间歇用能模式下外墙内保温的适宜性分析

上海市建筑科学研究院（集团）有限公司 徐 强 潘 黎 王 博

间歇用能模式下外墙内保温的适宜性分析

上海市建筑科学研究院（集团）有限公司 徐 强 潘 黎 王 博

本文对间歇用能模式下的自保温、外保温及内保温的热性能进行实验研究。研究结果表明，比起外墙自保温和外保温这两种保温方式，外墙内保温的房间空气升（降）温速度更高，墙体蓄热负荷更小，节能效果更明显，从热性能的角度而言，间歇用能模式下外墙内保温具有更强的适宜性。

间歇用能墙体保温；热反应速度；适宜性

引言

间歇式用能模式表现为时间和空间的间歇，为夏热冬冷地区常用的用能模式。上海建科院课题组[1]通过对上海地区高层居住建筑进行入户调研，形成了2人住户、3人住户、5人住户的用能模式，以2人住户工作日的间歇用能模式为例，8:00-17:00家中无人空调关闭，其他时间段居民根据实际热感觉决定所处的房间是否开启空调。此种方式不同于寒冷及严寒地区冬季的持续用能模式，持续用能模式下外保温模式的墙体结构层能够吸收或释放热量，有利于室温稳定及室内舒适；而间歇用能地区建筑墙体结构层的蓄热会影响室内空气达到空调设定温度所需要的时间及室内总冷负荷。

因此考虑间歇用能模式采用内保温方式，通过实验对间歇用能模式下的外保温、内保温和自保温进行对比，从热性能的角度对内保温的适宜性进行分析，同时为夏热冬冷地区外墙保温方式的选取提供依据。

1 实验介绍

1.1 计算方法

建筑墙体传热是一个复杂的非稳态过程，室外气象条件在整个过程中具有随机性，尤其是室内温湿度变化也具有随机性，应采用反应系数法求解围护结构的不稳定传热。随时间连续变化的扰量曲线离散为按时间序列分布的等腰三角波扰量，再求解出围护结构热力系统对单位单元扰量的反应，最后叠加得到房间对外界扰量的反应系数[2,3]。选取房间升（降）温反应系数作为研究对象。房间升（降）温反应系数即从房间没有冷（热）负荷时起，向房间连续供给单位的冷（热）量，房间空气温度的变化值[4]。

房间升降温反应系数RT（j）（W/℃）计算方法如下：

式(1)～(3)中RS() j为房间蓄热反应系数，℃/W；

N为房间不同围护结构内表面总数；

Fk为第k面围护结构内表面面积，m2；

αk为第k面围护结构内表面的表面传热系数，W/（m2·℃）；

t()

n为室温，℃；tk()

n为第k面围护结构内表面温度，℃；

V为房间体积，m3；

(cρ)r为室内空气的单位热容，kJ/（m3·℃）；

Δτ为采样时间间隔。

1.2 实验舱

测试台由1个恒温防护热箱（长×宽×高= 6.8m×4.9m×3.9m）内套2个相同的对比测试箱（长×宽×高＝2.0m×2.0m×2.4m）组成，防护箱的作用是维持室内恒定的温度环境，将测试箱体和外部环境隔离。箱体由厚度为50mm的聚氨酯保温板作为外围护保温墙体，最大程度地阻隔箱体内部和外界交换热量。测试洞口的窗体直接暴露在空气中，分别砌成不同保温方式的墙体，养护28d后进行实验，如图1所示。

图1 实验室环境舱

1.3 实验设计

墙体保温系统的各类数据如表1所示。

表1 各墙体保温系统的各类数据

分制冷和供热2种工况，制冷工况设计温度为22℃，供热工况设计温度为32℃，分别在不同季节完成。实验过程中逐时测试箱室内温度、内表面温度、外表面温度、室外温度、墙体热流密度，数据采集仪1次/1min。空调开启、关闭时间依据夏热冬冷地区居民用能模式的研究结果[8-9]设定，如表2所示。

表2 实验工况

2 实验结果

2.1 内保温、自保温比较分析

图2 制冷工况下的内、自保温房间降温反应系数

图3制热工况下的内、自保温房间升温反应系数

图2 ，3为内保温、自保温各自的房间降温反应系数和升温反应系数。由图2可看出，外墙内保温的房间降（升）温反应系数明显高于自保温，表明投入相同冷（热）量时，内保温的室内温度下降（上升）更快。另外，随着时间的延长，房间降（升）温反应系数均增大。

2.2 内保温、外保温比较分析

图4 制冷工况下的内、外保温房间降温反应系数

图5制热工况下的内、外保温房间升温反应系数

图4 ，5为内保温和外保温各自的房间降温反应系数和升温反应系数。由图中可看出，外墙内保温的室内降（升）温反应系数明显高于外保温。表明投入相同冷（热）量时，相比外保温墙体，内保温的室内温度下降（上升）更快。另一方面，随着时间的延长，房间降（升）温反应系数均增大。

3 讨论

通过对间歇用能模式下外墙外保温、内保温和自保温的房间热反应速度实验研究得到，室内制冷或制热时，外墙内保温箱体的房间降（升）温反应系数较大。说明当空调开启时，外墙内保温房间降温/升温速度较快，更容易达到设定温度，热舒适感更强。

间歇用能模式下墙体会产生一定的蓄热负荷，对再次开启空调时所需要投入的冷（热）负荷有影响。蓄热负荷即某时刻室内空气温度变位造成房间围护结构蓄热，为除去这部分热量所需投入的冷量，计算方法如式（3）所示：

式中，Δt：房间温度的变位量；RT(j)为房间升（降）温反应系数。

由式（3）中可看出，房间降（升）温反应速度越大，墙体蓄热负荷越小。内保温的房间（升）温反应速度相比较其他两种保温方式更大，因此内保温墙体蓄热负荷最小。另一方面，间歇用能模式的实际热负荷为某时刻房间的计算冷（热）负荷与某时刻房间的蓄热负荷之和，因此外墙内保温房间的总冷（热）负荷更小，节能效果更好。因此，间歇用能模式下，外墙内保温在热反应速度和蓄热负荷这两个指标上有显著的优势，表现为室内升（降）温速度快，蓄热负荷小，节能效果明显。

目前国内已有研究者从不同角度对内保温的热性能进行了研究。文献[5]针对间歇用能模式下的住宅墙体热工性能进行了研究，提出不同用能模式下需采用不同的保温方式。李金等人指出，单次连续用能8h时，内保温可以节能32.94%-60.48%，而外保温节能率在0%-5.56%[6]。另有研究针对夏季自然室温环境得到，在夏季夜间通风工况下，自然室温环境下内保温墙体对室内空气温度变化的响应最快，通风降温效果最好，对室内热舒适性最有利，外保温墙体次之[7]。因此，外墙内保温以其较快的热反应速度和较小的蓄热负荷较适宜间歇用能地区。

但是，也有研究指出内保温存在较明显的热桥问题[8,9]，有研究选取夏热冬冷地区3个典型城市(上海、武汉、成都)计算4种不同内保温系统的结露情况得到，除保温龙骨+岩棉内保温系统外，其余3种内保温系统均未出现严重结露现象，证明在该地区内保温技术可以推广[10]。

综上所述，从热性能的角度分析可得到，内保温在间歇式用能地区具备较好的适宜性。

4 结论

间歇用能模式不同于寒冷地区的持续供暖模式，不宜套用寒冷地区的外墙保温方式，需因地制宜选取合适的保温方式。通过对外保温、内保温和自保温在间歇用能工况下的热反应速度的实验研究，得到以下结论。

（1）间歇用能工况下，外墙内保温的房间升（降）温反应系数大于外保温、自保温房间，热响应速度更快；内保温墙体的蓄热负荷低于外保温、自保温墙体，节能效果更显著。

（2）从热性能的角度考虑，内保温较适宜间歇用能模式下的居住建筑。

[1]张文宇，王慧丽，徐强．上海居住建筑实际用能模式研究与应用[J]．第一届夏热冬冷地区绿色建筑技术论坛论文集:118-121

[2]Kossecka E,Kosnyb J．Influence of insulation configuration on heating and cooling loads in acontinuously used building[J]．Energy And Buildings，2002,34(4):321-331

[3]Kossecka E．Relationships between structure factors,response factors and Z-rransfercoefficients for multi-layer walls[G]//ASHRAE Trans，1998,104 (1):68-77

[4]王蕾．不同围护结构蓄热性能对空调启停时间的影响[D]．太原：太原理工大学，2003

[5]刘晓庆．间歇空调运行模式下住宅墙体热工性能研究[D]．重庆：重庆大学，2011

[6]李金．夏热冬冷地区居住建筑保温墙体节能效果分析[D]．杭州：浙江大学，2013

[7]周业培．夏热冬冷地区自然室温环境下住宅墙体热工性能研究[D]．重庆：重庆大学，2012

[8]方泉强．小议外墙内保温热桥的成因及处理措施[J]．福建建设科技，2011(4)：25-27

[9]梁望崧．外墙内保温系统在高层住宅中的应用[J]．山西建筑，2012，38（4）：217-218

[10]李世元．夏热冬冷地区居住建筑外墙内保温技术适宜性研究[D]．杭州：浙江大学，2011

Suitability Analysis of Exterior-Walls WithInternalthermal Insulations Under Intermittent Energy-Using Mode

Xu qiang,Pan li,Wangbo

The intermittent energy-using mode is represent asthe intermittent of time and space,which is different from the continually energy-using mode in extremely cold area, therefore a suitable type of thermal insulation systemneed to be selected.In this research, thermal characteristics of self-thermal insulation,exterior thermal insulation and internal thermal insulationunder the intermittent energy-using modewere analyzed through experiment. The results showed thatinternal insulation has ahigher heat reaction rate and lower heat storage under air-conditioning or heating environments，and more energy-saving.The thermal characteristics implied that internal thermal insulationshas was more suitable in intermittent energy-using area.

Intermittent energy-using，wall thermal insulation,heat reaction rate,suitability analysis

课题受国家“十二五”科技支撑项目“上海气候适应型建筑围护结构节能体系研究与集成示范（2011BAJ03B01）”资助

徐强，男，1961.3，总工程师，教授级高级工程师，主要从事建筑科学技术与管理工作。