热过程。选取夏热冬冷地区典型气象年最冷月某寒潮天的室外气象数据[5]，绘制出室外空气综合温度在一天内的变化情况，如图3所示。

任何连续的周期性波动曲线都可以用多项余弦函数叠加而成，即用傅里叶级数表示。实测资料表明，室外空气综合温度的周期性波动规律可视为一简单的简谐波曲线[6]。通过OriginPro数据拟合，作用于南向外墙面综合温度的变化可写成余弦函数形式：

式中：T为南向外表面在τ时刻的温度，K。

图3 室外空气综合温度

最后，使用FLUENT软件中的用户自定义函数功能（即UDFs）来描述室外空气综合温度的控制方程，在南向外墙面产生依赖于时间变量的温度边界条件。

3 模拟结果分析

3.1 被动房墙体传热过程分析

本文以建筑第二层，距其地板1 m高处的横截面为热流和温度的研究对象，分析被动房冬季自然室温的形成过程。模型建筑墙体的初始温度设置为8℃，选取软件连续模拟运行12天的数据进行分析。建筑的目标截面在第2天和第10天时墙体温度分布情况，如模拟结果图4～5所示，单位为K。

图4 墙体横截面在第2天时温度分布

图5 墙体横截面在第10天时温度分布

将不同模拟时刻南向主卧、北向次卧内墙壁的热流和温度变化统计如图6、图7所示。其中，热流为正表示热流方向由室外到室内，即室内得热；热流为负表示热流方向由室内到室外，即室内散热。

图6 南向主卧内墙壁热流和温度变化

由图6分析可知：对于热流密度，前6天曲线波动明显，最大值为16 W/m2，最小值为-14 W/m2，得热量与部分散热量相互抵消，结果表现为室内得热，这也是南向主卧室温逐步升高的原因；第7、8两天，热流曲线变化放缓，平均热流密度在2 W/m2左右；第9天时，热流密度逐渐稳定在4.2 W/m2。温度曲线总体上呈上升趋势，传热开始时，由于被动房良好的保温隔热性能和重质墙体大惯性体系的存在，南向主卧内墙壁温度基本保持不变，在36 h～48 h后温度才有了较明显升高；第9天到第10天之间温度变化趋于平缓，逐渐稳定在18.3℃左右。

图7 北向次卧内墙壁热流和温度变化

从图8可以看出：热流密度曲线，在前3天波动不大，平均值为-8 W/m2，室内持续散热，表现为室温下降，下降约1.2℃；第4天热流密度逐渐增大，并在第5天变为正值，即南向外墙吸收太阳辐射的热量此时已传递到北向墙体，表现为室温逐渐升高；到第9天时，热流密度曲线稳定在3.5 W/m2。而温度曲线总体趋为势先降低后升高，传热开始时，除了被动房良好的保温隔热性能，北向外墙几乎不受太阳辐射变化的影响，所以北向次卧内墙壁温度在48 h内基本保持不变；第3天到第4天之间温度略有下降，之后便逐步升高，在第10天稳定在16.4℃左右。

3.2 不同节能标准下的建筑室内热环境对比分析

对三种围护结构体系建筑进行模拟，选取自然室温稳定后3天的数据，以南向主卧为研究对象，对比分析德国标准被动房和符合《江苏省居住建筑热环境和节能设计标准》（DGJ32/J71-2008）中规定的节能达到50%和65%建筑的自然室温和内墙壁热流，如图8和图9所示。

图8 三种围护结构体系的室内温度对比

图9 三种围护结构体系的内墙壁热流对比

从图8曲线总体趋势看，建筑节能达50%的室温波幅最大，建筑节能达65%的其次，被动房室温波动较平缓，平均室温稳定在18.8℃左右，分别比建筑节能达50%和65%的平均室温高7.9℃和5.3℃，并且后两者室温与室外空气综合温度相比，温度波均存在不同程度的延迟现象。由图9可知，被动房内墙壁热流波幅明显小于建筑节能达50%和65%的波幅，且内墙壁热流平均值高于建筑节能达50%和65%平均值。被动房、建筑节能达50%和65%的内墙壁热流平均值分别为 4.3 W/m2、0.8 W/m2、1.4 W/m2，被动房内墙壁热流密度分别比建筑节能达50%和65%高3.5 W/m2和2.9 W/m2。因此，综合图8和图9的分析结果，被动房在冬季期间的室内热环境舒适度更高。

4 结论

1）被动房室内基础温度的形成是在室外气候条件下持续作用的累积结果。墙体传热开始时，南向主卧前6天热流曲线波动明显，热流平均值表现为室内得热，即南向主卧室温逐步升高，第7、8两天，热流曲线变化放缓，平均热流在2 W/m2左右，第9天时，热流密度逐渐稳定在4.2 W/m2；北向次卧热流在前3天波动不大，平均值为-8 W/m2，室温下降约1.2℃，第4天热流密度逐渐增大，并在第5天变为正值，即南向外墙吸收太阳辐射的热量此时已传递到北向墙体，表现为室温逐渐升高，到第9天时，热流曲线稳定在3.5 W/m2。

2）对于被动房的室内温度变化，南向主卧内墙壁温度在36 h～48 h后温度才有所升高，第9天到第10天之间温度变化开始趋于平缓，逐渐稳定在18.3℃左右；北向次卧内墙壁温度在48 h内基本保持不变，第3天到第4天之间温度略有下降，之后逐渐升高，在第10天稳定在16.4℃左右。

3）与符合《江苏省居住建筑热环境和节能设计标准》（DGJ32/J71-2008）中规定的节能达到50%和65%建筑比较，被动房冬季室内热环境舒适度更高。被动房平均室温稳定在18.8℃左右，分别比建筑节能达50%和65%的平均室温高7.9℃和5.3℃；被动房内墙壁热流密度约为4.3 W/m2，分别比建筑节能达50%和65%的热流值高3.5 W/m2和2.9 W/m2。