利用多物理场仿真分析新型屋面瓦的设计

Caty Fairclough 2017年 2月 23日

维持建筑物内凉爽的温度是营造舒适居住环境的必要条件,对于生活在炎热气候地区的人们来说尤为如此。未经热性能优化的房屋需要耗费大量的能量和金钱进行制冷。为了减少消耗,意大利费拉拉大学(University of Ferrara)的研究人员将屋面改进任务纳入了 Life HEROTILE 项目。为了达成目标,他们对新型屋面瓦片进行了模拟,希望借此提高屋面的透气性,降低制冷成本。

自上而下的房屋降温

炎炎夏日,在不透风的建筑物内呆上一段时间绝对不是愉快的体验。如果温度过高,您的健康甚至都会受到损害。这一情况在地中海这样的炎热地区尤为明显,剧烈的太阳辐射会在室内外产生高温。为了应对这一问题,近日欧洲环境政策声明,最大限度地提高室内热舒适度,同时尽量减少制冷消耗是一个重要目标。

Sun hitting roof 利用多物理场仿真分析新型屋面瓦的设计
太阳照射屋顶。图片由 ICP 提供。

虽然提升建筑物散热性能的方法很多,但本文重点讨论针对屋顶的优化。要理解屋顶为何重要,请想象一栋矗立在晴朗天气中的房屋:太阳光照耀大地,最终辐射到房子最上方的屋顶。热量通过屋顶表面向内传递,进而使室内温度上升。

由于屋顶的表面积比建筑其他部分更大,因此受热效果更为显著。另一方面,屋顶的倾角有利于太阳光线直接照射,因此会增加对整栋房屋热管理效果的影响。基于上述因素,研究人员正在寻求屋顶设计的优化方案,以减少空间制冷和空气调节耗费的能源。

Ventilated pitched roof 利用多物理场仿真分析新型屋面瓦的设计
由马赛瓦制成的通风斜屋面。图片由 UNIFE 提供。

采用铺设了挂瓦条和顺水条的斜屋顶是一种能有效降低能源消耗的方法,因此设计人员在搭接的屋面瓦下创造一个通风层。通风层允许空气从屋檐区域(进气口)流向屋脊。这种结构不仅可以促进隔热,减少屋面瓦和房屋结构之间的热量传递,而且空气流动也可以加强散热。采用了屋顶通风板(above-sheathing ventilation,简称 ASV)后,技术人员减少了室内对制冷的能源需求。此外,搭接瓦片的透气性相当于另一个进气/排气口系统。

Life HEROTILE 项目旨在改进屋面瓦设计

ASV 的改进方案是基于提高瓦片之间的透气性,并借此增加气流速度。这符合欧洲 Life HEROTILE 项目的目标——通过设计更出色的屋面瓦来提高建筑的能源效率。

 利用多物理场仿真分析新型屋面瓦的设计
Life HEROTILE 项目的标识。

这一想法最初由费拉拉大学建筑系 (UNIFE) 提出,后来影响力逐渐扩大,并由 Life HEROTILE 项目所采纳。HEROTILE 项目跨越多个国家,涉及众多组织,包括 Industrie Cotto Possagno 、Monier Redland Ltd、Terreal SAS、ACER 和 ANDIL 等公司。

在下文中,我们将详细介绍费拉拉大学的研究人员对新型瓦片形状性能的初步分析研究。

分析新型屋面瓦设计的性能

在项目的初始阶段,研究人员调研了两类广泛采用的屋面瓦设计——葡萄牙瓦(又称“S 形瓦”)和马赛瓦(又称“古典平瓦”),并重点对二者的形状进行了优化。基于这两种经典的瓦片,研究小组设计出了 20 余种新型瓦片,并利用 CFD 分析对比了新型瓦片和标准瓦片的透气性。UNIFE 小组特别提到“COMSOLMultiphysics 软件是 HEROTILE 项目初始阶段的核心工具。”

 利用多物理场仿真分析新型屋面瓦的设计
葡萄牙瓦样品。图片由 Monier Technical Centre GmbH 提供。

利用高精度实验装置获取的测量数据,研究小组对模型进行了验证,并校正了模型参数。随后,他们使用 CAD 软件包创建了模型几何,并利用“CAD 导入模块”将其导入 COMSOL Multiphysics 软件,然后使用不可压缩湍流对三维 CFD 模型进行了定义。此模型描述了穿过瓦片的风产生的气流。

 利用多物理场仿真分析新型屋面瓦的设计
 利用多物理场仿真分析新型屋面瓦的设计

左图:仿真研究中的建模域,它由试验台中的 4 块未固定的瓦片及其等效边界组成。右图:建模域的网格细节图。图片由 UNIFE 提供。

在本文中,我们将着重讨论其中一款设计:一种新型的马赛瓦,它的侧部凸缘更高,并且拥有新式的头部凸缘。借助 CFD 仿真,研究小组运行了参数化研究,旨在分析不同入射风速和风向下穿过瓦片的气流变化。

 利用多物理场仿真分析新型屋面瓦的设计
马赛瓦模型。绿色区域表示设计变化。图片由 UNIFE 提供。

为了评估瓦片的设计性能,研究人员分析了以下因素:

  • 风速
  • 屋顶坡度
  • 水平风向

他们共计对 30 种不同的风况场景进行了研究,同时还比较了当空气压降和穿过瓦片的体积流率发生变化时,瓦片的性能表现。

Wind roof tile 利用多物理场仿真分析新型屋面瓦的设计
研究人员对不同的屋顶坡度、风的强度,以及风向进行了研究。图片摘自该研究小组发表于 COMSOL 年会 2016 慕尼黑站的演示作品

评估仿真结果

研究小组指出,屋顶斜坡会使水平方向的风变为沿斜面方向的风,对于新型瓦片来说,穿过瓦片的气流速度会增加,而标准马赛瓦片中的气流速度却下降了。此外,通过调查内部与外部点探针之间的压力差,UNIFE 研究小组发现,标准瓦片设计的气流速度顺时针偏转,而新型瓦片设计的气流速度逆时针偏转。

velocity magnitude roof tiles 利用多物理场仿真分析新型屋面瓦的设计
屋顶周围的速度大小分布图。图片来源于 Bortoloni 等人 2016年在意大利费拉拉第 34th 届 UIT-Heat Transfer 大会上发表的论文“Summer Performance of Ventilated Roofs With Tiled Coverings”。

仿真结果进一步表明,得益于侧部凸缘几何形状的改进,与标准瓦片相比,新型马赛瓦可以产生更大的气流速度。这种结构起到了进风口的作用,使穿过瓦片侧的空气加速流动。

 利用多物理场仿真分析新型屋面瓦的设计
屋面瓦上方的空气流线。图片由 UNIFE 提供。

在透气性方面,相比于标准形状,新设计的形状和头部凸缘使瓦片的透气性提高了 100%。研究人员成功设计出了拥有出色透气性的新型瓦片形状,完成了目标。

利用新型屋面瓦设计改进房屋的制冷方式

新型屋面瓦设计可以大幅减少因室内空气调节而产生的环境成本和财政支出。UNIFE 小组认为“项目的第一阶段取得了成功”,而且“COMSOL 仿真结果在项目中发挥了重要作用”。

举例来说,基于这项研究,Life HEROTILE 项目开始对瓦片设计进行实际规模的测试,这是 C.3 阶段的一部分任务。在这一阶段,研究小组将计划评估新型瓦片的能源效率和防水性能,并将其与标准瓦片和其他类型的防水材料进行比较。

Ferrara mockup 利用多物理场仿真分析新型屋面瓦的设计
意大利费拉拉市的屋面瓦测试现场。图片由费拉拉大学提供。

研究团队在意大利费拉拉市和以色列的 Yeruham 地区建立了符合实验气候要求的实物模型,同时正在从这两处监测站搜集数据。每个实体模型均由一栋斜顶房屋和一栋平顶房屋组成。斜屋顶被分割成若干区域,每个区域覆盖一种类型的瓦片。在费拉拉市的实体模型中,有两块区域分别覆盖了标准马赛瓦和上文提及的 HEROTILE 新型马赛瓦。当然,葡萄牙瓦和 HEROTILE 项目设计的新型葡萄牙瓦也“现身”在了同一座实体模型中。

在这一研究阶段,研究小组希望基于实验测试建立一个综合数据库,对其仿真数据进行验证。

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