熱管置入式墻體冬季測試與分析

張志剛，武 威

（天津城建大學能源與安全工程學院，天津 300384）

在大氣環(huán)境日益受到重視的情況下，化石燃料的消耗日趨減少、太陽能已成為人類使用能源的重要組成部分.在我國北方寒冷和嚴寒地區(qū)，作為重要圍護結(jié)構(gòu)的墻體，普遍采用外保溫來降低傳熱系數(shù)以提高墻體的保溫隔熱性能，但這也同時降低了墻體外表面對太陽輻射的利用[1].

熱管置入式墻體（the wall implanted with heat pipes，簡稱WIHP）是通過在特定條件下改變墻體傳熱性能從而充分利用太陽能來改善室內(nèi)熱環(huán)境，本課題組對其已經(jīng)進行了多年的研究[2].在此前的研究中，分析了WIHP 在冬季的適用性[3]，通過對比實驗優(yōu)化了WIHP的傳熱能力[4]，建立了WIHP 非穩(wěn)態(tài)傳熱模型[5]，對熱管結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化[6]，通過實驗確定了充液率的最佳值[7]，分析了優(yōu)化后的WIHP 在不同氣候區(qū)的適用性[8].另外，探尋了WIHP 結(jié)合其他技術(shù)如特朗伯墻的效果[9].

實際環(huán)境是復雜多變的，動態(tài)的，為了研究實際環(huán)境下WIHP 的傳熱特性和冬季對室內(nèi)熱環(huán)境的改善情況，本課題組進行了相關(guān)的實驗測試.

1 測試系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 測試房間

測試地點位于天津市，測試房間的外墻和內(nèi)墻均為240 磚混墻.用加氣混凝土砌塊隔墻將測試房間分成外部條件和尺寸完全相同的兩個房間，南向外墻鋪設(shè)70 mm 厚的XPS 擠塑保溫板，如圖1 所示.在除南墻外的其他三面內(nèi)墻（包括兩扇測試房間的木門內(nèi)面）鋪設(shè)50 mm 厚的XPS 擠塑保溫板（屋頂和地面未作改造），內(nèi)墻再用20 mm 水泥砂漿找平，房間內(nèi)部尺寸為南墻長3.2 m，高3.4 m，進深3.8 m，如圖2 所示.

圖1 南向外墻剖面示意

圖2 改造后房間的俯視效果

1.2 南墻熱管布置

將熱管置入到東側(cè)房間南墻內(nèi)外表面兩側(cè)，之后在墻體內(nèi)外表面做抹灰處理. 熱管管柵單組尺寸長1 m，寬0.8 m（由24 根尺寸為Φ4.3 × 0.8 mm 的毛細管柵組成），熱管管柵的主管管徑尺寸為DN20.絕熱管段、上升和下降管段的管材為DN20 的PVC 管，熱管連接方式采用傳熱效果較好的H 型連接方式[8]，見圖3.為了將傳入室內(nèi)的熱量最大化，在南墻垂直方向疊加兩組H 型熱管（其中管柵冷凝段面積占南墻面積的26.32%），兩組之間彼此獨立，管柵與絕熱管之間的連接方式采用熱熔連接（紅色部分），施工過程如圖4 所示.

圖3 H 型熱管構(gòu)造圖、兩組熱管垂直疊加的效果

圖4 南墻內(nèi)表面安裝后效果

1.3 測試內(nèi)容

冬季測試重點研究的內(nèi)容是：室外綜合溫度對WIHP 工作的影響；WIHP 工作對南墻內(nèi)表面溫度的提升效果；室內(nèi)空氣溫度的分布情況和WIHP 工作對室內(nèi)耗熱量的影響.在用電暖器維持兩個房間室內(nèi)空氣溫度在18 ℃（±0.2）的情況下，通過記錄儀記錄測試房間南墻內(nèi)外表面的溫度；通過溫濕度自記儀記錄測試房間室內(nèi)和室外的空氣溫度和濕度；通過太陽輻射測試臺采集太陽輻射強度數(shù)據(jù)；通過智能電表和計量插排記錄測試房間的耗電量.

1.3.1 溫度測點的布置

將經(jīng)校驗過的鎧裝絲PT1000 鉑熱電阻溫度傳感器（芯片精度：±0.03 ℃；溫度測量范圍：-50～150 ℃）布置在墻體內(nèi)外表面，測試房間南墻內(nèi)表面均布置上下一共6 排，對齊設(shè)置，熱電阻上下間距約40 cm，左右間距約70 cm，如圖5 所示.測試房間南墻外表面均布置上下一共3 排，高度分別對應了內(nèi)表面測點的1，3，5 排，如圖6 所示.

圖5 南墻內(nèi)表面熱電偶布置

圖6 南墻外表面熱電偶布置

為了測定室外空氣溫度、兩房間室內(nèi)空氣溫度（中心距地1.5 m）和電暖器溫度，在相應的測點均布置了熱電阻，共計50 個熱電阻測點，采集時間間隔設(shè)置為10 min，以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性.

1.3.2 溫濕度自記儀的布置

將溫濕度自記儀（記錄、顯示溫度范圍：-40～120 ℃，芯片精度：±0.03 ℃）布置在測試房間內(nèi)外，測試房間中心距地1.5 m 處布置1 個，與熱電阻共同用于記錄室溫；測試房間東墻外表面（室內(nèi)）和西墻外表面（室內(nèi)）各布置1 個，北墻外表面（室內(nèi)）及南墻外表面背陰處各布置1 個，用于記錄測試房間外的空氣溫度；測試房間中心位置布置間隔40 cm 的一豎排6 個，用以記錄距地50 m 到250 cm 的空氣溫度，共計18 個溫濕度自記儀測點，如圖7 所示.由于測試房間無外窗且室溫由電暖器控制，測試期間人員出入較少，因此自記儀溫度和濕度的變化范圍不大，所以采集時間間隔設(shè)置為30 min.

圖7 溫濕度自記儀測點俯視效果

1.3.3 電量測量

電量測量系統(tǒng)主要由電暖器、智能電表、計量插排、溫控器組成.電暖器的工作功率設(shè)定為1 200 W，啟停由溫控器控制.智能電表的記錄設(shè)定為每30 s 記錄一次，溫控器的溫度探頭布置在測試房間的正中央距離地面1.5 m 處.

1.3.4 太陽輻射強度的測量

太陽輻射強度由專用的測量臺（光譜范圍：285～2 800 nm；靈敏度：7 μV/W/m2～14 μV/W/m2）進行測量，測量地點則位于附近無遮擋的樓頂，采用南向垂直于墻面的太陽輻射強度數(shù)據(jù).由于太陽輻射強度變化較快，因此設(shè)置成每3 min 采集一次，如圖8 所示.

圖8 太陽輻射強度測量臺

2 測試數(shù)據(jù)分析

2.1 WIHP 動態(tài)傳熱模型

2.1.1 物理模型

WIHP 的傳熱過程非常復雜，包括熱管的傳熱、墻體的蓄熱以及墻體表面的換熱過程.為便于對傳熱過程進行分析，可對其進行適當簡化.

（1）蒸發(fā)段與內(nèi)表面之間有較厚保溫板，且其導熱系數(shù)僅為0.03 W/（m·K），所以忽略熱管工作時管柵蒸發(fā)段對墻體內(nèi)表面的影響.

（2）熱管絕熱段與墻體的接觸面積有限，且絕熱段管孔填充有聚氨酯保溫層，所以忽略熱管絕熱段與墻體之間的傳熱.

（3）抹灰層（水泥砂漿）厚度較薄且蓄熱系數(shù)低至11.3 W（/m·2K），所以忽略內(nèi)抹灰層的蓄熱.

（4）墻體長寬是厚度的十倍以上且內(nèi)表面縱向溫差較小，所以忽略縱向傳熱.

熱量傳遞過程如圖9 所示.

圖9 熱量拆分

冷凝段作為一個加熱面，是提升墻體內(nèi)表面溫度改善室內(nèi)熱環(huán)境的關(guān)鍵.因此本文重點研究冷凝段的傳熱過程.當熱管工作時，熱量向室內(nèi)側(cè)傳遞加熱內(nèi)表面（即時傳熱量），同時向室外側(cè)傳遞被墻體吸收（蓄熱量）.當熱管不工作時，外側(cè)墻體蓄存的熱量會持續(xù)釋放加熱內(nèi)表面.

根據(jù)以上對WIHP 傳熱過程的簡化，將WIHP 的傳熱過程等效于普通墻體與兩個內(nèi)擾作用傳熱的總和.其中，q1為室外通過普通墻體結(jié)構(gòu)向室內(nèi)的逐時傳熱量；q2為熱管不工作時墻體蓄熱向室內(nèi)的傳熱量；q3（q3=q3(a)+q3(b)）是熱管總的傳熱量，其中q3(a)為熱管管柵冷凝段對室內(nèi)的直接放熱量，q3(b)為冷凝段向墻體蓄熱量.q1、q2、q3(a)的加和q為室外通過WIHP 向室內(nèi)的傳熱總量.

2.1.2 數(shù)學模型

傳熱量的方向由傳熱量數(shù)值的正負來表示，本文設(shè)定由室外向室內(nèi)的傳熱方向為正，反之為負.根據(jù)Z傳遞函數(shù)法可知，在室內(nèi)溫度為常數(shù)時，內(nèi)表面的逐時傳熱量為[10]

式中：系數(shù)bi、ci和di分別根據(jù)構(gòu)成墻體所需材料的物性決定；tr為室內(nèi)空氣溫度，℃；tz為室外綜合溫度，℃.

熱管工作時，冷凝段加熱面溫度不低于冷凝段加熱面布置位置普通墻體溫度.為了更好地研究冷凝段加熱面，引入冷凝段加熱面內(nèi)擾溫度t′c，即

定義冷凝段加熱面內(nèi)擾溫度t′c為冷凝段加熱面溫度tc與冷凝段加熱面布置位置普通墻體溫度tm的差值.t′c值反映了WIHP 傳輸投射在墻體外表面的太陽輻射熱量能力的強弱.由定義可知，t′c為一個恒大于等于零的逐時變化溫度值.

熱管工作狀態(tài)下對室內(nèi)側(cè)的直接放熱量為q3(a).由于冷凝段加熱面所在位置的內(nèi)抹灰部分與墻體內(nèi)表面之間的熱阻很小，q3(a)的計算可簡化為

式中：R為內(nèi)表面到抹灰中心層的熱阻，m2·K/W；ti為墻體內(nèi)表面溫度.

熱管不工作時墻體蓄熱對室內(nèi)側(cè)的傳熱量為q2.借助Z 傳遞函數(shù)法，在邊界條件t′c下，求得通過熱管冷凝段所在平面總的傳熱量q3，然后刨除對室內(nèi)側(cè)的直接放熱量q3(a)，可得冷凝段向墻體的蓄熱量q3(b).

2.2 室外綜合溫度

室外綜合溫度（外墻外表面溫度）是WIHP 利用太陽能的關(guān)鍵.室外綜合溫度受室外空氣溫度、太陽輻射強度、墻體外表面吸收率三部分的作用影響.考慮到太陽輻射對表面換熱量的增強，相當于在室外空氣溫度上增加了一個太陽輻射的等效溫度值[11]，這是為了計算方便推出的一個當量室外溫度.室外綜合溫度由三部分構(gòu)成：①室外空氣溫度；②外表面所吸收的太陽輻射；③與外界環(huán)境的長波輻射交換.這三部分代表建筑墻體吸收、利用太陽能的可能性，表達式為

式中：tz為室外綜合溫度，℃；tair為室外空氣溫度，℃；α為圍護結(jié)構(gòu)外表面對太陽輻射的吸收率；I為室外太陽輻射強度，W/m2；αout為圍護結(jié)構(gòu)外表面的對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Qlw為圍護結(jié)構(gòu)與室外環(huán)境的長波輻射換熱量，W/m2.對于垂直墻體，墻體外表面與外界長波輻射換熱量很小，可忽略不計[11].

室外綜合溫度是控制WIHP 工作的“開關(guān)”，即當室外綜合溫度高于熱管工作的溫度時，WIHP 開始工作，且室外綜合溫度越高，WIHP 的工作效果越明顯，建筑利用的太陽能越多.根據(jù)天津地區(qū)典型年氣象資料，在南外墻涂有深色外墻涂料的情況下，室外綜合溫度最高值比當時的室外空氣溫度能提高38.4 ℃[12].由于冬季室外空氣溫度普遍偏低，所以太陽輻射強度的大小是室外綜合溫度能否高于熱管工作溫度的重要因素.

天津地區(qū)的供暖季為11 月15 日至次年3 月15日，按典型年氣象資料統(tǒng)計分析，天津地區(qū)室外綜合溫度高于熱管工作溫度的時間為314 h，即WIHP 的“工作小時”為314 h. 其中，供暖季后兩個月（1 月15日至3 月15 日）共有185 個“工作小時”，占WIHP 總工作時間的58.9%，因此WIHP 在供暖季的后半段具有更加理想的工作條件[13]，如圖10 所示.本次測試的時間為2020 年1 月15 日至3 月15 日，經(jīng)過統(tǒng)計，共有198 個“工作小時”，比典型年同期還多了13 個“工作小時”[14]，WIHP 工作條件比較理想.

圖10 典型年供暖月平均室外綜合溫度和熱管工作小時數(shù)

2.3 墻體內(nèi)表面溫度

WIHP 工作時對室內(nèi)最先影響的是冷凝段南墻內(nèi)表面的溫度，進而通過對流換熱和輻射影響室內(nèi)空氣溫度，所以南墻內(nèi)表面溫度的提升能夠最直觀地反映出熱管工作強度.同時壁面溫度也是影響熱舒適的重要因素，尤其在北方冬季室內(nèi)開窗時間少、室內(nèi)風速較低的情況下，低溫輻射換熱占比上升，人體熱感覺與壁面溫度相關(guān)性將更大.

圖11 顯示了測試房間南向墻體內(nèi)表面溫度（6 排測點平均溫度）隨時間的變化情況.由圖11 可知，兩房間溫度升降的變化趨勢基本一致，WIHP 內(nèi)表面溫度較非WIHP 有明顯的提升.測試期間，WIHP 內(nèi)表面的平均溫度達到了17.30 ℃，非WIHP 內(nèi)表面的平均溫度為16.74 ℃，WIHP 內(nèi)表面的平均溫度比非WIHP提高了0.56 ℃，溫度提升率達到了3.35%.這表示熱管的工作對內(nèi)表面溫度的提升作用明顯，同時人體熱舒適度得到了提高.

圖11 測試房間南向墻體內(nèi)表面溫度隨時間變化曲線

WIHP 和非WIHP 內(nèi)表面最小溫差為0.27 ℃，出現(xiàn)在2020 年2 月9 日01：10：00，此時室外空氣溫度為0.3 ℃，太陽輻射強度為0，室外綜合溫度也為0.3 ℃，熱管不工作；最大溫度差為0.9 ℃，出現(xiàn)在2020 年3月10 日14：30：00，此時室外空氣溫度為20 ℃，太陽輻射強度達到了346.1 W/m2，室外綜合溫度為33.84 ℃，熱管工作狀態(tài)極好.這充分說明了室外綜合溫度是決定熱管工作性能的關(guān)鍵性因素，且太陽輻射強度的大小對于室外空氣綜合溫度提升的重要性.

測試后期，兩種墻體內(nèi)表面的溫差較之前要明顯增大.這是由于隨著室外氣象條件的好轉(zhuǎn)，室外空氣溫度升高，太陽輻射強度增大，相應的室外綜合溫度也隨之升高，熱管工作的小時數(shù)增加，熱管工作狀態(tài)變好，從而使二者的溫差增大.

為了進一步展示測試房間南向墻體內(nèi)表面溫度的差異，截取兩天的數(shù)據(jù)作進一步分析（見圖12）.如圖12 所示，WIHP 內(nèi)表面溫度的波動幅度要明顯小于非WIHP.WIHP 內(nèi)表面溫度變化范圍為17.31～17.47 ℃，平均溫度為17.37 ℃，溫度波動幅度為0.16 ℃；非WIHP 內(nèi)表面溫度變化范圍為16.60～16.80 ℃，平均溫度為16.67 ℃，溫度波動幅度為0.20 ℃.和非WIHP 相比，WIHP 內(nèi)表面平均溫度提高了0.7 ℃，溫度波動幅度小了0.04 ℃，溫度波動幅度變小，出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因為置入熱管使得墻體的蓄熱量有所增加.

圖12 測試房間南向墻體內(nèi)表面溫度隨時間變化曲線（2 d）

2.4 房間的溫度分布

相對于與墻體的低溫輻射換熱等其他因素，人體與空氣的對流換熱量更大，因此室內(nèi)氣溫是對居住者來說最能直觀感受的環(huán)境因素，也是熱舒適最主要的影響因素.WIHP 的應用使南向墻體內(nèi)表面的溫度明顯提升，內(nèi)表面溫度不同帶來了對流換熱量差異，對流換熱量的差異將導致室內(nèi)空氣縱向溫度梯度出現(xiàn)差異，為了找出差異，可對測試房間空氣溫度的縱向梯度進行分析.

由于數(shù)據(jù)的時間跨度較大，溫度波動幅度相對較小，截取3 天的數(shù)據(jù)進行分析（見圖13）.由圖13 可知，非WIHP 房間由低到高空氣溫度逐漸升高，距地250 cm的測點溫度最高，與距地50 cm 的測點平均溫度差達到了0.79 ℃.除了距地170 cm 和210 cm 的測點溫度比較接近，平均溫度差僅有0.03 ℃外，隨著高度的增加，相鄰測點之間的溫差逐漸減小.

圖13 測試房間中心位置不同高度的溫度分布

而對于WIHP 房間，距地50～170 cm 的測點溫度隨高度增加而升高，和非WIHP 房間相似，同時，各測點的平均溫度與非WIHP 房間同測點相比，均有所提高.與非WIHP 房間不同的是，距地170 cm 的測點溫度要明顯高于距地210 cm 的測點，二者平均溫度相差0.1 ℃.而距地250 cm 的測點溫度還是高于其他測點，其平均溫度較最低處測點提高了0.84 ℃，而與非WIHP 房間最高處測點相比，則提高了0.51 ℃.距地130、90 cm；210、30 cm；170、210 cm 的測點平均溫度差值基本一致，均在0.1 ℃左右.

WIHP 房間距地170 cm 的測點正好處在熱管冷凝段的中心，熱管工作對距地130～210 cm 的測點溫度影響相對比較大，而對同處于熱管冷凝段，但距離冷凝段中心較遠的距地90 cm 和250 cm 的測點溫度影響相對較小. WIHP 房間室內(nèi)縱向溫度梯度不同于非WIHP 房間，從而導致了WIHP 房間距地170 cm的測點溫度高于距地210 cm 的測點溫度.

除室內(nèi)溫度的高低外，空氣溫度的縱向分布差異也是影響人們熱舒適的重要因素.由于人們一般在室內(nèi)距地200 cm 以下的空間活動，WIHP 房間較低高度的溫升更有利于改善人們的熱感覺，說明WIHP 對室內(nèi)溫度的影響在冷凝段中心更為明顯，有改善室內(nèi)縱向溫度分布的效果.

2.5 WIHP 的節(jié)能特性

電量數(shù)據(jù)能反映出測試房間在測試期間的耗電量變化和WIHP 房間的節(jié)能量.電暖器是維持測試房間室溫的主要設(shè)備，可以通過電暖器和測試儀器的耗電量計算出測試房間在不同時段的耗電量，進而可以計算出WIHP 房間在每個時間段和整個測試期間因熱管的存在而節(jié)約的能量.

非WIHP 房間僅有電暖器作為房間內(nèi)熱源，而WIHP 房間由于熱管的存在減少了房間散熱量，使得WIHP 房間的電暖器的工作總時長比非WIHP 房間短，從而WIHP 房間的耗電量比非WIHP 房間小.

圖14 為室外空氣平均溫度、每日平均室外綜合溫度和熱管工作小時數(shù)隨時間的變化情況. 從圖14可知，每日平均室外空氣綜合溫度和WIHP 工作小時數(shù)變化趨勢相近.1 月15 日至2 月14 日室外空氣溫度相對較低，相應的室外綜合溫度也較低，熱管工作小時數(shù)較少，熱管工作狀態(tài)一般；而2 月15 日至3 月15 日的室外綜合溫度較高，相應的熱管工作小時數(shù)也較多，此段時間內(nèi)熱管處于良好的工作狀態(tài)，能連續(xù)多日在室外綜合溫度達到要求時啟動工作，從而降低房間向室外的散熱量.

圖14 每日平均室外綜合溫度和熱管工作小時數(shù)

測試房間不同時間段耗電量對比情況如圖15 所示.在室內(nèi)溫度均維持18 ℃，其它圍護結(jié)構(gòu)完全相同，只有南向墻體不同的情況下，可認為兩個測試房間所消耗的電量差值等同于WIHP 與非WIHP 的傳熱量差值.WIHP 的傳熱能力隨著熱管工作小時數(shù)的變化而變化，熱管工作小時數(shù)越多，其傳熱能力也越來越強，在測試最后階段達到了最佳狀態(tài)，其節(jié)能效果也最好.由此可見，WIHP 在冬季最后階段更能明顯降低室內(nèi)的熱負荷，發(fā)揮更好的節(jié)能效果.

圖15 測試房間不同時間段耗電量對比

整個測試期間，WIHP 房間比非WIHP 房間累計節(jié)約電量19.51 kW·h.墻體向房間內(nèi)的傳熱量直接反映了墻體的節(jié)能效果，WIHP 比非WIHP 累計減少熱損失1.79 kW·h/m2（南墻面積為10.88 m2）；熱管存在累計減少熱損失6.1 kW·h/m2（熱管管柵冷凝段的面積為3.2 m2）.由此可以看出，在實際環(huán)境下，WIHP 可有效利用太陽能，從而降低建筑的供暖熱負荷，進而改善室內(nèi)的熱舒適度.

3 結(jié) 論

通過對實際環(huán)境下冬季W(wǎng)IHP 的測試與分析，可以得到以下結(jié)論.

（1）WIHP 在天津地區(qū)冬季實際環(huán)境下有較好的適用性，測試期間工作總時長可達198 h，具有理想的工作條件.

（2）冬季實際環(huán)境下WIHP 的應用使南向墻體內(nèi)表面平均溫度提高了0.56 ℃，溫度提升率為3.35%，墻體蓄熱能力也有所增加，提高了室內(nèi)熱舒適度.

（3）WIHP 對室內(nèi)溫度的影響在冷凝段中心更為明顯，較低高度（距地200 cm 以下）的溫度得到了提升，改善了室內(nèi)溫度的分布.

（4）測試期間，在室溫維持在18 ℃的情況下，WIHP房間比非WIHP 房間累計節(jié)約電量19.51 kW·h，WIHP比非WIHP 累計減少熱損失1.79 kW·h/m2，熱管存在累計減少熱損失6.1 kW·h/m2.