夏熱冬冷地區不同構造形式外墻動態傳熱特性分析*

重慶大學 國家級低碳綠色建筑國際聯合研究中心 綠色建筑與人居環境 營造教育部國際合作聯合實驗室 續 璐 丁 勇

0 引言

目前，我國建筑運行總商品能耗已占全國能源消耗總量的20%[1]，通過降低建筑能耗來實現節能減碳，是降低社會總能耗的重要突破口。而相關研究表明，通過建筑圍護結構可節能25%左右[2]，是建筑節能減碳的重要組成部分。受歷史條件、政策等多方面的影響，夏熱冬冷地區不同類型建筑在冬、夏季存在供暖、空調系統連續運行、間歇運行等不同運行模式，使得該地區建筑非透明圍護結構兩側傳熱邊界條件遠遠復雜于僅按單季節、單向傳熱或近似穩態傳熱來考慮的北方集中供暖地區，也導致該地區建筑外墻的傳熱特性不同于北方地區。由此在進行該地區建筑熱環境營造時，如果僅從熱環境營造的某單一過程入手，而不從建筑熱過程整體考慮分析技術的節能路徑與適用性，將無法保證預期節能效果[3]。因此，分析該地區建筑外墻的傳熱特性，可為指導該地區滿足不同熱環境需求的外墻熱工性能設計提供理論研究基礎，也是該地區構建適宜的室內熱環境營造技術的基礎。

已有學者對夏熱冬冷地區間歇制冷、間歇供暖條件下，不同構造形式墻體的動態熱過程進行了研究。高珂指出在夏熱冬冷地區一天內空調間歇運行模式下，內保溫墻體的節能效果優于外保溫墻體[4]；朱巖巖指出在夏熱冬冷地區間歇制冷、間歇供暖條件下，內保溫墻體比外保溫墻體全年節能10%左右[5]；牟林森指出在夏熱冬冷地區內外組合保溫外墻的節能性優于內保溫墻體及外保溫墻體，并得出使得全壽命周期成本最低的內外組合保溫墻體的內側保溫層厚度為20 mm，外側保溫層厚度為40 mm[6]。筆者所在課題組前期分析了夏熱冬冷地區夏季室內間歇制冷狀態及自然室溫狀態下外保溫、內保溫和自保溫3種墻體的動態熱工性能，得出在間歇制冷條件下，外保溫墻體的隔熱性能最好，墻體內表面溫度峰值最低；在自然室溫狀態下，內保溫墻體的隔熱性能最好，墻體內表面溫度峰值最低[2,7-8]。總結來看，現有研究僅對不同構造形式墻體在間歇制冷、間歇供暖條件下的節能特性進行了研究，而對不同構造形式墻體傳熱特性的研究不足；并且當前能耗模擬軟件，如EnergyPlus等，多是針對長周期的能耗模擬，在模擬軟件設置時，圍護結構傳熱數值模型均按穩態熱工性能參數考慮，但由于缺乏對墻體在動態傳熱邊界條件下的熱工特性動態變化的考慮，因此如用這些模擬軟件進行短周期的能耗模擬，其結果準確性值得考究。而在筆者所在課題組的前期研究中，由于測試條件的局限性，所搭建的測試平臺將3種不同構造形式墻體置于測試房間的同一面外墻，這樣室內溫度為室外綜合溫度波同時經3種墻體衰減后的狀態，使得采用該測試平臺得出的通過外墻傳入/傳出室內的熱量并不能反映該地區實際某一種構造形式外墻的傳熱特性。

因此，本文利用實驗研究的方法，對夏熱冬冷地區6種真實空調間歇運行模式下不同構造形式墻體的傳熱過程，以及通過墻體的瞬時傳熱量與累計傳熱量進行量化分析，為該地區構建適宜的建筑外墻構造提供理論基礎。

1 研究方法

1.1 實驗平臺

本研究實驗測試是為了得出夏熱冬冷地區6種真實空調間歇運行模式下不同構造形式墻體的兩側表面及周圍空氣溫度場，為分析不同構造形式墻體的傳熱過程與傳熱量提供基礎數據。

本研究在穩態熱箱測試法的測試標準EN ISO 8990:1994[9]和ASTM C1363-11[10]基礎上，搭建了動態熱箱實驗測試平臺(如圖1所示)，用以營造與夏熱冬冷地區墻體實際傳熱過程的邊界條件較為相近的室內側、室外側熱環境。動態熱箱實驗測試平臺的動態測試原理見文獻[11]。實驗測試平臺中，墻體試件兩側為處理至設定狀態的冷、熱流體介質，采用對流換熱的方式與墻體進行換熱；冷箱和計量箱中的導流屏用于屏蔽對墻體試件的輻射作用，并在試件表面形成穩定流動的氣流組織。該實驗平臺所在實驗房間設置了空調系統，可以控制實驗室房間溫度和濕度，從而減少室外環境對箱體內環境的影響。

1.試件框；2.試件；3.防護熱箱；4.計量箱；5.冷箱；6.冷箱中的導流屏；7.計量箱中的導流屏；8.冷箱中的加熱和制冷系統；9.計量箱中的電加熱絲；10.防護箱中加熱和制冷系統；11.風機；12.固定、卡緊裝置；13.控制電路系統；14.智能監測和控制系統；15.計算機實時顯示操作客戶端；16.數據傳輸線；17.溫度傳感器。圖1 墻體動態傳熱過程實驗測試平臺示意圖

實驗測試參數主要有：墻體試件內外表面溫度、冷箱和計量箱中距離試件表面約100 mm處流體的溫度，采用36根數字溫度傳感器(DS18B20，測量范圍-55～125 ℃，測量精度0.125 ℃(-30～85 ℃)，分辨率0.062 5 ℃)測量。

試件內外表面溫度測點及冷熱側空氣溫度測點分別在各自所在平面按圖2所示均勻排列。

注：1～9為測點。圖2 試件表面溫度測點分布 (從冷箱側或熱箱側的正視圖，單位：mm)

1.2 測試對象

根據對該地區651棟建筑(包括571棟居住建筑和80棟公共建筑)常用外墻構造形式及材料的統計結果，考慮本研究的目的是分析不同構造形式墻體的動態傳熱特性，因此確定本實驗墻體構造形式為：外保溫形式、夾心保溫形式、內保溫形式及自保溫形式。因為本實驗工況的設定既包括居住建筑，也包括公共建筑，所以墻體試件組成材料選取該地區居住建筑和公共建筑均采用的材料。

實驗墻體構建的原則為：滿足現行節能設計標準對外墻熱工參數的限值要求[12-14]；控制4種墻體的總厚度、穩態傳熱系數、單位面積熱容量基本一致。4種墻體試件的構造形式、材料組成及材料層厚度如圖3所示。

圖3 4種墻體試件的構造形式、 材料組成及材料層厚度示意圖(單位：mm)

4種墻體試件的熱工參數如表1所示，可認為本實驗構建的4種墻體試件的傳熱系數、單位面積熱容量基本一致。

1.3 測試工況

1.3.1空調間歇運行模式的確定

表1 4種墻體試件的熱工參數

根據課題組前期研究結果[2,15]，對于重慶地區夏季制冷、冬季供暖建筑中的對流換熱方式的空調末端系統，根據一天中空調使用時間的不同，存在表2所示的6種使用模式，將這6種空調間歇運行模式作為本實驗中墻體傳熱的實驗工況。采用實際測試的這6種空調間歇運行模式下的室外氣象數據和室內空氣溫度，作為本實驗中墻體傳熱的邊界條件。

表2 6種空調間歇運行模式

1.3.2不同空調間歇運行模式對應的傳熱邊界條件

對夏熱冬冷地區典型城市重慶市3種不同空調運行時間房間的冬夏季室內外空氣溫度、太陽輻照度進行連續測試，對測試的室內外熱環境參數進行整理，得出本實驗6種空調間歇運行模式對應的邊界條件。

根據測試的室外空氣溫度和太陽輻照度，由式(1)計算每個測試時間間隔(30 min)的室外綜合溫度[16]。

(1)

式中tsol為室外綜合溫度，℃；te為室外空氣溫度，℃；ρs為外表面太陽輻射吸收系數，對于實驗中的墻體均取0.4；I為投射至墻體外表面的太陽輻照度，W/m2；hcv,o為外表面對流換熱系數，W/(m2·K)，取23 W/(m2·K)[17]。

分別對室外綜合溫度及3種不同空調運行時間的室內空氣溫度在具有夏(冬)季氣候特征的時段每日同一時刻的數值求平均值，得到該地區夏(冬)季日室外綜合溫度及3種不同空調運行時間室內空氣溫度的逐時變化，如圖4、5所示。

本實驗測試平臺的計量箱和防護箱用于營造墻體傳熱的熱側環境，冷箱用于營造墻體傳熱的冷側環境。根據圖4中的溫度變化規律分別設定本實驗中夏季、冬季工況室外環境的變化過程。根據圖5的溫度變化規律分別設定不同空調間歇運行模式下室內環境的變化過程。由此為實驗測試提供模擬實際情況的邊界條件。

本研究在夏熱冬冷地區6種空調間歇運行模式下，對構建的4種墻體試件兩側表面溫度和周圍空氣溫度進行了24組實驗。每組實驗的測試周期為24 h。

2 實驗結果分析

對不同空調間歇運行模式下測得的各墻體試件內表面溫度求平均值，得到4種墻體內表面溫度隨時間的變化，如圖6所示。

由圖6可以看出，不同空調間歇運行模式下，不同構造形式墻體的內表面溫度在空調啟動后 1 h內呈現劇烈變化的趨勢，以空調啟動后1 h內各墻體內表面溫度的變化速率來分析各墻體內表面溫度對室內空氣溫度變化的響應快慢：在SE模式下，內保溫墻體的內表面溫度變化速率為-0.001 6 ℃/s，比夾心保溫墻體高5%，比自保溫墻體高15%，比外保溫墻體高26%；在SN模式下，內保溫墻體的內表面溫度變化速率為-0.000 6 ℃/s，比夾心保溫墻體高5%，比自保溫墻體高46%，比外保溫墻體高66%；在SD模式下，內保溫墻體的內表面溫度變化速率為-0.000 8 ℃/s，比夾心保溫墻體高14%，比自保溫墻體高19%，比外保溫墻體高27%；在WE模式下，內保溫墻體的內表面溫度變化速率為0.000 7 ℃/s，比夾心保溫墻體高7%，比自保溫墻體高27%，比外保溫墻體高40%；在WN模式下，內保溫墻體的內表面溫度變化速率為0.000 4 ℃/s，比夾心保溫墻體高10%，比自保溫墻體高30%，比外保溫墻體高96%；在WD模式下，內保溫墻體的內表面溫度變化速率為0.000 8 ℃/s，比夾心保溫墻體高13%，比自保溫墻體高12%，比外保溫墻體高40%。說明在6種空調間歇運行模式下，均呈現內保溫墻體的內表面溫度對室內空氣溫度的變化響應最快，其次為夾心保溫墻體，再次為自保溫墻體，外保溫墻體的響應最慢的規律。

由此導致內保溫、夾心保溫墻體在室內空氣溫度出現劇烈變化并逐漸趨于穩定的過程中，其內表面溫度會率先(相較于外保溫墻體和自保溫墻體)達到內表面傳熱的準穩定狀態。而外保溫墻體和自保溫墻體在室內空氣溫度經劇烈變化后已逐漸趨于穩定的情況下，其內表面溫度仍處在變化中。這說明外保溫、自保溫墻體的內表面溫度在劇烈變化至達到穩定的邊界條件下到達穩定/準穩定狀態的時間長。

3 空調間歇運行模式下不同構造形式墻體傳熱特性分析

3.1 不同構造形式墻體瞬時傳熱量分析

對于間歇制冷、間歇供暖，只在制冷或供暖需求時段，通過外墻流入或流出室內的熱量會形成空調負荷，從而影響能耗(本研究暫不考慮各家具表面和內圍護結構的蓄熱作用[16])。因此，本研究對空調運行時段通過墻體的瞬時與累計傳熱量進行了分析。

根據墻體內表面的熱平衡關系，通過外墻進入室內或從室內流出的熱流密度可以表示為[18]

q=qc+qr=(hc+hr)(Tw,i-Tf,i)=

h(Tw,i-Tf,i)

(2)

式中q為通過墻體進入室內或從室內傳出的瞬時傳熱量，W/m2；qc為墻體內表面對流換熱熱流密度，W/m2；qr為墻體內表面與外圍環境的輻射換熱熱流密度，W/m2；hc為內表面對流換熱系數，W/(m2·K)；hr為墻體與周圍環境的輻射換熱系數，W/(m2·K)；Tw,i為實驗測得的墻體內表面溫度的平均值，K；Tf,i為實驗測得的墻體傳熱過程中室內空氣溫度的平均值，K；h為墻體內表面復合換熱表面傳熱系數，W/(m2·K)。

根據ASHRAE手冊給出的經驗公式，墻體內表面復合換熱表面傳熱系數[19]為

(3)

由式(2)、(3)可以得到6種空調間歇運行模式下不同構造形式墻體一天中瞬時傳熱量的變化，如圖7所示。對于夏季3種間歇運行模式，正值表示由室外傳入室內的得熱量，負值表示由室內傳出的熱量，可以用于消除由其他原因產生的室內得熱，本研究將間歇運行模式下，夏季空調時段由室內傳出的熱量稱為制冷貢獻量。對于冬季3種間歇運行模式，負值表示由室內傳出的熱量，而正值表示傳入室內的熱量，可用于消除由其他原因引起的室內失熱，本研究將間歇運行模式下，冬季空調時段傳入室內的熱量稱為供暖貢獻量。

由圖7可以看出，在6種空調間歇運行模式下，4種墻體瞬時傳熱量隨時間的變化趨勢均為在空調啟動時陡然增大，且在空調啟動后的1～2 h內出現峰值，在隨后的空調運行期間隨時間波動。在任一空調間歇運行模式下，4種墻體瞬時傳熱量的關系為：外保溫墻體最大，其次為自保溫墻體，再次是夾心保溫墻體，內保溫墻體最小。

由圖7還可以看出，在空調運行時段，如果墻體在夏季瞬時傳熱量高，那么在對應的冬季工況，其瞬時傳熱量也較高，反之亦然。例如，墻體在夏季晚上運行模式(SE模式)的空調運行時段瞬時傳熱量高，則在冬季晚上運行模式(WE模式)的空調運行時段瞬時傳熱量也高。這說明同一構造形式的墻體在冬季和夏季空調運行時段的傳熱特性表現是一致的。

此外，在任一空調間歇運行模式下，空調在晚上運行時墻體的瞬時傳熱量大于白天運行和夜間運行。這說明不同空調間歇運行模式對通過墻體的瞬時傳熱量存在顯著影響，因此在進行墻體傳熱特性分析時，應充分考慮房間空調或供暖設備的使用模式。

3.2 不同構造形式墻體累計傳熱量分析

對各模式下瞬時傳熱量在一天中制冷時段或供暖時段對時間積分，便可得到各模式下4種墻體在制冷/供暖時段累計傳熱量：

(4)

式中Q為制冷/供暖時段的累計傳熱量，kJ/(m2·d)；τ1、τ2分別為空調間歇運行模式下一天中空調運行的開始和結束時刻；τ為時間。

由于實驗數據采集時間間隔為5 min，利用離散矩形波單元擾量疊加求和代替式(4)中積分求和，可分別算出夏季制冷時段累計得熱量及累計制冷貢獻量：

(5)

(6)

式(5)、(6)中Qc為夏季一天中制冷時段累計得熱量，kJ/(m2·d)；n為夏季間歇運行模式下一天內制冷時段采樣點的個數；j為采樣點的序號；qj為根據式(2)算得的瞬時傳熱量，W/m2；Δτ為采樣時間間隔，Δτ=5 min；Qcont,c為夏季一天中累計制冷貢獻量，kJ/(m2·d)。

冬季供暖時段累計失熱量及累計供暖貢獻量分別為

(7)

(8)

式(7)、(8)中Qh為冬季一天中供暖時段累計失熱量，kJ/(m2·d)；m為冬季間歇運行模式下一天內供暖時段采樣點的個數；Qcont,h為冬季一天中累計供暖貢獻量，kJ/(m2·d)。

根據式(5)～(8)算出不同墻體在6種間歇運行模式下夏季一天中制冷時段累計得熱量、累計制冷貢獻量和冬季一天中供暖時段累計失熱量、累計供暖貢獻量，如圖8所示。可以看出，在任一空調間歇運行模式下，不同構造形式墻體制冷時段累計得熱量、累計制冷貢獻量和供暖時段累計失熱量的趨勢與其瞬時傳熱量的趨勢是相同的，均為外保溫墻體最大，其次為自保溫墻體，再次為夾心保溫墻體，內保溫墻體最小。結合第2章、3.1節和本節結果可知，間歇制冷、間歇供暖條件下墻體傳熱過程、瞬時和累計傳熱量特性不同于空調連續運行模式。在空調連續運行模式下，不同構造形式墻體內表面溫度和瞬時負荷波幅均呈現內保溫墻體最大，夾心保溫墻體其次，外保溫墻體再次，自保溫墻體最小的特性[21]；并且不同構造形式墻體在一天內總傳熱量是相等的[22]。說明由于在空調連續運行模式下與間歇運行模式下建筑熱過程特性的不同，會導致間歇運行模式下室內熱環境營造技術的節能路徑與適用范圍不同于連續運行模式。

注：SE、SN、SD模式下，累計失熱量即為制冷貢獻量；WE、WN、WD模式下，累計得熱量即為供暖貢獻量。圖8 6種空調間歇運行模式下不同構造形式墻體夏季累計得 熱量、累計制冷貢獻量及冬季累計失熱量、累計供暖貢獻量

由圖8也可以看出：在冬季間歇運行模式下，只有WN模式的夾心保溫墻體和WD模式的自保溫墻體有少量供暖貢獻量(分別為0.45、0.02 kJ/(m2·d))。但是，在SN模式下，4種墻體均有較大的累計制冷貢獻量，其累計制冷貢獻量為同一模式下累計得熱量的3.0～5.5倍。由圖7b可知，在SN模式下，4種墻體在23:00—24:00表現為得熱特性，在00:00—07:30表現為失熱特性。這是因為在夏熱冬冷地區氣候條件下，夏季夜間室外無太陽輻射，室外空氣溫度驟降，隨時間推移，到凌晨時段(00:00—07:30)，室外溫度進一步降低，使得室內大量熱量可通過外墻圍護結構向室外散走，因此凌晨時段沒有室內得熱，反而可形成較大的失熱量(制冷貢獻量)。

4 討論

分析實驗結果，夏熱冬冷地區間歇制冷、間歇供暖條件下，從外墻內表面溫度對室內空氣溫度的響應速率及減少室內夏季得熱量與冬季失熱量的角度來看，內保溫墻體構造是最優的外墻構造形式。這與其他一些學者的研究結論相似[21,23]。但墻體的熱響應快慢和傳熱特性僅是其動態熱工特性的表現之一。相比現有針對室內空調末端形式同為對流換熱方式的外墻構造優化的研究，在夏熱冬冷地區間歇制冷條件下，外保溫墻體的隔熱性能最優[2]，而內保溫墻體的節能性能最優[4-6]。在夏熱冬冷地區連續制冷條件下，外保溫墻體的節能性能最優[21]。而在該地區夏季自然室溫條件下，內保溫墻體的隔熱性能最優[7]。可見，對于該地區不同傳熱邊界條件下外墻構造優化的研究，優化的角度不同，則得到的優化策略也不同。并且現有從熱工性能、節能性能對外墻構造的優化，多不考慮熱橋的影響，且為從單一性能進行的研究。在不同的傳熱邊界條件下，僅從單一性能進行優化，得到的優化策略不同。綜合現階段的研究，尚不能得出對該地區具體某一傳熱邊界條件，如間歇制冷、間歇供暖邊界條件下綜合最優外墻構造形式的推薦。在后續研究中將考慮外墻的結構性熱橋的影響，以整個圍護結構系統作為優化對象，把保溫隔熱性能、防潮性能、節能性能等作為圍護結構構造方案選擇過程中的優化因素，綜合分析該地區間歇制冷、間歇供暖條件下適宜的外墻構造形式。

5 結論

1) 對于本文中4種構造形式的墻體，在夏熱冬冷地區6種空調間歇運行模式下，內保溫墻體內表面溫度對室內空氣溫度的變化響應最快，其次為夾心保溫墻體，再次為自保溫墻體，外保溫墻體的響應最慢。

2) 經與文獻對比，在空調間歇運行模式下與連續運行模式下建筑熱過程特性不同，因此會導致間歇運行模式下室內熱環境營造技術的節能路徑與適用范圍不同于連續運行模式。

3) 分析得到，空調運行模式對空調運行時段通過外墻的瞬時傳熱量有顯著影響，因此，在進行墻體傳熱特性分析時，應充分考慮房間空調或供暖設備的使用模式。