CN105040854A - 一种自落式热交换节能墙及传热计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自落式热交换节能墙及传热计算方法，包括节能墙本体，其特征是：所述节能墙本体包括基层墙体，所述基层墙体的外侧由内而外依次设置为实体保温层、自重式循环水管道、空气间层和外饰面层，所述外饰面层上设置有一组进风口，所述空气间层的顶部设置有出风口和吸热板。本发明的自重式循环水系统与空气间层相结合，且充分利用封闭空气间层保温和通风空气间层隔热的特点，使墙体在不大幅增加成本的基础上，具有保温隔热节能的良好效果。

Description

一种自落式热交换节能墙及传热计算方法

技术领域

本发明涉及建筑节能技术领域，具体地讲，涉及一种自落式热交换节能墙及传热计算方法。

背景技术

随着世界经济的迅猛发展，能源短缺成为不容忽视的现实问题。目前，全世界有近30％的能源消耗在建筑物上，长此以往，将严重影响和制约着世界经济的可持续发展。节约能源已受到世界各国的普遍关注，我国亦不例外。当前，我国的建筑能耗约占全国总用能量的1/4，居耗能首位，尤其是建筑的采暖和空调能耗，还在呈逐年上升趋势，因此建筑节能已刻不容缓。建筑节能设计是全面建筑节能中一个很重要的环节，有利于从源头上杜绝能源的浪费。而建筑中作为外围护结构的外墙和屋顶是耗能的主要部位，因此外墙和屋顶的节能设计就是重中之重。空气在常温条件下的导热系数为0.03W/(m·K)，远远低于建筑上常用保温隔热材料的导热系数，因此在建筑设计中常利用空气间层作为围护结构的保温隔热层。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种自落式热交换节能墙及传热计算方法，以减少建筑物的能耗，达到隔热保温的效果。

本发明采用如下技术方案实现发明目的：

一种自落式热交换节能墙，包括节能墙本体，其特征是：所述节能墙本体包括基层墙体，所述基层墙体的外侧由内而外依次设置为实体保温层、自重式循环水管道、空气间层和外饰面层，所述外饰面层上设置有一组进风口，所述空气间层的顶部设置有出风口和吸热板。

作为对本技术方案的进一步限定，所述实体保温层由挤塑聚苯板与胶粉聚苯颗粒粘接而成。

作为对本技术方案的进一步限定，所述实体保温层的外侧敷设抗裂砂浆复合耐碱玻纤网格布和柔性耐水腻子。

作为对本技术方案的进一步限定，所述基层墙体为现浇钢筋混凝土墙体。

作为对本技术方案的进一步限定，所述基层墙体与所述实体保温层通过粘结连接。

作为对本技术方案的进一步限定，所述空气间层由所述实体保温层与所述外饰面层相隔而成，每隔一定层高分层设置所述进风口。

作为对本技术方案的进一步限定，所述自重式循环水管道设置在所述空气间层内，紧靠所述实体保温层，所述自重式循环水管道呈蛇形沿所述实体保温层敷设，坡度为1％。

作为对本技术方案的进一步限定，所述节能墙本体的传热系数K₀′的计算公式为：

${{\text{K}}_{\text{0}}}^{\′}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_i}+\mathrm{\Σ}\frac{d}{\mathrm{\λ}}+0.18+\frac{1}{2.0\sqrt[4]{(t-\mathrm{\θ})}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_e}}---\left(1\right)$

式中：α_i—基层墙体内表面的换热系数，W/(m²·K)；α_e—实体保温层外表面的换热系数，W/(m²·K)；d—基层墙体和实体保温层的厚度，m；λ—基层墙体和实体保温层的导热系数，W/(m·K)；t—空气间层内空气温度，冬季取节能墙本体内表面的壁面温度，夏季取室外空气温度，℃；θ—循环水的温度，℃；0.18—空气间层的热阻，(m²·K)/W。

一种自落式热交换节能墙传热计算方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)计算基层墙体和实体保温层的传热系数K₀：

$K_0=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_i}+\mathrm{\Σ}\frac{d}{\mathrm{\λ}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_e}}$

α_i：为基层墙体内表面的换热系数，W/(m²·K)；

α_e：为实体保温层外表面的换热系数，W/(m²·K)；

d：为基层墙体和实体保温层的厚度，m；

λ：为基层墙体和实体保温层的导热系数，W/(m·K)；

(2)计算空气间层的热阻和循环水与空气间层的对流换热阻，垂直的空气间层当厚度增加到40mm及以上时，其热阻值均为0.18(m²·K)/W，循环水与空气间层的对流换热阻，可通过以下公式求得：

$R_c=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_c}=\frac{1}{2.0\sqrt[4]{\mathrm{\Δ}t}}=\frac{1}{2.0\sqrt[4]{t-\mathrm{\θ}}}$

α_c：为对流换热系数，W/(m²·K)；

Δt：为循环水与空气间层内空气的温度差，℃；

t：空气间层内空气温度，冬季取节能墙本体内表面的壁面温度，夏季取室外空气温度，℃；

θ：循环水管道的温度，℃；

(3)节能墙本体的传热系数K₀′的计算公式为：

${{\text{K}}_{\text{0}}}^{\′}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_i}+\mathrm{\Σ}\frac{d}{\mathrm{\λ}}+0.18+\frac{1}{2.0\sqrt[4]{(t-\mathrm{\θ})}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_e}}$

式中：α_i—基层墙体内表面的换热系数，W/(m²·K)；α_e—实体保温层外表面的换热系数，W/(m²·K)；d—基层墙体和实体保温层的厚度，m；λ—基层墙体和实体保温层的导热系数，W/(m·K)；t—空气间层内空气温度，冬季取节能墙本体内表面的壁面温度，夏季取室外空气温度，℃；θ—循环水的温度，℃；0.18—空气间层的热阻，(m²·K)/W。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的自重式循环水系统与空气间层相结合，且充分利用封闭空气间层保温和通风空气间层隔热的特点，使墙体在不大幅增加成本的基础上，具有保温隔热节能的良好效果。空气间层的进风口可根据季节情况开启和关闭。冬季进风口关闭，空气间层变为封闭的空气间层，增加了墙体的保温能力；同时循环水由地源系统获得热量，流经外墙时，释放热量，减少了外墙的热量散失，进一步增强了墙体的保温。夏季进风口开启，空气层就变成通风空气间层，一方面流动的空气带走大量的余热，另一方面循环水由地源系统冷却，流经外墙时，吸收空气间层中空气的热量，进一步减少了进入室内的热量，起到了隔热的作用。

附图说明

图1为本发明的墙体整体剖面图。

图2为墙体构造示意图。

图3为自重式循环水管道示意图。

图中，1-基层墙体，2-粘结层，3-挤塑聚苯板，4-胶粉聚苯颗粒层，5-抗裂砂浆复合耐碱玻纤网格布，6-柔性耐水腻子，7-自重式循环水管道，8-空气间层，9-外饰面层，10-进风口，11-出风口，12-吸热板。

具体实施方式:

下面结合实例，进一步说明本发明。

参见图1-图3，本发明包括基层墙体1，所述基层墙体1的外侧由内而外依次设置为实体保温层、自重式循环水管道7、空气间层8和外饰面层9，所述外饰面层9上设置有一组进风口10，所述空气间层8的顶部设置有出风口11和吸热板12；所述实体保温层由挤塑聚苯板3与胶粉聚苯颗粒层4粘接而成；所述实体保温层的外侧敷设抗裂砂浆复合耐碱玻纤网格布5和柔性耐水腻子6；所述基层墙体1为现浇钢筋混凝土墙体；所述基层墙体1与所述实体保温层通过粘结层2连接；所述空气间层8由所述实体保温层与所述外饰面层9相隔而成，每隔一定层高分层设置所述进风口10；所述自重式循环水管道7设置在所述空气间层8内，紧靠所述实体保温层，所述自重式循环水管道7呈蛇形沿所述实体保温层敷设，坡度为1％。

工作机理:

1、自重式循环水系统

自重式循环水管道与地源系统相连。利用地能一年四季温度稳定的特性，冬季把地能作为热源，加热循环水，当循环水流经外墙时，一方面与空气间层中的空气进行热量交换，提高了空气温度，另一方面与实体墙换热，提高了壁面温度，减少保温层内冷凝现象的出现，起到了保温的作用。夏季把地能作为冷源，冷却循环水，当循环水依靠自重沿墙流下时，一方面与通风间层内的空气换热，另一方面相当于为墙体增加了一道屏障，进一步降低了进入室内的热量，起到了隔热的作用。

2、空气间层

空气间层8在冬夏两季的工作机理是不同的。冬季空气间层8为封闭的，此时进风口10全部关闭，空气间层8内为静止的空气；夏季各进风口10打开，空气间层8内为流动的空气，带走多余热量。

(1)冬季工况

封闭空气间层8中的传热过程，与固体材料层不同。固体材料层内是以导热方式传递热量的。而在空气间层8中，导热、对流和辐射三种传热方式都明显地存在着，其传热过程实际上是在一个有限空气层的两个表面之间的热转移过程，包括对流换热和辐射换热。因此，空气间层8不像实体材料层那样，当材料导热系数一定后，材料层的热阻与厚度成正比关系。在空气间层8中，其热阻主要取决于间层两个界面上的空气边界层厚度和界面之间的辐射换热强度。所以，空气间层8的热阻与厚度之间不存在成比例地增长的关系。结合实验测试结果和工程实际状况，50mm厚度的空气间层可以很好的起到保温作用。本发明中墙体的空气间层8均采用50mm。此外，对于空气间层8，在总的传热量中，辐射换热占的比例最大，因此，应采取措施减少辐射换热量。

(2)夏季工况

夏季空气间层8各进风口10打开，室外空气流经空气间层8，带走部分从外饰面层9传入的热量，从而减少透过基层传入室内的热量。空气间层8的隔热效果，主要靠通风带走热量。被空气间层8空气带走的热量愈大，则传入室内的热量愈小。通风量与空气流动的动力、通风面积等因素有关。

风压和热压是空气流动的动力，其计算公式如下：

(1)风压：

$p=K\frac{v^2{\mathrm{\ρ}}_e}{2g}kg/m^2---\left(1\right)$

式中：p—风压，Pa；v—风速，m/s；ρ_e—室外空气密度，kg/m³；g—重力加速度，m/s²；K—空气动力系数。

由公式可知，风压作用的大小取决于产生的风压差。本发明中将进风口的进、排风口分别设置在正压区和负压区，以提高风压通风的效果。

(2)热压：

ΔP＝h(ρ_e-ρ_i)kg/m²(2)

式中：ΔP—热压，Pa；h—进、排风口中心线间的垂直距离，m；ρ_e—室外空气密度，kg/m³；ρ_i—室内空气密度，kg/m³。

由公式可知，热压作用的大小取决于室内外空气温差所导致的空气密度差和进出气口的高度差，本发明中采用在不同层高设置进风口，且选取适当的进风口的颜色、材质，以提高热压通风效果。

3、节能墙体的传热系数计算公式

衡量围护结构保温节能效果的评价指标为围护结构的传热系数K₀。在冬季保温的节能设计中，计算基于围护结构为一维稳定传热，则：

$K_0=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_i}+\mathrm{\Σ}\frac{d}{\mathrm{\λ}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_e}}$

α_i：为基层墙体内表面的换热系数，W/(m²·K)；

α_e：为实体保温层外表面的换热系数，W/(m²·K)；

d：为基层墙体和实体保温层的厚度，m；

λ：为基层墙体和实体保温层的导热系数，W/(m·K)；

注：原公式中为多层平壁的总热阻，且各层平壁为均质的实体材料层。

本发明中节能墙体增加了空气层，且在空气层中均匀布置了循环水管，使之总热阻中增加了空气间层的热阻和循环水与空气间的对流换热阻。垂直的空气间层当厚度增加到40mm及以上时，其热阻值均为0.18(m²·K)/W。循环水与空气间的对流换热阻，可通过以下公式求得：

$R_c=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_c}=\frac{1}{2.0\sqrt[4]{\mathrm{\Δ}t}}=\frac{1}{2.0\sqrt[4]{t-\mathrm{\θ}}}$

α_c：为对流换热系数，W/(m²·K)；

Δt：为循环水与空气间层内空气的温度差，℃；

t：空气间层内空气温度(冬季取室内内表面的壁面温度，夏季取室外空气温度，因为循环水管设置在空气间层内，是间层内的空气和循环水对流换热。冬季间层为封闭的，空气不流通，间层内空气温度取节能墙本体内表面的壁面温度，夏季间层是打开的，为通风间层，间层和室外相连通，所以间层内温度取室外空气温度；

θ：循环水的温度，℃；

由此，本发明的节能墙体的传热系数K₀′的计算公式：

${{\text{K}}_{\text{0}}}^{\′}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_i}+\mathrm{\Σ}\frac{d}{\mathrm{\λ}}+0.18+\frac{1}{2.0\sqrt[4]{(t-\mathrm{\θ})}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_e}}$

式中：α_i—基层墙体内表面的换热系数，W/(m²·K)；α_e—实体保温层外表面的换热系数，W/(m²·K)；d—基层墙体和实体保温层的厚度，m；λ—基层墙体和实体保温层的导热系数，W/(m·K)；t—空气间层内空气温度，冬季取节能墙本体内表面的壁面温度，夏季取室外空气温度，℃；θ—循环水的温度，℃；0.18—空气间层的热阻，(m²·K)/W。

Claims (9)

1.一种自落式热交换节能墙，包括节能墙本体，其特征是：所述节能墙本体包括基层墙体，所述基层墙体的外侧由内而外依次设置为实体保温层、自重式循环水管道、空气间层和外饰面层，所述外饰面层上设置有一组进风口，所述空气间层的顶部设置有出风口和吸热板。

2.根据权利要求1所述的自落式热交换节能墙，其特征是：所述实体保温层由挤塑聚苯板与胶粉聚苯颗粒粘接而成。

3.根据权利要求2所述的自落式热交换节能墙，其特征是：所述实体保温层的外侧敷设抗裂砂浆复合耐碱玻纤网格布和柔性耐水腻子。

4.根据权利要求1所述的自落式热交换节能墙，其特征是：所述基层墙体为现浇钢筋混凝土墙体。

5.根据权利要求1所述的自落式热交换节能墙，其特征是：所述基层墙体与所述实体保温层通过粘结连接。

6.根据权利要求1所述的自落式热交换节能墙，其特征是：所述空气间层由所述实体保温层与所述外饰面层相隔而成，每隔一定层高分层设置所述进风口。

7.根据权利要求1所述的自落式热交换节能墙，其特征是：所述自重式循环水管道设置在所述空气间层内，紧靠所述实体保温层，所述自重式循环水管道呈蛇形沿所述实体保温层敷设，坡度为1％。

8.根据权利要求1所述的自落式热交换节能墙，其特征是：所述节能墙本体的传热系数K₀′的计算公式为：

${K_0}^{\′}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_i}+\Σ\frac{d}{\mathrm{\λ}}+0.18+\frac{1}{2.0\sqrt[4]{(t-\mathrm{\θ})}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_e}}---\left(4\right)$

式中：α_i—节能墙本体内表面的换热系数，W/(m²·K)；α_e—节能墙本体外表面的换热系数，W/(m²·K)；d—基层墙体和实体保温层的厚度，m；λ—基层墙体和实体保温层的导热系数，W/(m·K)；t—空气间层内空气温度，冬季取节能墙本体内表面的壁面温度，夏季取室外空气温度，℃；θ—循环水的温度，℃；0.18—空气间层的热阻，(m²·K)/W。

9.一种自落式热交换节能墙传热计算方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)计算基层墙体和实体保温层的传热系数K₀：

$K_0=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_i}+\mathrm{\Σ}\frac{d}{\mathrm{\λ}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_e}}$

α_i：为基层墙体内表面的换热系数，W/(m²·K)；

α_e：为实体保温层外表面的换热系数，W/(m²·K)；

d：为基层墙体和实体保温层的厚度，m；

λ：为基层墙体和实体保温层的导热系数，W/(m·K)；

(2)计算空气间层的热阻和循环水与空气间层的对流换热阻，垂直的空气间层当厚度增加到40mm及以上时，其热阻值均为0.18(m²·K)/W，循环水与空气间层的对流换热阻，可通过以下公式求得：

$R_c=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_c}=\frac{1}{2.0\sqrt[4]{\mathrm{\Δ}t}}=\frac{1}{2.0\sqrt[4]{t-\mathrm{\θ}}}$

α_c：为对流换热系数，W/(m²·K)；

Δt：为循环水与空气间层内空气的温度差，℃；

t：空气间层内空气温度，冬季取节能墙本体内表面的壁面温度，夏季取室外空气温度，℃；

θ：循环水管道的温度，℃；

(3)节能墙本体的传热系数K₀′的计算公式为：

${K_0}^{\′}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_i}+\Σ\frac{d}{\mathrm{\λ}}+0.18+\frac{1}{2.0\sqrt[4]{(t-\mathrm{\θ})}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_e}}$

式中：α_i—基层墙体内表面的换热系数，W/(m²·K)；α_e—实体保温层外表面的换热系数，W/(m²·K)；d—基层墙体和实体保温层的厚度，m；λ—基层墙体和实体保温层的导热系数，W/(m·K)；t—空气间层内空气温度，冬季取节能墙本体内表面的壁面温度，夏季取室外空气温度，℃；θ—循环水的温度，℃；0.18—空气间层的热阻，(m²·K)/W。