建筑围护结构中封闭方腔空气夹层的热工性能研究

摘要

在全球能源日益紧张、环境严重恶化的背景下，全世界都在进行“低碳经济、节约能源、减少污染物排放”的研究，而建筑是节能潜力最大的用能领域，应该引起我们特别的关注。其中，改善建筑外围护材料的保温隔热性能是降低建筑能耗的主要途径之一。
　　由于常温下空气的导热系数λ为0.026W/（m·K），具有良好的保温隔热特性。目前，带有不同数量“封闭空气夹层”的建筑材料的应用日趋广泛，所以本论文主要研究“封闭方腔空气夹层”的热工性能，寻求最佳的空气夹层结构，为在建筑围护结构中的应用奠定理论基础，具体的研究内容包括：
　　（1）影响封闭方腔空气夹层传热的主要因素包括：夹层内的气体种类、空气夹层的厚度L、空气夹层的高度H、夹层冷热壁面温差△T和空气夹层的放置角度等，其中空气夹层的厚度L、空气夹层的高度H和夹层冷热壁面温差△T是三个最主要的影响因素。
　　（2）“封闭方腔空气夹层”内的传热是导热、对流换热和辐射换热三者的复合换热过程，其中，辐射换热占主要部分，导热和对流换热所占比例较小。研究表明：辐射换热不随空气夹层的厚度L和高度H发生明显的变化，在一定的情况下，可认为辐射换热为一常数，那么，可认为当对流换热量达到最小时的空气夹层厚度为其最佳厚度。
　　（3）利用FLUENT软件对封闭方腔空气夹层自然对流进行模拟计算，研究结果表明：空气夹层的高度H对辐射换热量qr和对流换热量qs影响较小，所以空气夹层的厚度L和壁面温差△T是影响封闭方腔空气夹层自然对流的最主要因素，并且随着L和△T的增大，空气夹层内的气体运动加强，扰动也明显增强；空气夹层厚度L和高度H对空气夹层中的辐射换热影响微弱，而温差△T对其影响较大，当△T增大时，辐射换热明显增强，说明壁面的温差是影响辐射换热的主要因素；本文采用了两组典型的室内外温差，即：△T=6.5℃和?T=15℃。厚度L范围在60mm以内，找到了封闭方腔空气夹层的最佳厚度为20mm左右。当空气夹层的厚度L<20mm时，总的热流量q减少的幅度较大；当空气夹层的厚度L>20mm时，热流量q减少的幅度非常小。
　　（4）通过经验公式计算结果与数值计算结果的比较表明：随着厚度L的增加，传热系数和热流量都在逐渐减少；当L<20mm时它们的减小幅度较大；当L>20mm时它们的减小幅度很小，可认为20mm左右为其变化的转折点；经验公式计算值大于模拟结果计算值，尽管模拟结果和经验公式计算的结果有一定的误差，但是他们在一定范围内的变化趋势是相同的，任具有一定的参考价值。
　　（5）利用实验对模拟计算结果进行验证，研究结果表明：由于实验过程中无法保证严格的密封及实验装置边缘的热量损失，导致实验结果和模拟结果在热流量上存在一定的差距，并且实验结果值大于模拟结果，然而实验数据与模拟数据的变化规律是一致的，对于封闭方腔空气夹层最佳厚度的确定具有一定的指导意义，在实际工程中考虑到结构的稳定性、成本及施工可行性等因素，可认为20mm是其最佳的空气夹层厚度。

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主 要 符 号 表

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 技术路线

第2章 建筑围护结构中“空气夹层”的节能概述

2.1“空气夹层”作为保温隔热材料热工原理及构造类型

2.2“空气夹层”在建筑围护结构中的应用

2.3 封闭方腔空气夹层保温隔热特性的影响因素

2.4 本章小结

第3章 封闭方腔空气夹层的传热计算

3.1 封闭方腔空气夹层的传热组成

3.2 封闭方腔空气夹层传热计算

3.3 封闭方腔空气夹层热阻分析

3.4 本章小结

第4章 封闭方腔空气夹层的数值模拟

4.1 研究方法介绍

4.2 FLUENT数值模拟分析

4.3 数值模拟与经验公式计算结果比较

4.4 本章小结

第5章 封闭方腔空气夹层热量传递的实验研究

5.1实验原理及可行性分析

5.2实验设备与材料

5.3实验结果的分析

5.4实验结果与模拟结果的对比分析

5.5小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录 攻读硕士研究生期间的成果

致谢