間歇用能模式下外墻內保溫的適宜性分析

上海市建筑科學研究院（集團）有限公司 徐 強 潘 黎 王 博

間歇用能模式下外墻內保溫的適宜性分析

上海市建筑科學研究院（集團）有限公司 徐 強 潘 黎 王 博

本文對間歇用能模式下的自保溫、外保溫及內保溫的熱性能進行實驗研究。研究結果表明，比起外墻自保溫和外保溫這兩種保溫方式，外墻內保溫的房間空氣升（降）溫速度更高，墻體蓄熱負荷更小，節能效果更明顯，從熱性能的角度而言，間歇用能模式下外墻內保溫具有更強的適宜性。

間歇用能墻體保溫；熱反應速度；適宜性

引言

間歇式用能模式表現為時間和空間的間歇，為夏熱冬冷地區常用的用能模式。上海建科院課題組[1]通過對上海地區高層居住建筑進行入戶調研，形成了2人住戶、3人住戶、5人住戶的用能模式，以2人住戶工作日的間歇用能模式為例，8:00-17:00家中無人空調關閉，其他時間段居民根據實際熱感覺決定所處的房間是否開啟空調。此種方式不同于寒冷及嚴寒地區冬季的持續用能模式，持續用能模式下外保溫模式的墻體結構層能夠吸收或釋放熱量，有利于室溫穩定及室內舒適；而間歇用能地區建筑墻體結構層的蓄熱會影響室內空氣達到空調設定溫度所需要的時間及室內總冷負荷。

因此考慮間歇用能模式采用內保溫方式，通過實驗對間歇用能模式下的外保溫、內保溫和自保溫進行對比，從熱性能的角度對內保溫的適宜性進行分析，同時為夏熱冬冷地區外墻保溫方式的選取提供依據。

1 實驗介紹

1.1 計算方法

建筑墻體傳熱是一個復雜的非穩態過程，室外氣象條件在整個過程中具有隨機性，尤其是室內溫濕度變化也具有隨機性，應采用反應系數法求解圍護結構的不穩定傳熱。隨時間連續變化的擾量曲線離散為按時間序列分布的等腰三角波擾量，再求解出圍護結構熱力系統對單位單元擾量的反應，最后疊加得到房間對外界擾量的反應系數[2,3]。選取房間升（降）溫反應系數作為研究對象。房間升（降）溫反應系數即從房間沒有冷（熱）負荷時起，向房間連續供給單位的冷（熱）量，房間空氣溫度的變化值[4]。

房間升降溫反應系數RT（j）（W/℃）計算方法如下：

式(1)～(3)中RS() j為房間蓄熱反應系數，℃/W；

N為房間不同圍護結構內表面總數；

Fk為第k面圍護結構內表面面積，m2；

αk為第k面圍護結構內表面的表面傳熱系數，W/（m2·℃）；

t()

n為室溫，℃；tk()

n為第k面圍護結構內表面溫度，℃；

V為房間體積，m3；

(cρ)r為室內空氣的單位熱容，kJ/（m3·℃）；

Δτ為采樣時間間隔。

1.2 實驗艙

測試臺由1個恒溫防護熱箱（長×寬×高= 6.8m×4.9m×3.9m）內套2個相同的對比測試箱（長×寬×高＝2.0m×2.0m×2.4m）組成，防護箱的作用是維持室內恒定的溫度環境，將測試箱體和外部環境隔離。箱體由厚度為50mm的聚氨酯保溫板作為外圍護保溫墻體，最大程度地阻隔箱體內部和外界交換熱量。測試洞口的窗體直接暴露在空氣中，分別砌成不同保溫方式的墻體，養護28d后進行實驗，如圖1所示。

圖1 實驗室環境艙

1.3 實驗設計

墻體保溫系統的各類數據如表1所示。

表1 各墻體保溫系統的各類數據

分制冷和供熱2種工況，制冷工況設計溫度為22℃，供熱工況設計溫度為32℃，分別在不同季節完成。實驗過程中逐時測試箱室內溫度、內表面溫度、外表面溫度、室外溫度、墻體熱流密度，數據采集儀1次/1min。空調開啟、關閉時間依據夏熱冬冷地區居民用能模式的研究結果[8-9]設定，如表2所示。

表2 實驗工況

2 實驗結果

2.1 內保溫、自保溫比較分析

圖2 制冷工況下的內、自保溫房間降溫反應系數

圖3制熱工況下的內、自保溫房間升溫反應系數

圖2 ，3為內保溫、自保溫各自的房間降溫反應系數和升溫反應系數。由圖2可看出，外墻內保溫的房間降（升）溫反應系數明顯高于自保溫，表明投入相同冷（熱）量時，內保溫的室內溫度下降（上升）更快。另外，隨著時間的延長，房間降（升）溫反應系數均增大。

2.2 內保溫、外保溫比較分析

圖4 制冷工況下的內、外保溫房間降溫反應系數

圖5制熱工況下的內、外保溫房間升溫反應系數

圖4 ，5為內保溫和外保溫各自的房間降溫反應系數和升溫反應系數。由圖中可看出，外墻內保溫的室內降（升）溫反應系數明顯高于外保溫。表明投入相同冷（熱）量時，相比外保溫墻體，內保溫的室內溫度下降（上升）更快。另一方面，隨著時間的延長，房間降（升）溫反應系數均增大。

3 討論

通過對間歇用能模式下外墻外保溫、內保溫和自保溫的房間熱反應速度實驗研究得到，室內制冷或制熱時，外墻內保溫箱體的房間降（升）溫反應系數較大。說明當空調開啟時，外墻內保溫房間降溫/升溫速度較快，更容易達到設定溫度，熱舒適感更強。

間歇用能模式下墻體會產生一定的蓄熱負荷，對再次開啟空調時所需要投入的冷（熱）負荷有影響。蓄熱負荷即某時刻室內空氣溫度變位造成房間圍護結構蓄熱，為除去這部分熱量所需投入的冷量，計算方法如式（3）所示：

式中，Δt：房間溫度的變位量；RT(j)為房間升（降）溫反應系數。

由式（3）中可看出，房間降（升）溫反應速度越大，墻體蓄熱負荷越小。內保溫的房間（升）溫反應速度相比較其他兩種保溫方式更大，因此內保溫墻體蓄熱負荷最小。另一方面，間歇用能模式的實際熱負荷為某時刻房間的計算冷（熱）負荷與某時刻房間的蓄熱負荷之和，因此外墻內保溫房間的總冷（熱）負荷更小，節能效果更好。因此，間歇用能模式下，外墻內保溫在熱反應速度和蓄熱負荷這兩個指標上有顯著的優勢，表現為室內升（降）溫速度快，蓄熱負荷小，節能效果明顯。

目前國內已有研究者從不同角度對內保溫的熱性能進行了研究。文獻[5]針對間歇用能模式下的住宅墻體熱工性能進行了研究，提出不同用能模式下需采用不同的保溫方式。李金等人指出，單次連續用能8h時，內保溫可以節能32.94%-60.48%，而外保溫節能率在0%-5.56%[6]。另有研究針對夏季自然室溫環境得到，在夏季夜間通風工況下，自然室溫環境下內保溫墻體對室內空氣溫度變化的響應最快，通風降溫效果最好，對室內熱舒適性最有利，外保溫墻體次之[7]。因此，外墻內保溫以其較快的熱反應速度和較小的蓄熱負荷較適宜間歇用能地區。

但是，也有研究指出內保溫存在較明顯的熱橋問題[8,9]，有研究選取夏熱冬冷地區3個典型城市(上海、武漢、成都)計算4種不同內保溫系統的結露情況得到，除保溫龍骨+巖棉內保溫系統外，其余3種內保溫系統均未出現嚴重結露現象，證明在該地區內保溫技術可以推廣[10]。

綜上所述，從熱性能的角度分析可得到，內保溫在間歇式用能地區具備較好的適宜性。

4 結論

間歇用能模式不同于寒冷地區的持續供暖模式，不宜套用寒冷地區的外墻保溫方式，需因地制宜選取合適的保溫方式。通過對外保溫、內保溫和自保溫在間歇用能工況下的熱反應速度的實驗研究，得到以下結論。

（1）間歇用能工況下，外墻內保溫的房間升（降）溫反應系數大于外保溫、自保溫房間，熱響應速度更快；內保溫墻體的蓄熱負荷低于外保溫、自保溫墻體，節能效果更顯著。

（2）從熱性能的角度考慮，內保溫較適宜間歇用能模式下的居住建筑。

[1]張文宇，王慧麗，徐強．上海居住建筑實際用能模式研究與應用[J]．第一屆夏熱冬冷地區綠色建筑技術論壇論文集:118-121

[2]Kossecka E,Kosnyb J．Influence of insulation configuration on heating and cooling loads in acontinuously used building[J]．Energy And Buildings，2002,34(4):321-331

[3]Kossecka E．Relationships between structure factors,response factors and Z-rransfercoefficients for multi-layer walls[G]//ASHRAE Trans，1998,104 (1):68-77

[4]王蕾．不同圍護結構蓄熱性能對空調啟停時間的影響[D]．太原：太原理工大學，2003

[5]劉曉慶．間歇空調運行模式下住宅墻體熱工性能研究[D]．重慶：重慶大學，2011

[6]李金．夏熱冬冷地區居住建筑保溫墻體節能效果分析[D]．杭州：浙江大學，2013

[7]周業培．夏熱冬冷地區自然室溫環境下住宅墻體熱工性能研究[D]．重慶：重慶大學，2012

[8]方泉強．小議外墻內保溫熱橋的成因及處理措施[J]．福建建設科技，2011(4)：25-27

[9]梁望崧．外墻內保溫系統在高層住宅中的應用[J]．山西建筑，2012，38（4）：217-218

[10]李世元．夏熱冬冷地區居住建筑外墻內保溫技術適宜性研究[D]．杭州：浙江大學，2011

Suitability Analysis of Exterior-Walls WithInternalthermal Insulations Under Intermittent Energy-Using Mode

Xu qiang,Pan li,Wangbo

The intermittent energy-using mode is represent asthe intermittent of time and space,which is different from the continually energy-using mode in extremely cold area, therefore a suitable type of thermal insulation systemneed to be selected.In this research, thermal characteristics of self-thermal insulation,exterior thermal insulation and internal thermal insulationunder the intermittent energy-using modewere analyzed through experiment. The results showed thatinternal insulation has ahigher heat reaction rate and lower heat storage under air-conditioning or heating environments，and more energy-saving.The thermal characteristics implied that internal thermal insulationshas was more suitable in intermittent energy-using area.

Intermittent energy-using，wall thermal insulation,heat reaction rate,suitability analysis

課題受國家“十二五”科技支撐項目“上海氣候適應型建筑圍護結構節能體系研究與集成示范（2011BAJ03B01）”資助

徐強，男，1961.3，總工程師，教授級高級工程師，主要從事建筑科學技術與管理工作。