暖通空調系統對建筑內環境的影響

王利霞,康冰

暖通空調系統對建筑內環境的影響

王利霞1,康冰2

1. 山西大同大學建筑與測繪工程學院建筑工程系, 山西 大同 037008 2. 大秦鐵路股份有限公司, 山西 大同 037000

在暖通空調間歇式調控建筑溫度的情況下，本文考察了冷熱環境下室溫溫度和傳熱的作用規律。結果表明：建筑內保溫墻體較外保溫傳熱負荷小、負荷峰值低。相同熱阻下，熱環境下外保溫和內保溫的傳熱負荷峰值都低于冷環境。冷環境下空調負荷要明顯高于熱環境，且內保溫外墻的暖通空調的容量配置明顯低于外保溫；熱環境下內保溫墻體對應的每日空調負荷峰谷差值要高于墻體外保溫，而冷環境下內保溫墻體對應的每日空調負荷峰谷差值要低于墻體外保溫。

暖通空調系統; 建筑墻體; 保溫

隨著人們對現代化建筑舒適性要求的提高，暖通空調系統已經逐步走進千家萬戶，并成為實現環境溫度控制的基本手段。無論是在炎熱的夏季熱環境中，還是在寒冷的冬季冷環境下，降低建筑能耗最有效的方式在于圍護結構保溫的應用上，而墻體保溫層對室內熱環境和空調能耗的影響一直是大家普遍關注的重點[1-3]。本文基于暖通空調系統在某地區典型建筑中的應用背景，考察了暖通空調間歇式調控模式下建筑室內溫度和傳熱的變化規律。

1 暖通空調運行條件與計算模型

1.1 建筑模型

按照某地區典型建筑尺寸建立建筑模型（圖1）。該建筑物為南北朝向，房間內部和外墻窗戶尺寸信息等都在圖中標注。在冷（冬天）熱（夏天）條件下設定房間窗戶都為關閉狀態，空氣滲透換氣次數均為0.5 h。外墻保溫層厚度15~90 mm，對應地熱阻介于0.5~3 m2.℃/W；外圍護的物性參數如表1[4]。

表 1 外圍護結構的物性參數

1.2 參數設定

采用METLAB軟件對內外保溫墻體在冷熱環境下的傳熱過程進行計算，其初始溫度都為前一個月室外溫度平均值[5,6]。不同時間步長的冷熱環境下圍護結構內表面溫度變化曲線如圖2。圖2中可見15~30 min時圍護結構內表面溫度曲線基本重合，因此，本文選取時間步長為30 min進行分析。

2 結果與分析

圖3為冷熱環境下外墻內表面溫度隨時間的變化曲線，其中外墻保溫層熱阻為1.0 m2.℃/W。對比分析可知，在空調設定溫度不變、室外綜合溫度波動較大和熱環境下（7月15日~8月13日），內外保溫墻體內表面溫度均有一定程度波動，但是相對而言，內保溫的波動幅度會相對外保溫更大；在空調設定溫度不變、室外綜合溫度波動較大和熱環境下（1月1日~1月30日），內保溫和外保溫墻體內表面溫度變化與熱環境下一致，即內保溫的波動幅度會相對外保溫更大。此外，雖然內保溫在空調運行過程中會存在溫度波動，但是整個空調運行期間與空調設定溫度的差值仍然小于外保溫。

圖 3 冷熱環境下外墻內表面溫度隨時間的變化曲線

圖4為冷熱環境下外墻傳熱負荷隨時間的變化曲線。在熱環境下（7月15日~8月13日），外墻內保溫和外墻外保溫時傳熱負荷峰值分別出現在7月26日和7月31日，相應的對應室外綜合溫度最高和室外氣溫最高的時間。造成這種現象的原因在于，暖通空調間歇運動過程中的傳熱負荷取決于前一天的蓄熱，外保溫時墻體會存儲大量熱量，而內保溫墻體的傳熱負荷主要取決于室外氣候。在冷環境下（1月1日~1月30日），傳熱負荷峰值都出現在1月10日，對應于整個時間段內夜間室外氣溫最低的一天，這主要是由于冷環境下室溫溫差相對室內溫差明顯更大的緣故。綜合而言，建筑墻體采用內保溫可以獲得相對外保溫傳熱負荷小、負荷峰值低的效果。

圖 4 冷熱環境下外墻傳熱負荷隨時間變化圖

圖 5 冷熱環境下內墻體傳熱負荷峰值比較

圖5為冷熱環境下內墻體傳熱負荷峰值比較結果。從熱負荷峰值比較結果來看，無論是在熱環境還是在冷環境下，外保溫的傳熱負荷峰值都要高于內保溫；此外，隨著保溫層熱阻從0.5 m2.℃/W增加至3 m2.℃/W，外保溫和內保溫的傳熱負荷峰值都呈現逐漸減小特征，且相同熱阻下，熱環境下外保溫和內保溫的傳熱負荷峰值都低于冷環境。

圖6為冷熱環境下空調負荷峰值比較結果。對比分析可知，冷環境下空調負荷要明顯高于熱環境，且在外墻使用內保溫時，暖通空調的容量配置明顯低于采用外保溫的情況，即在實際施工設計過程中，要想達到降低投資、節省成本等目的，適宜采用外墻內保溫。

圖 6 冷熱環境下空調負荷峰值比較

圖7為冷熱環境下每日空調負荷峰谷差值統計結果。對比分析可知，無論是熱環境還是冷環境下，內外保溫條件下每日空調負荷峰谷差值的變化規律基本一致。熱環境下墻體內保溫對應的每日空調負荷峰谷差值要高于墻體外保溫，而冷環境下則要低于墻體外保溫。

圖7 冷熱環境下每日空調負荷峰谷差值

圖8為冷熱環境下室內建筑不同區域的溫度變化曲線，分別監測了冷熱環境下連續7 d的室內溫度結果，包括墻體內表面溫度（θ）和室內溫度（T）。對比分析可知，在冷環境下，墻體外保溫和內保溫方式得到的內表面溫度的變化規律基本相同，在空調運行階段，墻體內表面溫度會迅速升高并接近空調設定溫度，并隨著室外溫度升高而出現超過空調設定溫度的情況，而外保溫墻體的內表面溫度則會緩慢升高并一直低于空調設定溫度。熱環境下不同保溫層對應的內表面溫度和室內溫度的變化曲線與冷環境下相似。

圖8 冷熱環境下室內建筑不同區域的溫度變化

3 結 論

（1）在空調設定溫度不變、室外綜合溫度波動較大的熱環境下，內保溫的波動幅度較外保溫更大；

（2）冷熱環境下，外保溫的傳熱負荷峰值都要高于內保溫，且相同熱阻下，熱環境下外保溫和內保溫的傳熱負荷峰值都低于冷環境；

（3）冷環境下空調負荷要明顯高于熱環境，且在外墻使用內保溫時，暖通空調的容量配置明顯低于采用外保溫的情況。

[1] 劉國丹,李瀟斐,王志欣,等.基于太陽輻射影響的室內熱環境特性[J].暖通空調,2019,49(11):132-139

[2] 王麗慧,劉俊,劉俊豪,等.觸地建筑地面對室內熱環境影響實測研究[J].流體機械,2019,47(3):69-74

[3] 晏益力,晏真琪,朱椰,等.居住建筑能耗與室內長期熱環境相關性研究[J].建筑熱能通風空調,2019,38(3):41-44,75

[4] 聶璐.室內外墻柱面綠化對建筑室內熱環境穩定性的影響研究[J].科技通報,2018,34(12):202-205,210

[5] 王崇杰,弭羽高,尹紅梅.寒冷地區機場室內熱環境優化研究[J].建筑節能,2018,46(10):55-58

[6] 房玉恒,葉筱,鐘珂,等.冷風侵入對熱風供暖房間室內熱環境影響的實測研究[J].東華大學學報,2017,43(1):109-114

The Effect of HVAC System on Indoor Environment of a Building

WANG Li-xia1, KANG Bing2

1.037008,2.037000,

Under the condition of intermittent control of building temperature by HVAC, the effects of room temperature and heat transfer in cold and hot environment were investigated. The results showed that the heat transfer load of the inner thermal insulation wall was smaller and the peak load was lower than that of the outer thermal insulation wall. Under the same thermal resistance, the peak heat transfer load of external thermal insulation and internal thermal insulation was lower than that of cold thermal insulation. The air conditioning load in the cold environment was obviously higher than that in the thermal environment, and the capacity configuration of HVAC in the inner thermal insulation outer wall was obviously lower than that in the outer thermal insulation. The peak-valley difference of the daily air conditioning load corresponding to the internal thermal insulation wall was higher than that of the external thermal insulation wall in the thermal environment, while the peak-valley difference of the daily air conditioning load corresponding to the internal thermal insulation wall in the cold environment was lower than that of the external thermal insulation wall.

HVAC system; building wall; thermal insulation

TU831.3/TU111.4+8

A

1000-2324(2021)01-0081-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.01.014

2019-01-05

2019-03-06

王利霞(1976-),女,碩士,副教授,主要研究方向為暖通空調技術. E-mail:kbwlx@163.com

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