西安建筑科技大學(xué) 陳 潔 羅智星 楊 柳

0 引言

寒冷地區(qū)建筑供暖能耗在建筑總能耗中占有很大的比例，但在建筑能耗中增長最快的是空調(diào)制

冷能耗，特別是干熱干冷氣候地區(qū)，降溫需求要比其他寒冷地區(qū)大得多[1]。寒冷地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計旨在通過圍護結(jié)構(gòu)減少建筑物的熱損失，以此為目標(biāo)對最小熱阻進行控制，但是提高熱阻的高保溫設(shè)計顯然會對夏季散熱產(chǎn)生不利影響[2]。而針對炎熱地區(qū)的防熱降溫技術(shù)，如蓄熱通風(fēng)和優(yōu)化太陽能增益對圍護結(jié)構(gòu)保溫不作要求[3-4]。為達(dá)到改善建筑全年室內(nèi)熱舒適的最終目的，對同一圍護結(jié)構(gòu)在不同季節(jié)的熱工性能研究主要集中在以下2個方面：

1) 構(gòu)造方式對圍護結(jié)構(gòu)熱工性能的影響。墻體熱物性與絕熱材料和蓄熱材料密切相關(guān)。蓄熱材料是指能夠吸收熱量、儲存熱量和釋放熱量的高熱容材料，可以延遲和減少室內(nèi)負(fù)荷峰值并降低平均輻射溫度。由于絕熱材料的高熱阻減緩熱流的速率，應(yīng)用絕熱材料可有效減少建筑熱量的流入或流出，許多學(xué)者從熱舒適及經(jīng)濟性方面建立模型，用于確定外圍護結(jié)構(gòu)的最佳保溫隔熱厚度及相對位置，用來考慮保溫材料對建筑能耗的影響[5-7]。在蓄熱和絕熱技術(shù)可能導(dǎo)致熱性能沖突問題上，許多學(xué)者提出平衡增加冬季熱量儲存、消除夏季過熱、增加延遲的優(yōu)化熱工設(shè)計[8-10]。在不同材料層組成的復(fù)合墻體的蓄熱和傳熱研究上，Asan采用數(shù)值模擬的方法，發(fā)現(xiàn)保溫隔熱厚度和相對位置對材料的延遲和衰減作用有很大的影響[11]。楊柳等人采用數(shù)值模擬方法分析了不同蓄熱體對建筑能耗的影響，提出寒冷地區(qū)的蓄熱性能對建筑負(fù)荷的相對影響問題,但在改變墻體蓄熱性能時其絕熱部分的蓄熱作用也發(fā)生了改變[12]。

2) 室外氣候差異下蓄熱絕熱技術(shù)適用性分析。Yilmaz通過對不同干熱和濕熱氣候下相同建筑熱環(huán)境的比較分析，提出在干熱氣候下，蓄熱節(jié)能技術(shù)優(yōu)于隔熱技術(shù)[13]。Zhang等人根據(jù)特定區(qū)域的給定房間實驗，強調(diào)了存在建筑圍護結(jié)構(gòu)材料的理想熱物理性質(zhì)傳熱和蓄熱的臨界值[14]。王建輝等人通過對不同傳熱系數(shù)與建筑能耗的變化規(guī)律進行模擬計算，提出室內(nèi)外溫差較小氣候區(qū)域內(nèi)，圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能與建筑空調(diào)能耗相關(guān)性較小[15]。Kossecka等人研究了6種不同墻體配置用于6種不同氣候地區(qū)，結(jié)果表明墻體性能和氣候類型會造成11.3%的建筑能耗差異，并且對冷負(fù)荷的影響比對熱負(fù)荷的影響更明顯[16]。

上述研究表明，圍護結(jié)構(gòu)蓄熱和絕熱層調(diào)節(jié)熱環(huán)境作用機理不同，并且在不同氣候條件下的熱工效果也差異較大。因此，為了探究干熱干冷地區(qū)墻體熱工性能對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，有必要針對干熱干冷地區(qū)氣候特征，尤其是太陽輻射季節(jié)差異，對圍護結(jié)構(gòu)蓄熱和絕熱作用在不同得熱需求條件下分別討論，以期對該地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計起到一定的借鑒意義。

1 干熱干冷地區(qū)建筑得熱分析

影響氣候的因素很多，海拔、地形、地貌、大氣環(huán)流等對局地氣候影響顯著[1]，干冷干熱地區(qū)氣候特征表現(xiàn)在太陽短波輻射具有較強的季節(jié)差異規(guī)律。氣溫年較差、日較差均高于其他寒冷地區(qū)，具有冬季寒冷、夏季極端炎熱，并且晝夜溫差顯著的氣候特征，適用蓄熱降溫技術(shù)達(dá)到建筑防熱目標(biāo)。當(dāng)采用累年1、7月的平均溫度和供暖度日數(shù)HDD18、供冷度日數(shù)CDD26指標(biāo)進行熱工分區(qū)并指導(dǎo)熱工設(shè)計時，一方面平均溫度指標(biāo)無法體現(xiàn)高日較差條件下蓄熱降溫的潛力，另一方面以室外空氣溫度作為判斷指標(biāo)，忽略了太陽輻射差異對室外綜合溫度的影響。如果采用寒冷地區(qū)降低傳熱系數(shù)進行建筑保溫和防熱設(shè)計的方法，干冷干熱氣候條件下會出現(xiàn)較大差異，因此有必要針對干熱干冷地區(qū)氣候特征進行圍護結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計。

圍護結(jié)構(gòu)在夏季的受熱和傳熱特征與冬季保溫性能以阻抗為主的特點不同,是太陽輻射引起的綜合溫度波動作用下的雙向非穩(wěn)態(tài)傳熱，當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)溫度時，存在圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)向室外散熱的過程。外圍護結(jié)構(gòu)的隔熱性能指標(biāo),包含結(jié)構(gòu)本身和兩側(cè)空氣邊界層抵抗穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)兩部分受熱和傳熱的能力。同時,還與冬季供暖時節(jié)能要求的保溫性能指標(biāo)協(xié)調(diào)一致，在穩(wěn)定傳熱中，傳熱量的多少和表面溫度、內(nèi)部溫度的高低與材料的導(dǎo)熱系數(shù)和結(jié)構(gòu)的傳熱熱阻密切相關(guān)。在諧波熱作用下的周期性傳熱過程中，則與材料層的蓄熱系數(shù)及熱惰性有關(guān)。優(yōu)化設(shè)計中考慮材料層順序、傳熱和蓄熱性能相互影響作用成為解決圍護結(jié)構(gòu)冬季保溫和夏季散熱矛盾的關(guān)鍵。

在夏季條件下，室外空氣溫度和太陽輻射的綜合作用晝夜變化大，將圍護結(jié)構(gòu)外表面受到的室外綜合溫度用tsa來表示，計算公式為

(1)

式中te為室外空氣溫度，℃；ρs為外表面的太陽輻射吸收比；I為投射到圍護結(jié)構(gòu)外表面的太陽輻照度，W/m2；αe為外表面換熱比，W/(m2·℃)。

投射到圍護結(jié)構(gòu)外表面的太陽輻照度I冬夏季節(jié)變化不可控制，可以通過控制太陽輻射吸收比ρs來調(diào)節(jié)圍護結(jié)構(gòu)得熱量，在冬季得熱與夏季防熱之間獲得最優(yōu)利用效果。

在研究溫差或者熱流量變化時，延遲時間的增加及熱流振幅的衰減與結(jié)構(gòu)的蓄熱作用即結(jié)構(gòu)的熱容量有關(guān)。如果綜合溫度不變，即穩(wěn)態(tài)條件，或者當(dāng)綜合溫度有波動，但外圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱相當(dāng)大導(dǎo)致熱流對于平均值的波動振幅為零，即圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)沒有對應(yīng)的熱流波動時，通過圍護結(jié)構(gòu)的平均熱流量可以由下式計算：

(2)

在另一種情況下，如綜合溫度有波動而圍護結(jié)構(gòu)無熱容量，則熱流波動與綜合溫度的波動形式相同，且為瞬時波動。在此情況下，任意給定時間θ內(nèi)通過圍護結(jié)構(gòu)的熱流量為

(3)

式中Q′f為通過圍護結(jié)構(gòu)的瞬時熱量，W；teo為在時間θ內(nèi)的綜合溫度，℃。

(4)

式中Qf為通過圍護結(jié)構(gòu)的實際熱量，W。

將式(2)、(3)代入式(4)，可得

(5)

構(gòu)成圍護結(jié)構(gòu)的建筑材料存在一定蓄熱性能，并且建筑受室外周期性非穩(wěn)定熱作用，實際建筑全年傳熱過程為穩(wěn)態(tài)傳熱及周期性非穩(wěn)態(tài)傳熱交替作用。

2 建筑室內(nèi)熱環(huán)境模擬

根據(jù)蓄熱性能高低選取3種蓄熱材料，熱工性能見表1。同時設(shè)定滿足寒冷地區(qū)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)最低熱阻為絕熱層組別1[2]，相對提高絕熱層厚度為組別2，計算不同蓄熱體在2種絕熱條件下的內(nèi)表面溫度，圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造方式見表2。

表1 建筑材料熱物性

表2 建筑外墻構(gòu)造

利用集成化建筑性能分析軟件IES模擬計算典型建筑冬夏季內(nèi)表面逐時溫度，并對不同外表面太陽輻射吸收比下圍護結(jié)構(gòu)冬夏季得熱量進行計算。

2.1 模型設(shè)置

IES利用有限差分傳熱數(shù)學(xué)模型進行動態(tài)傳熱分析，采用ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)55中的計算方法分析室內(nèi)熱舒適，所用逐時氣象數(shù)據(jù)為典型年氣象數(shù)據(jù)(CSWD氣象文件)。外部對流換熱模型選取McAdams，太陽輻射模型選取Anisotropic。

干熱干冷地區(qū)冬季寒冷、夏季炎熱，太陽輻射強度季節(jié)差異性明顯。本文以吐魯番地區(qū)(東經(jīng)89.20°，北緯42.93°)的氣候條件為模擬和討論的背景。選取1棟2層居住建筑為研究對象，地下1層、地上2層。室內(nèi)熱環(huán)境計算參數(shù)依據(jù)JGJ 26—2010《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的要求進行設(shè)定，冬季供暖室內(nèi)計算溫度取18 ℃，換氣次數(shù)取0.5 h-1，建筑模型如圖1所示。模擬工況設(shè)置見表3。

圖1 建筑模型

2.2 熱環(huán)境實測與模型驗證

依據(jù)實際建筑建立數(shù)值模擬模型(傳熱系數(shù)K=0.60 W/(m2·K)，熱惰性指標(biāo)D=5.60)，對數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果進行對比驗證。測試時間選取夏季最熱時段7月26日至8月3日。為了模擬驗證的準(zhǔn)確性，測試對象處于自然運行狀態(tài)，無主動式調(diào)溫措施。

現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)主要包括室內(nèi)空氣溫度、圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度。測試儀器的布置依據(jù)JGJ/T 347—2014《建筑熱環(huán)境測試方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]，如圖2所示。室內(nèi)環(huán)境測試儀器有溫濕度測試儀、自記式四通道溫度計，室外測試儀器有溫濕度測試儀，測試儀器性能見表4。

表3 建筑圍護結(jié)構(gòu)性能

圖2 測點布置圖

表4 測試儀器性能參數(shù)

為了保證比較分析的準(zhǔn)確性，采用室外溫度和太陽輻射等數(shù)據(jù)作為模擬邊界條件，選取8月1—2日作為驗證時間，室內(nèi)空氣溫度和內(nèi)表面溫度模擬與實測的對比如圖3所示。

圖3 室內(nèi)空氣溫度和內(nèi)表面溫度模擬與實測的對比

夏季典型日實測數(shù)據(jù)表明：室內(nèi)平均溫度為37.1 ℃，室外平均溫度為37.9 ℃，室內(nèi)外最大溫差達(dá)到8.9 ℃，出現(xiàn)在17：00；室外空氣溫度波幅為16.1 ℃，室內(nèi)空氣溫度波幅為3.7 ℃，內(nèi)表面溫度波幅為1.7 ℃，在23：00至次日09：00時間段平均室外空氣溫度低于室內(nèi)空氣溫度3.25 ℃，低于內(nèi)表面溫度2.34 ℃，存在室內(nèi)向室外散熱的邊界條件。實測與模擬值對比可見，在房間自然運行狀態(tài)下，室內(nèi)空氣溫度、內(nèi)表面溫度模擬值與實測值變化趨勢基本一致，內(nèi)表面溫度絕對誤差為1.38 ℃，相對誤差為3.73%，室內(nèi)空氣溫度平均絕對誤差為0.78 ℃，相對誤差為2.09%，模擬值與實測值吻合較好，證明了模擬方法及模型的準(zhǔn)確性。

3 保溫與蓄熱對內(nèi)表面溫度的影響

3.1 夏季典型日內(nèi)表面溫度

在圍護結(jié)構(gòu)中，由于西墻對室內(nèi)熱環(huán)境影響最大，以西墻為研究對象，選取最熱時段(8月1—3日)進行典型日內(nèi)表面溫度分析，如圖4所示。

圖4 8月1—3日外墻內(nèi)表面溫度

由圖4可以看出：隨著蓄熱性能提高，內(nèi)表面溫度最高值和波幅均顯著降低；蓄熱層對夏季熱量的衰減和延遲作用明顯好于絕熱層；也就是說，在日較差強烈的干熱地區(qū)，相對于絕熱降溫，重質(zhì)圍護結(jié)構(gòu)具有更好的夏季熱環(huán)境調(diào)節(jié)作用。模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[13]相符合。值得注意的是，在高溫時段，高熱阻內(nèi)表面溫度明顯降低，夜晚低溫時段熱阻降溫作用減小，也就是說，高熱阻絕熱作用能夠降低由太陽輻射引起的室外綜合溫度波峰值，而針對室內(nèi)溫度較高但室外綜合溫度相對較低的降溫作用有限。

3.2 冬夏季溫度變化分析

計算6種構(gòu)造夏季(6—8月)和冬季(12至次年2月)內(nèi)表面溫度累計值，在此基礎(chǔ)上，為了描述圍護結(jié)構(gòu)保溫和隔熱作用效果，以輕質(zhì)低保溫結(jié)構(gòu)為對比值，通過下式計算累計溫差變化率。

(6)

式中V0為累計溫差變化率；t0為對比值，℃；ti為內(nèi)表面溫度累計值，℃。

圖5顯示了冬夏季內(nèi)表面累計溫差。從圖5可以看出，在相同蓄熱條件下，熱阻增大0.476 m2·K/W，冬季內(nèi)表面溫度提高4.10%～4.15%，夏季內(nèi)表面溫度提高0.33%～0.42%。這是因為當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)溫度時，建筑散熱量受表面溫度和接觸面空氣溫度影響，高熱阻對圍護結(jié)構(gòu)散熱產(chǎn)生不利作用，而干熱地區(qū)夏季日較差相對較高。因此，受日較差引起的室內(nèi)外溫差動態(tài)變化影響，干熱干冷地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計存在理論熱阻最大臨界值。熱惰性指標(biāo)由2.04分別提高到2.92、3.62，冬季內(nèi)表面溫度總溫差變化率分別為0.1%、0.06%，夏季為0.4%、0.5%，圍護結(jié)構(gòu)蓄熱性能調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境作用存在季節(jié)差異，夏季影響幅度明顯大于冬季。

圖5 冬夏季內(nèi)表面累計溫差

4 太陽輻射吸收比對室內(nèi)熱環(huán)境的影響

4.1 全年太陽輻射得熱模擬

減小圍護結(jié)構(gòu)外表面太陽輻射吸收比是夏季防熱的重要措施[18]，適當(dāng)提高太陽輻射的反射比可有效降低太陽輻射作用下的表面溫度，但會減少圍護結(jié)構(gòu)冬季得熱，對冬季室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生不利影響。為分析干熱干冷地區(qū)太陽輻射得熱對室內(nèi)熱環(huán)境冬夏季的影響，以輕質(zhì)低保溫結(jié)構(gòu)(A1)作為外圍護結(jié)構(gòu)，在夏季夜間自然通風(fēng)(23:00—08:00，15 h-1)工況下，設(shè)置外表面分別為涂覆反射隔熱涂料(太陽輻射吸收比β=0.48)、涂覆普通白色涂料(β=0.65)和未涂覆涂料(β=0.73)[19]，模擬冬季和夏季在外墻不同太陽輻射吸收比下圍護結(jié)構(gòu)得熱量的變化情況，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 全年太陽輻射量與圍護結(jié)構(gòu)得熱量

夏季平均太陽輻射月累計值為657.0 MJ/m2，冬季平均太陽輻射月累計值為212.3 MJ/m2，太陽輻射季節(jié)差異較大，冬季明顯低于夏季。隨著外表面太陽輻射吸收比的增大，夏季圍護結(jié)構(gòu)平均得熱量分別為0.11、0.16、0.18 MW·h，冬季圍護結(jié)構(gòu)平均得熱量分別為-0.74、-0.72、-0.71 MW·h，變化較小，外表面輻射吸收比對夏季得熱量影響大于冬季。研究由太陽輻射引起的周期性熱輸入，建立不同太陽輻射吸收比下圍護結(jié)構(gòu)月平均得熱量差值與太陽輻射月累計值的回歸方程，如圖7所示。太陽輻射吸收比變化對太陽輻射得熱具有顯著影響，降低外表面吸收比可以有效優(yōu)化該地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)的全年得熱。

圖7 太陽輻射量與外圍護結(jié)構(gòu)得熱量的關(guān)系

4.2 太陽輻射吸收比對室內(nèi)熱環(huán)境的影響

為比較太陽輻射吸收比對室內(nèi)熱環(huán)境的直接影響，采用GB/T 50785—2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)》[20]中的計算方法，對不同外表面輻射吸收比下的夏季室內(nèi)熱環(huán)境進行評價。標(biāo)準(zhǔn)中將室內(nèi)熱環(huán)境分為3級：Ⅰ級為90%人可以接受，Ⅱ級為75%的人可以接受，Ⅲ級為少于75%的人可以接受。以預(yù)計適應(yīng)性平均熱感覺指標(biāo)(APMV)作為評價依據(jù)，APMV=-0.5～0.5時為Ⅰ級，APMV=-1～-0.5和APMV=0.5～1時為Ⅱ級，APMV<-1和APMV>1時為Ⅲ級。APMV按下式計算：

(7)

式中PMV為預(yù)計平均熱感覺指數(shù)；λ為自適應(yīng)系數(shù)，根據(jù)不同建筑類型和PMV值確定取值，寒冷地區(qū)居住建筑PMV≥0時取0.24，PMV<0時取-0.50。

參考GB/T 50785—2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)》對PMV進行取值。夏季服裝熱阻0.50 clo，室內(nèi)風(fēng)速0.10 m/s，代謝率1.2 met；冬季服裝熱阻1.50 clo，室內(nèi)風(fēng)速0.10 m/s，代謝率1.2 met。選擇7—9月計算夏季室內(nèi)APMV，各吸收比達(dá)到不同等級的總時間見圖8。

圖8 夏季室內(nèi)ⅠⅢ級熱環(huán)境達(dá)標(biāo)總時間

干熱干冷地區(qū)輕質(zhì)低保溫圍護結(jié)構(gòu)建筑夏季室內(nèi)熱環(huán)境較差，Ⅲ級時間占89%～97%。太陽輻射吸收比由0.73降至0.65，Ⅰ級熱環(huán)境時長增幅為2.4%，Ⅱ級熱環(huán)境時長增幅為4.4%；當(dāng)吸收比降至0.48時，Ⅰ級熱環(huán)境時長增幅為2.9%，Ⅱ級熱環(huán)境時長增幅為5.2%。

冬季工況計算結(jié)果顯示，3種吸收比條件下室內(nèi)熱環(huán)境APMV均處于-1～0之間，即達(dá)到Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)，這是因為太陽輻射強度及室內(nèi)熱源條件發(fā)生改變，冬季外表面輻射吸收比對室內(nèi)熱環(huán)境作用不大。當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)提高蓄熱保溫性能時，太陽輻射吸收比對室內(nèi)熱環(huán)境的影響規(guī)律與輕質(zhì)低保溫條件下相似，但總體夏季熱環(huán)境偏好，太陽輻射吸收比引起的室內(nèi)熱環(huán)境差異減小。當(dāng)外表面輻射吸收比降至0.65時，室內(nèi)熱舒適時長變化不大，圍護結(jié)構(gòu)外表面適宜的輻射吸收比為0.65。

5 結(jié)論

1) 夏季高溫時段，蓄熱層對建筑得熱的衰減和延遲作用明顯高于絕熱層。提高圍護結(jié)構(gòu)蓄熱性能能夠降低夏季內(nèi)表面溫度，對冬季內(nèi)表面溫度影響不大，干熱干冷地區(qū)建筑降溫設(shè)計應(yīng)優(yōu)先考慮圍護結(jié)構(gòu)蓄熱作用。

2) 提高圍護結(jié)構(gòu)保溫性能可以提升冬季內(nèi)表面溫度，同時引起夏季內(nèi)表面溫度升高，對夏季降溫產(chǎn)生不利影響，干熱干冷地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計存在理論熱阻最高臨界值。

3) 太陽輻射吸收比變化對太陽輻射得熱具有顯著影響，圍護結(jié)構(gòu)月平均得熱量差值與太陽輻射月累計值的回歸方程為y=0.014 75+17.956x，R2=0.916，降低外表面吸收比可以有效優(yōu)化干熱干冷地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)全年得熱。夏季吸收比降低0.08～0.25，室內(nèi)熱環(huán)境達(dá)標(biāo)總時間增加6.8%～8.1%。以吐魯番地區(qū)為例，圍護結(jié)構(gòu)外表面輻射吸收比適宜值為0.65。