建筑熱惰性研究進展

盧素梅 孟慶林

摘要：建筑熱惰性的合理利用可以降低室內溫度波動，提高舒適度，是被動式建筑設計技術的重要手段之一。文章詳細分析了建筑熱惰性的理論基礎和研究方法，對熱惰性主要研究領域進行了歸納整理，并對其研究進展和存在問題進行了總結。指出研究方向和研究重點。

關鍵詞：建筑熱惰性建筑能耗熱物性參數

中圖分類號：TU111.19+5

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2019）08-0056-03

1 理論基礎

建筑熱惰性的研究是基于周期性不穩定傳熱對圍護結構熱穩定性影響的相關理論。最先由蘇聯學者0.E.BдiaCOB教授（1933年）提出蓄熱系數S、條件厚度理論、以及溫度波振幅的衰減等一系列理論和公式。B.Д.馬欽斯基教授（1948年）在此基礎上進一步研究了溫度波在圍護結構內部和內表面的衰減、溫度波動相位角的延遲，并提出了表征均質材料熱物性的熱擴散系數，奠定了建筑熱惰性相關理論的基礎[1]。F.Bruckmayer和B.C.Raychaudhury（1961年）進一步提出了時間常數（TTC）的概念來表示多層結構的等效熱擴散系數。南非的范斯特拉頓（1968年）等采用整個建筑物單位外表面積內的熱容量C與總傳熱系數U的比值（RC）來表示建筑物的有效擴散系數，并作為在不穩定傳熱條件下建筑物熱工性能的標準。不過目前關于熱惰性的理論研究主要是基于周期性不穩定傳熱理論基礎上均質圍護結構內外蓄熱體等對建筑熱穩定性、室內舒適性以及暖通空調系統負荷峰值的延遲和衰減等方面的影響研究，也有學者慮到現實中另外一些圍護結構（窗戶、內墻、樓板以及室內陳設等）等的共同影響，嘗試對建筑物整體熱惰性進行研究，還沒有取得突破性的進展。

2 研究方法

建筑熱惰性的研究是建立在周期性不穩定傳熱的動態熱特性基礎上，其研究方法與現行常用的動態熱特性研究方法基本一致。不過在分析建筑物熱惰性過程中，常遇到建筑物不同蓄熱質之間的熱傳遞問題。特別是對于材料不一、形狀各異的室內蓄熱質，傳統分析法和數值法表達困難。考慮到建筑熱惰性在此方面的獨特性，本文根據蓄熱質傳熱的不同將其分成兩部分來歸納分析：外圍護結構和室內不規則蓄熱體。

圍護結構傳熱是一個復雜的不穩定傳熱過程。（1952年）蘇聯A.M.ⅢKJIOBep《周期熱作用下的傳熱》一書中提出諧波反應法。（1965年）Carrier公司提出蓄熱系數法，加拿大D.C .Stephenson和G.P.Mitalas提出房間反應系數法（1967年）和傳遞函數法（1971年）等。目前為止，基于圍護結構的多種非穩態傳熱分析方法，建筑非穩態傳熱基本分析方法已經發展到動態特性的研究。Antonopoulos將模擬建筑熱特性的方法總結分為兩類，一類是所謂的細致法。這類方法依賴于計算機程序計算，所需計算時間較長，步驟較多。一方法稱為簡化法，如有效熱容模型，熱耗散模型，熱時間常數模型等。C.A.Balaras將這些簡化模型根據其輸入因子、輸出結果和限制條件等進行了分類，并在建筑熱惰性的影響、負載類型和其他設計因素限制水平等方面進行了歸納整理分析。這些模型特點是將根據研究對象將建筑熱特性歸納于一兩個熱特性參數，通過這些參數來對建筑熱惰性進行研究。

內蓄熱體包括建筑隔斷和家具等，形式各異，材料不一，在計算過程中需要進行簡化處理。目前主要有兩種方法：①有效板層法。Antonopoulos將家具假定為一定厚度的平板，然后對該平板傳熱采用非穩態傳熱處理，該方法稱為有效板層法。目前模擬軟件Dest和EnergyPlus都利用了此方法來處理家具或者內隔斷的蓄熱問題。②虛擬球法。虛擬球的概念首次由Gao為了分析解決復雜形狀物體的傳熱問題提出。Y.Li首次引入虛擬球法來研究具有不均勻溫度分布和材料不均一的蓄熱體特性，并在此基礎上提出了室內溫度衰減系數和延遲時間計算公式。該方法利用Fo準則數相同即溫度趨勢變化相同的特點，將不同的蓄熱體集中到一個虛擬球中去考慮它們的總蓄熱性能。該計算方法不僅僅適用于室內家具傳熱，也可以用來研究整個建筑物的熱惰性。周軍莉為分析形狀不規則的內蓄熱體的蓄熱作用，引入虛擬球法，聯合外墻內側溫度分布計算式及室內熱平衡方程，最終得到了以虛擬球法模擬室內蓄熱作用的自然通風建筑室內溫度計算方法。通過與其他模型結果比較，該方法更為準確，尤其是在計算室內溫度波動上。

3 研究進展

根據上述研究方法，采用理論分析、現場測試、實驗模擬等手段在建筑熱惰性相關領域進行了大量的研究。按照研究內容不同，本文將有關熱惰性領域大致分為以下四類，每種內容之間會有不同交叉。

3.1 熱惰性影響因素

通過實際測量、數值模擬、參數分析等手段分析設計因素、圍護結構、室內蓄熱體和室內熱源因素等對建筑熱惰性的影響。JoseA等通過對西班牙新舊兩棟教學樓測試研究發現：墻體厚度并不是影響房屋熱慣性的主要因素，還有更多的諸如太陽輻射、內墻飾面材料，換氣次數等因素將對房屋的熱惰性產生更大的影響。Balcomb.J等對建筑中的墻壁、地板、天花板和家具等蓄熱體的位置、材料和厚度等對其蓄熱性能的影響進行了研究，并提出了晝夜熱容量的概念。研究指出蓄熱性能和蓄熱體蓄熱量大小、蓄熱體位置等因素有緊密的關系。目前對圍護結構熱惰性的研究是最多的也是最全面的，其研究方法一般是通過不同材料和設計條件進行組合設計，降低建筑能耗。內蓄熱體雖然在室內沒有直接接觸到室外環境，Jonathan Karlsson等通過實驗或模擬等證明了室內蓄熱體對室內熱舒適的有利影響。還有學者將室內熱源強度處理為按正弦規律變化的周期函數，研究周期性變化內熱源條件下室內熱環境變化，發現室內溫度的雙峰值的現象以及某些情況下室內溫度比室外溫度先達到最大值。

3.2 結合自然通風

建筑熱惰性與自然通風技術相結合的一種被動式技術，即在自然運行建筑中，最大限度地利用室外熱流，結合建筑圍護結構以及室內家具等的蓄熱作用，達到較舒適的室內環境。這一領域的研究目前主要集中在夜間通風的實驗研究及數值模擬應用上，而有關自然通風耦合蓄熱問題分析較少。G.Brow利用空心樓板蓄熱性能與機械通風相結合，即風機日夜運轉通過空心樓板中的通風降溫而不采用空調制冷。Edna Shavi等模擬了以色列濕熱氣候下四個地區的夏季夜間通風情況。分別對四種不同熱質（輕質、中輕質、中重質、重質）和四種通風條件（無夜間通風、夜間自然通風、夜間機械通風、夜間機械通風但不同換氣次數）下的室內溫度變化的情況作了研究。得到了室內外最高溫度的差與建筑物蓄熱特性的線性關系。JimmyYam等在周期性室外氣象條件下通過集總參數法對單區自然通風建筑進行了理論分析，分別對絕熱圍護結構下定流量以及變流量（熱壓自然通風）內蓄熱體對室內溫度影響進行了詳細探討，并提出衡量內蓄熱體影響的參數：無量綱換熱數及內蓄熱體時間常數。兩參數對室內空氣溫度衰減系數和延遲時間有重要影響。而無論是定流量自然通風還是變流量自然通風，室內溫度均呈現正弦周期性波動。

3.3 相變蓄能復合技術

利用相變儲能復合材料構筑建筑圍護結構更大程度地降低室內溫度波動，提高舒適度，少用甚至不用暖通空調系統。康艷兵等提出了夜間通風相變貯能堆積床系統（NVP）的概念，分析了系統的實測降溫效果，表明利用相變儲能復合材料構筑建筑圍護結構，可以更大程度地降低室內溫度波動，提高舒適度，降低供暖空調能耗。李百戰等將自制復合輕質相變墻體，結合夜間通風技術，進行了室內熱環境對比實驗。結果表明：相變材料應用于輕質房間，能顯著增強圍護結構的熱惰性，提高室內的熱舒適性，采取夜間通風技術，可以有效地將日間蓄積的熱量散至室外;與普通房間相比較，室內溫度最高降低11℃左右，節能效果顯著。總之，相變儲能與通風結合，是一個相較于應用普通的建筑材料更好的技術，有著廣闊的前景。

3.4 結合暖通空調系統調控

利用建筑熱惰性對室內溫度波的延遲衰減現象，結合暖通空調系統的調控作用，采用“削峰填谷”策略達到節能的目的。國內學者對此研究比較多，國外學者更傾向于研究利用建筑熱惰性達到零能耗的目的。Ruud等在佛羅里達州Jacksonville地區的一棟辦公建筑中利用建筑蓄熱在夜間和周末為建筑預冷以降低白天的空調負荷，結果顯示可減少約18%的制冷能耗，許建柳等通過理論計算和實驗實測的方法研究了間歇供熱或制冷情況下，復合材料墻體的材料排列方式下室內溫度波動對HVAC系統調控作用的響應。王蕾就不同圍護結構熱惰性對空調啟停時間的影響進行了詳細分析。白貴平等引入了圍護結構的“熱穩定性度時數（DH）”和“反應系數（BER）”的概念，分析了不同形式的圍護結構對室內空調冷負荷及室內空氣熱穩定性的影響。

4 結語

綜上所述，本文對建筑熱惰性的理論基礎和研究方法進行了總結，并在此基礎上將建筑熱惰性主要研究領域進行了歸納分類。從目前的研究成果來看，國內外對建筑熱惰性相關領域都進行了較為廣泛的研究。在傳統領域已經進行了較為系統深入的研究，例如理論研究方面，基于周期性不穩定傳熱理論基礎上對室內外蓄熱體熱特性的研究，以及蓄熱部件優化方面。不過現實中建筑熱特性是受到圍護結構各因素（窗戶、內墻、樓板以及室內陳設等）的共同影響，現有的熱惰性的理論計算并不能完全描述用來建筑物整體的熱穩定性。由于建筑物整體熱惰性的研究過于復雜，已有學者嘗試對建筑物整體熱惰性進行研究，還沒有取得突破性的進展。從建筑熱惰性的實際建筑利用來看，目前已經有不少建筑采用了自然通風與建筑蓄熱相結合的被動式降溫方式、相變蓄熱圍護結構在一些建筑中也得到了有效利用，不過建筑熱惰性與暖通空調系統的調控結合使用僅在理論實驗階段。

目前的這些研究對設計師而言，首要目標是確定一個建筑的最佳熱惰性指標（不是單指圍護結構D），然后進行室內外蓄熱體的優化布置，以達到降低室內溫度波動，提高舒適度，少用甚至不用暖通空調系統的目的。因此建筑熱惰性的研究需要建立一個具有特定標準的工具或者模型，能在設計最初的階段給予設計師指導。

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