陳 雁 王子嘉 雷軒邈

(河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，鄭州 450001)

高溫季節(jié)糧食平房倉(cāng)房屋面?zhèn)鳠崃渴窃斐蓚}(cāng)內(nèi)糧堆積熱的主要原因，加強(qiáng)倉(cāng)房屋面部分的隔熱對(duì)降低平房倉(cāng)儲(chǔ)糧溫度和能耗起著至關(guān)重要的作用。由于糧食倉(cāng)房防水、防蟲、密閉、承重等要求，公建蓄水屋面、屋頂綠化等節(jié)能措施難以在現(xiàn)役平房倉(cāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱改造中推廣應(yīng)用［1－2］，目前倉(cāng)房屋面隔熱的做法主要是加強(qiáng)保溫，設(shè)置架空層和采用反光涂料等?？紤]到材料使用壽命和倉(cāng)房屋面?zhèn)鳠崽攸c(diǎn)，采用架空層隔熱是更為有利的方式［3］。在屋面架空層隔熱方面，Lee等［4］過實(shí)驗(yàn)研究了架空層中氣流和溫度場(chǎng)的分布，確定了屋面坡度、太陽(yáng)輻射和屋面洞口尺寸對(duì)其隔熱性能的影響。D’Orazio等［5］基于6 m×1.5 m的模擬屋面，對(duì)14種架空板材料進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究了材料透氣性對(duì)架空層夏季隔熱性能的影響。Kos'ny等［6］通過為期兩年的實(shí)地測(cè)試，研究了相變材料與架空層通風(fēng)相結(jié)合在實(shí)際建筑中的可行性，這種模式可以有效地實(shí)現(xiàn)屋面冬季保溫與夏季隔熱功能。Toku等［7］在實(shí)驗(yàn)室建立50 cm×50 cm帶有相變蓄熱物質(zhì)的模擬平屋頂進(jìn)行夏季工況實(shí)驗(yàn)，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了對(duì)應(yīng)工況的一維數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬得到了當(dāng)?shù)貧夂驐l件下最佳蓄熱層厚度為2 cm的結(jié)論。與實(shí)驗(yàn)研究相比，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)可以不受具體條件的限制，對(duì)包含有流體流動(dòng)和傳熱等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行分析［8］，得到工程需要的數(shù)值解，該方法已被成功地用于與屋面?zhèn)鳠嵯嚓P(guān)的模擬分析［9－11］。Liberati等［12］以帶有矩形風(fēng)道的畜舍屋面構(gòu)件為研究對(duì)象，假設(shè)風(fēng)道空氣處于均勻流動(dòng)時(shí)，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和三維數(shù)值模擬得到了第二類邊界條件下風(fēng)道中的溫度分布，進(jìn)而求出了使畜舍室溫最低的空氣層厚度。Gagliano等［13］采用Fluent軟件研究了保溫層與流動(dòng)空氣夾層的相對(duì)位置對(duì)通風(fēng)屋面熱性能的影響，結(jié)果表明，通風(fēng)屋面夏季可將屋面熱流減少至50%。Kobayashi等［14］利用CFD方法研究了帶有風(fēng)井的人字形屋面利用風(fēng)壓對(duì)位于密集住宅區(qū)的二層建筑進(jìn)行自然通風(fēng)的效果，建筑外部采用大渦模擬(LES)而房間內(nèi)采用雷諾時(shí)均方程(RANS)，并采用風(fēng)洞測(cè)量對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。Perén 等［15－16］基于風(fēng)洞測(cè)試，采用三維穩(wěn)態(tài) RANS 方程對(duì)豎向非對(duì)稱位置開窗的普通獨(dú)立建筑進(jìn)行了模擬研究，認(rèn)為在豎向開窗位置不對(duì)稱條件下，大坡度屋面(45°)較平屋面可提高22%的室內(nèi)通風(fēng)量，而較低的進(jìn)、出風(fēng)口開窗面積比更易獲得較大的通風(fēng)量。Li等［17］采用CFD方法對(duì)寒冷地區(qū)住宅建筑的屋面系統(tǒng)建立三穩(wěn)非穩(wěn)態(tài)模型，利用Fluent軟件求解，對(duì)5% ～40%范圍內(nèi)的4種屋面坡度和60～260 mm內(nèi)的6種空氣層厚度的具體影響進(jìn)行了研究，確定了排風(fēng)口位置和屋面材料吸收率對(duì)屋面升溫的延緩作用。與上述研究對(duì)象相比，糧食倉(cāng)房與住宅建筑和其他公建的用途不同，平房倉(cāng)房屋面結(jié)構(gòu)坡度多在10%以內(nèi)，在役舊倉(cāng)屋面常見坡度為3% ～5%。糧堆導(dǎo)熱性差，當(dāng)外界氣溫升高時(shí)，經(jīng)過冬季通風(fēng)降溫的糧堆呈現(xiàn)“熱皮冷芯”現(xiàn)象，內(nèi)部溫度仍維持在20℃以內(nèi)，同時(shí)，由于藥物熏蒸密閉要求，在高溫季節(jié)并不開倉(cāng)進(jìn)行自然通風(fēng)。舊倉(cāng)改造中，架空層隔熱做法采用檐口開放的被動(dòng)式結(jié)構(gòu)，由于倉(cāng)房屋面跨度較大，架空層內(nèi)難以形成有效的空氣流動(dòng)，當(dāng)氣溫日較差較大時(shí)，由于架空板的存在，倉(cāng)房屋面無法直接利用夜間輻射，會(huì)影響倉(cāng)內(nèi)積熱經(jīng)由屋面向外界散發(fā)，減小了倉(cāng)內(nèi)夜間降溫速度，影響糧食儲(chǔ)藏品質(zhì)。本文利用CFD方法，對(duì)采用架空層通風(fēng)進(jìn)行屋面隔熱的平房倉(cāng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探討架空層厚度、架空層氣流速度和架空板反光涂層對(duì)高溫季節(jié)平房倉(cāng)糧堆升溫抑制作用的影響。

1 平房倉(cāng)系統(tǒng)物理模型的建立

1.1 平房倉(cāng)物理模型

實(shí)驗(yàn)研究的屋面通風(fēng)隔熱平房倉(cāng)系統(tǒng)主要由架空板、空氣層、糧倉(cāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、倉(cāng)內(nèi)糧堆和位于糧倉(cāng)一側(cè)的控制室組成。為了便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，模擬中上述各組成部分的幾何參數(shù)與實(shí)際對(duì)比測(cè)試倉(cāng)一致。測(cè)試倉(cāng)位于鄭州，坐北朝南，墻厚0.37 m。倉(cāng)體東西長(zhǎng)20.5 m，其中控制室長(zhǎng)2.5 m，其余為裝糧部分，倉(cāng)體南北寬9 m，脊高10.09 m，倉(cāng)內(nèi)堆糧高度為6 m。，倉(cāng)房屋頂為平屋面型式，架空板厚0.04 m，架空層空氣厚度為0.2 m。根據(jù)當(dāng)?shù)叵募局鲗?dǎo)風(fēng)向，在模型中將架空層南、北面設(shè)置為通風(fēng)進(jìn)、出口。由于控制室數(shù)據(jù)采集設(shè)備的散熱量很小，為簡(jiǎn)化計(jì)算，建模中省略了控制室設(shè)備。系統(tǒng)基本物理模型如圖1所示。

1.2 控制方程

糧倉(cāng)各圍護(hù)結(jié)構(gòu)和糧堆均為固體，由于外界熱環(huán)境的季節(jié)性變化，通過平房倉(cāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱造成的糧堆升溫實(shí)際發(fā)生在4～9月份，基于所建立的幾何模型和簡(jiǎn)化假設(shè)，糧食平房倉(cāng)系統(tǒng)中的傳熱為三維非穩(wěn)態(tài)傳熱，以平方倉(cāng)底面中心為原點(diǎn)，糧堆高度方向?yàn)閆軸正向，建立直角坐標(biāo)系，則對(duì)應(yīng)的控制方程為:

圖2 實(shí)驗(yàn)倉(cāng)測(cè)溫點(diǎn)布置圖

式中:t為時(shí)間/s;ρ為密度/kg/m3;珗u為速度矢量/m/s，糧堆區(qū)域 珗u=0;T 為溫度/℃;xi為直角坐標(biāo)系第i個(gè)坐標(biāo)坐標(biāo)，i=1，2，3;ui為三個(gè)坐標(biāo)軸方向的速度/m/s;p為空氣流微元體上壓力/Pa;μ為空氣的動(dòng)力黏度/N·s/m2;Fi為第i個(gè)坐標(biāo)軸方向上的體積力/N;k為導(dǎo)熱系數(shù)/W/(m·K);cp為空氣的定壓比熱/J/(kg·K);ST為熱源項(xiàng)，W，對(duì)于固體糧堆，此項(xiàng)為0。

1.3 邊界條件和參數(shù)設(shè)置

根據(jù)物理模型，糧倉(cāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中外墻表面及屋面為第三類邊界條件，架空層入口和倉(cāng)房底部為第一類邊界條件，外界空氣溫度和地表溫度已知［18］。糧倉(cāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中墻體、地面和屋面主體材料為混凝土，外設(shè)保溫層或反光涂層，模擬所需的圍護(hù)結(jié)構(gòu)等材料的熱物性參數(shù)如表1所示。

表1 模擬所用介質(zhì)的主要物性參數(shù)

2 模型求解與驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格劃分與求解

采用Gambit軟件進(jìn)行幾何建模，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻上部靠近架空層處采用等比間距劃分線網(wǎng)格的方式對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了加密。架空層入口表面設(shè)置為速度入口邊界(velocity inlet)，出口表面設(shè)置為出流邊界(outflow);圍護(hù)結(jié)構(gòu)各外表面設(shè)置為固體壁面邊界(wall)?？紤]到實(shí)際工程所在環(huán)境對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)沒有形成有效遮蔽，實(shí)驗(yàn)倉(cāng)屋面和外墻表面的太陽(yáng)輻射得熱量不可忽略，在求解過程中輻射得熱量根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)折算為熱源項(xiàng)加載在對(duì)應(yīng)各邊界條件中。模擬時(shí)段與一年儲(chǔ)糧期內(nèi)糧堆發(fā)生明顯升溫的時(shí)間段，即5月1日～9月30日，采用Fluent軟件對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了求解。

2.2 模擬結(jié)果的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建立的研究模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)倉(cāng)測(cè)試數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，以相對(duì)誤差作為衡量指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)采用貝博公司LYLJ有線通訊糧情檢測(cè)系統(tǒng)FJ－512型測(cè)控機(jī)監(jiān)測(cè)糧溫，測(cè)溫點(diǎn)共63個(gè)，如圖2所示。測(cè)點(diǎn)沿糧堆深度方向分7層布置，最上層位于糧面以上0.6 m處，糧堆內(nèi)第一層測(cè)溫點(diǎn)位于糧面以下0.3 m，各層相距0.9 m，底層距倉(cāng)內(nèi)地面 0.6 m;水平方每層布置9個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，相鄰測(cè)溫點(diǎn)沿x、y方向分別相距2.5 和2.75 m，最外層距墻1.5 m。

取2015年5月1日—5月20日的測(cè)試數(shù)據(jù)作為對(duì)比，模擬中架空層流速取主導(dǎo)風(fēng)向?qū)?yīng)風(fēng)速。圖3是糧面以下0.3和3 m處兩層測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)測(cè)平均值與對(duì)應(yīng)模擬值。由圖中數(shù)據(jù)可知，糧面以下0.3 m處最大相對(duì)誤差5.3%，平均相對(duì)誤差1.9%;糧面以下3 m處最大相對(duì)誤差1.1%，平均相對(duì)誤差0.2%。因此，溫度場(chǎng)模擬值與實(shí)測(cè)值有較好的一致性，模型采用的假設(shè)較為合理。

圖3 糧堆內(nèi)部溫度實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比

3 結(jié)果分析

3.1 架空層空氣流速的影響

模擬中，架空層內(nèi)空氣流動(dòng)方向取當(dāng)?shù)叵募局鲗?dǎo)風(fēng)向，即自南向北。當(dāng)架空層厚度為0.2 m時(shí)，在糧倉(cāng)屋面未敷設(shè)高反射率涂層的條件下，不同空氣流速對(duì)糧堆升溫的抑制作用如圖4所示。從模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均溫度來看，當(dāng)空氣流速?gòu)?.5 m/s增加到4 m/s時(shí)，糧面以下0.3 m處8月份時(shí)最高溫度降低了1.1℃，空氣流速再增加至10 m/s時(shí)，該層溫度只降低了0.3℃，而糧面以下3 m處的平均溫度在這一風(fēng)速變化范圍內(nèi)幾乎保持不變。由此可見，具有架空層結(jié)構(gòu)的倉(cāng)房，當(dāng)高于外界自然風(fēng)速時(shí)(夏季為1～5 m/s)，空氣流速的變化對(duì)糧堆溫度的影響并不明顯。原因是，作為隔熱系統(tǒng)，架空層幾何參數(shù)的設(shè)置與風(fēng)速之間存在最佳對(duì)應(yīng)關(guān)系。在0.2 m空氣層厚度下，外界風(fēng)速約為5 m/s時(shí)，架空層內(nèi)形成的流動(dòng)即可有效帶走由架空板傳入的積熱，阻斷熱量繼續(xù)向倉(cāng)內(nèi)傳遞。而夏季高溫環(huán)境中，僅靠提高風(fēng)速并不能使倉(cāng)內(nèi)溫度獲得進(jìn)一步的降低。

圖4 不同架空層空氣流速對(duì)糧堆溫度的影響

圖5 亦反映了這一趨勢(shì)，圖示為9月30日12時(shí)糧堆內(nèi)部距糧面0.3 m處的水平面溫度分布。與架空層空氣流速較低時(shí)相比(v=0.5 m/s)，上層糧堆“冷心”區(qū)域的范圍在空氣流速達(dá)到4 m/s后明顯擴(kuò)大。

圖5 不同空氣流速對(duì)上層糧堆溫度場(chǎng)的影響

3.2 架空層厚度的影響

模擬對(duì)架空層空氣厚度的影響進(jìn)行了研究。當(dāng)架空層氣流速度為2 m/s，其他條件不變時(shí)，空氣層厚度分別設(shè)置為0.2 、0.3 、0.4 和0.5 m，不同空氣層厚度對(duì)抑制糧堆升溫的影響如圖6所示。由糧堆上層和下層模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均溫度可知，與氣流速度類似，架空層厚度的增加不影響下層糧堆的溫度，對(duì)上層糧堆的影響則表明該厚度存在最佳值，即δ=0.3 m。此時(shí)，與其他厚度值相比，溫降效果更好。δ=0.3 m時(shí)，7、8月份上層糧溫的降溫幅度增加了1.2℃?；谒ㄎ锢砟Ｐ停?jì)算架空層空氣流動(dòng)對(duì)應(yīng)的Re數(shù)，可知該流動(dòng)屬于平行板間湍流類型。δ=0.3 m時(shí)架空層湍流長(zhǎng)徑比 L/De為 15.44，與根據(jù)Latzko理論解［19］得到的湍流入口段長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)長(zhǎng)徑比相差不足1%，如圖7所示。因此，架空層空氣厚度δ=0.3 m時(shí)，沿流動(dòng)方向的整個(gè)屋面寬度與湍流入口段長(zhǎng)度一致，充分利用了入口段熱邊界層較薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較高的特點(diǎn)，在架空層中形成了更為有效的對(duì)流換熱，減少了架空板和層內(nèi)熱量的積聚。

圖6 架空層空氣厚度對(duì)糧堆溫度的影響

圖7 湍流入口段長(zhǎng)徑比

如圖8所示，架空層空氣厚度為最佳值時(shí)，對(duì)倉(cāng)內(nèi)空氣和上層糧堆的隔熱更有效。δ=0.3 m時(shí)不僅降低了倉(cāng)內(nèi)上層空氣的溫度，削弱了靠近糧面的糧堆升溫(1～2℃)，對(duì)通過東、西外墻傳熱造成的溫升也形成了有效的抑制，使沿墻糧堆升溫區(qū)域顯著縮小。此外，圖8也給出了屋面流動(dòng)空氣層和控制室側(cè)靜止空氣層隔熱效果的差別。因此，形成有效的湍流對(duì)流換熱有利于增強(qiáng)架空層的隔熱作用。

圖8 不同架空層厚度下的溫度場(chǎng)對(duì)比

3.3 架空板高反射涂層的影響

模擬針對(duì)糧倉(cāng)屋面敷設(shè)高反射率涂層對(duì)太陽(yáng)輻射造成的倉(cāng)內(nèi)溫升的抑制作用進(jìn)行了研究，涂層材料反射率為0.8，敷于架空板上面。架空層空氣流速取季節(jié)平均值2 m/s，空氣流動(dòng)方向?yàn)楫?dāng)?shù)叵募局鲗?dǎo)風(fēng)向。結(jié)果表明，糧堆上層模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均溫度比未敷設(shè)涂層時(shí)僅降低約0.1℃，而底層糧溫幾乎不變，如圖9所示。因此，糧倉(cāng)屋面具有架空層結(jié)構(gòu)時(shí)，反射涂層對(duì)減少屋面向下傳熱的效果并不明顯，這也說明架空層通風(fēng)形成的對(duì)流換熱可以有效帶走架空板的吸熱，阻斷屋面輻射得熱向倉(cāng)內(nèi)的傳遞。

圖9 反光涂層對(duì)糧堆升溫抑制作用的影響

4 結(jié)論

4.1 架空層形成湍流對(duì)流換熱是改善糧倉(cāng)屋面隔熱效果的關(guān)鍵，在主導(dǎo)風(fēng)向方向上最大程度地利用湍流入口段效應(yīng)，可以提高架空層散熱速率，減少熱量積聚，使上層糧堆溫度較“悶頂”式架空層時(shí)降低2℃。

4.2 在0.2 m空氣層厚度下，外界風(fēng)速約為5 m/s時(shí)，架空層內(nèi)形成的流動(dòng)即可有效帶走由架空板傳入的積熱，有效阻隔屋面向倉(cāng)內(nèi)的傳熱。

4.3 與開放式架空層結(jié)構(gòu)相比，沿主導(dǎo)風(fēng)向設(shè)置氣流通道有利于架空層內(nèi)形成湍流對(duì)流換熱，對(duì)糧堆升溫的抑制作用優(yōu)于在屋面單獨(dú)設(shè)置反射涂層。

4.4 其架空層空氣厚度一定時(shí)，可基于Latzko理論解選擇合適的氣流速度，單一地增加空氣流速并未顯著地抑制糧堆升溫;相應(yīng)地，在自然風(fēng)速范圍內(nèi)，架空層空氣厚度存在最佳值。當(dāng)架空層氣流速度為2 m/s，架空層的最佳厚度為δ=0.3 m。