通過模擬改進新型屋面瓦設計，提升建築物散熱性能

通過模擬改進新型屋面瓦設計，提升建築物散熱性能

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維持建築物內涼爽的溫度是營造舒適居住環境的必要條件，對於生活在炎熱氣候地區的人們來說尤為如此。未經熱性能優化的房屋需要耗費大量的能量和金錢進行製冷。為了減少消耗，義大利費拉拉大學（University of Ferrara）的研究人員將屋面改進任務納入了 Life HEROTILE 項目。為了達成目標，他們對新型屋面瓦片進行了模擬，希望藉此提高屋面的透氣性，降低製冷成本。

自上而下的房屋降溫

炎炎夏日，在不透風的建築物內呆上一段時間絕對不是愉快的體驗。如果溫度過高，您的健康甚至都會受到損害。這一情況在地中海這樣的炎熱地區尤為明顯，劇烈的太陽輻射會在室內外產生高溫。為了應對這一問題，歐洲環境政策聲明，最大限度地提高室內熱舒適度，同時盡量減少製冷消耗是一個重要目標。

太陽照射屋頂。圖片由 ICP 提供。

雖然提升建築物散熱性能的方法很多，但本文重點討論針對屋頂的優化。要理解屋頂為何重要，請想像一棟矗立在晴朗天氣中的房屋：太陽光照耀大地，最終輻射到房子最上方的屋頂。熱量通過屋頂表面向內傳遞，進而使室內溫度上升。

由於屋頂的表面積比建築其他部分更大，因此受熱效果更為顯著。另一方面，屋頂的傾角有利於太陽光線直接照射，因此會增加對整棟房屋熱管理效果的影響。基於上述因素，研究人員正在尋求屋頂設計的優化方案，以減少空間製冷和空氣調節耗費的能源。

由馬賽瓦製成的通風斜屋面。圖片由 UNIFE 提供。

採用鋪設了掛瓦條和順水條的斜屋頂是一種能有效降低能源消耗的方法，因此設計人員在搭接的屋面瓦下創造一個通風層。通風層允許空氣從屋檐區域（進氣口）流向屋脊。這種結構不僅可以促進隔熱，減少屋面瓦和房屋結構之間的熱量傳遞，而且空氣流動也可以加強散熱。採用了屋頂通風板（above-sheathing ventilation，簡稱 ASV）後，技術人員減少了室內對製冷的能源需求。此外，搭接瓦片的透氣性相當於另一個進氣/排氣口系統。

Life HEROTILE 項目旨在改進屋面瓦設計

ASV 的改進方案是基於提高瓦片之間的透氣性，並藉此增加氣流速度。這符合歐洲 Life HEROTILE 項目的目標——通過設計更出色的屋面瓦來提高建築的能源效率。

Life HEROTILE 項目的標識。

這一想法最初由費拉拉大學建築系 (UNIFE) 提出，後來影響力逐漸擴大，並由 Life HEROTILE 項目所採納。HEROTILE 項目跨越多個國家，涉及眾多組織，包括 Industrie Cotto Possagno 、Monier Redland Ltd、Terreal SAS、ACER 和 ANDIL 等公司。

在下文中，我們將詳細介紹費拉拉大學的研究人員對新型瓦片形狀性能的初步分析研究。

分析新型屋面瓦設計的性能

在項目的初始階段，研究人員調研了兩類廣泛採用的屋面瓦設計——葡萄牙瓦（又稱 「S 形瓦」）和馬賽瓦（又稱 「古典平瓦」），並重點對二者的形狀進行了優化。基於這兩種經典的瓦片，研究小組設計出了 20 余種新型瓦片，並利用 CFD 分析對比了新型瓦片和標準瓦片的透氣性。UNIFE 小組特別提到 「COMSOL Multiphysics 軟體是 HEROTILE 項目初始階段的核心工具。」

葡萄牙瓦樣品。圖片由 Monier Technical Centre GmbH 提供。

利用高精度實驗裝置獲取的測量數據，研究小組對模型進行了驗證，並校正了模型參數。隨後，他們使用 CAD 軟體包創建了模型幾何，並利用 「CAD 導入模塊」 將其導入 COMSOL Multiphysics 軟體，然後使用不可壓縮湍流對三維 CFD 模型進行了定義。此模型描述了穿過瓦片的風產生的氣流。

上圖：模擬研究中的建模域，它由試驗台中的 4 塊未固定的瓦片及其等效邊界組成。下圖：建模域的網格細節圖。圖片由 UNIFE 提供。

在本文中，我們將著重討論其中一款設計：一種新型的馬賽瓦，它的側部凸緣更高，並且擁有新式的頭部凸緣。藉助 CFD 模擬，研究小組運行了參數化研究，旨在分析不同入射風速和風向下穿過瓦片的氣流變化。

馬賽瓦模型。綠色區域表示設計變化。圖片由 UNIFE 提供。

為了評估瓦片的設計性能，研究人員分析了以下因素：

• 風速
• 屋頂坡度
• 水平風向

他們共計對 30 種不同的風況場景進行了研究，同時還比較了當空氣壓降和穿過瓦片的體積流率發生變化時，瓦片的性能表現。

研究人員對不同的屋頂坡度、風的強度，以及風向進行了研究。圖片摘自該研究小組發表於 COMSOL 年會 2016 慕尼黑站的演示作品。

評估模擬結果

研究小組指出，屋頂斜坡會使水平方向的風變為沿斜面方向的風，對於新型瓦片來說，穿過瓦片的氣流速度會增加，而標準馬賽瓦片中的氣流速度卻下降了。此外，通過調查內部與外部點探針之間的壓力差，UNIFE 研究小組發現，標準瓦片設計的氣流速度順時針偏轉，而新型瓦片設計的氣流速度逆時針偏轉。

屋頂周圍的速度大小分布圖。圖片來源於 Bortoloni 等人 2016年在義大利費拉拉第 34th 屆 UIT-Heat Transfer 大會上發表的論文「Summer Performance of Ventilated Roofs With Tiled Coverings」。

模擬結果進一步表明，得益於側部凸緣幾何形狀的改進，與標準瓦片相比，新型馬賽瓦可以產生更大的氣流速度。這種結構起到了進風口的作用，使穿過瓦片側的空氣加速流動。

屋面瓦上方的空氣流線。圖片由 UNIFE 提供。

在透氣性方面，相比於標準形狀，新設計的形狀和頭部凸緣使瓦片的透氣性提高了 100%。研究人員成功設計出了擁有出色透氣性的新型瓦片形狀，完成了目標。

利用新型屋面瓦設計改進房屋的製冷方式

新型屋面瓦設計可以大幅減少因室內空氣調節而產生的環境成本和財政支出。UNIFE 小組認為 「項目的第一階段取得了成功」，而且 「COMSOL 模擬結果在項目中發揮了重要作用」。

舉例來說，基於這項研究，Life HEROTILE 項目開始對瓦片設計進行實際規模的測試，這是 C.3 階段的一部分任務。在這一階段，研究小組將計劃評估新型瓦片的能源效率和防水性能，並將其與標準瓦片和其他類型的防水材料進行比較。

義大利費拉拉市的屋面瓦測試現場。圖片由費拉拉大學提供。

研究團隊在義大利費拉拉市和以色列的 Yeruham 地區建立了符合實驗氣候要求的實物模型，同時正在從這兩處監測站搜集數據。每個實體模型均由一棟斜頂房屋和一棟平頂房屋組成。斜屋頂被分割成若干區域，每個區域覆蓋一種類型的瓦片。在費拉拉市的實體模型中，有兩塊區域分別覆蓋了標準馬賽瓦和上文提及的 HEROTILE 新型馬賽瓦。當然，葡萄牙瓦和 HEROTILE 項目設計的新型葡萄牙瓦也「現身」在了同一座實體模型中。

在這一研究階段，研究小組希望基於實驗測試建立一個綜合資料庫，對其模擬數據進行驗證。

更多資源

• 閱讀發表於 COMSOL 用戶年會 2016 慕尼黑站的完整論文 「The Design of a Novel Roof Tile Shape Using CFD Analysis」
• 瀏覽 「COMSOL博客」，了解傳熱分析的其他應用：
• 室內外空氣流動的傳熱模擬
• 藉助模擬保證冷藏車的製冷效率
• 尋找燒烤架中最佳的煤炭排布方式以獲取均勻的熱量

經授權轉載自http://cn.comsol.com/blogs/，原作者 Caty Fairclough。

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