分室间歇用能对墙体内外保温节能效果的影响

阮 方,钱晓倩,朱耀台,吴敏莉

(浙江大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310058)



分室间歇用能对墙体内外保温节能效果的影响

阮 方,钱晓倩,朱耀台,吴敏莉

(浙江大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310058)

为了探究适宜夏热冬冷地区的围护结构保温形式,针对该地区居住建筑间歇式和分室用能特点,以户(室)为研究单元建立二维传热模型,逐秒动态分析居住建筑的能量耗散方式和墙体内外保温方式的节能效果.在分室用能特点下,两面内墙总耗能份额占总能耗的45%左右,该地区建筑节能必须兼顾外墙保温和内墙保温.在间歇式用能特点下,采用外墙外保温方式可以降低空调热负荷,但在夏季夜间制冷时,墙体温度既高于室内温度又高于环境温度,外保温阻碍了墙体向外界散热,存在“反节能”现象；采用内保温方式可以降低空调热负荷和冷负荷.

建筑节能；间歇用能；分室用能；墙体保温；动态热特性；Fluent

在我国夏热冬冷地区,夏季闷热难受,冬季潮湿寒冷.随着人们经济生活水平的提高,对室内热环境的要求也越高,空调制冷和制热成为主要的改善手段[1].随之带来的建筑能耗增高,尤其是居住建筑能耗,与日益严峻的能源短缺问题成为阻碍社会发展的主要矛盾之一.建筑节能是当前我国的一项重要的国家战略,而围护结构的节能是建筑节能最有效的途径之一[2-5].我国夏热冬冷地区居住建筑普遍采用分室、间歇式用能.分室用能是相对整栋建筑用能而言,是以房间为用能单位,即部分空间用能；间歇用能是相对连续用能而言,即部分时间用能.我国夏热冬冷地区居住建筑节能设计,往往忽略了分室、间歇式这一用能特点,目前的节能模式很大程度上平移了北方采暖地区的模式,采用的是全空间全时间或全空间部分时间的研究模式,基本沿用了外墙外保温的墙体保温形式,但实际推广效果不理想,节能率远低于预期[6].

在连续用能方式下,外墙外保温对建筑采暖及制冷均有节能效果.Kossecka等[7]采用DOE-2.1E软件分析美国6种气候地区单层住宅建筑在连续用能模式下的冷热负荷.结果表明,外墙外保温既能降低建筑热负荷,又能降低冷负荷.在间歇用能方式下,已有的研究结果表明,外墙外保温可以降低建筑热负荷,却不一定能够降低建筑冷负荷[8-17].Masoso等[8]在非洲博茨瓦纳,Bojic等[9-11]在香港,Tummu等[12-13]在泰国,Ihara等[14]在日本均发现在间歇用能方式下,建筑外墙外保温会出现“反节能”特性.保温措施的节能效果与当地的气候条件有关.Pan等[15]对中国的北京、上海和广州3种不同气候地区的外墙外保温节能特性进行研究.结果表明,在建筑热负荷占据主导的北京,外墙外保温节能效果最佳；在上海,外墙外保温节能临界厚度为26 mm；在广州,外墙外保温具有明显的“反节能”特性.

在分室用能特点下,非空调控温的房间与室外空气温度相差较小,在极端设定情况下,内部围护结构的耗能约占总能耗的70%[16]；因此,仅仅针对外墙进行保温对总能耗降低的实际效果较小.在分室与间歇式的用能2种方式综合影响下,墙体保温,尤其是外墙外保温方式,对夏热冬冷地区建筑冷负荷和全年总能耗的影响,是否同样存在“反节能”特性,值得深入研究.

已有的相关研究结果,主要是基于DOE-2、EnergyPlus等建筑能耗分析软件进行全年冷热负荷计算；诸如围护结构表面温度、热流等过程量未能输出,未能深入分析墙体保温的节能效果产生的根本原因.Fluent软件具有强大的解决流动传热耦合问题的功能,且一般可以以秒为计算时间步长,从而较精确地获得各个围护结构内外表面的温度和热流.本文基于夏热冬冷地区居住建筑的间歇式、分室用能特点,选取杭州市某住宅区的一典型二室一厅居室为物理模型,以户(室)为研究单元,利用Fluent 12.0软件建立二维传热模型,对这一地区建筑的能量耗散方式进行逐秒动态分析,研究基于分室间歇用能特征下墙体内外保温的节能效果.

1 数值分析模型

选取杭州市某住宅区的一典型二室一厅居室为数值分析物理模型,利用Fluent 12.0软件建立二维传热模型,研究夏热冬冷地区基于间歇式、分室用能特点下的建筑能耗、温度场及热流分布等.该两室一厅户型的示意图如图1(a)所示,主要包括卧室B1、卧室B2、卫生间W、厨房C以及客厅D,其中窗墙比为0.4,户型总面积为90.2 m2.卧室B1和卧室B2均具有两侧外墙、两侧内墙.数值建模分析时,对选取的住宅模型进行网格划分,如图1(b)所示.

图1 Fluent软件数值分析物理模型Fig.1 Physical model for numerical analysis in Fluent

主要考虑3种不同墙体保温方式下的建筑能耗差别,分别如下.1)不保温,即墙体仅为KP1型多孔砖,不包覆任何保温材料；2)外保温,即墙体与室外接触壁面加贴30 mm厚挤塑聚苯板；3)内保温,即墙体与室内接触壁面均加贴30 mm厚挤塑聚苯板,与室外接触壁面不贴任何保温材料.围护结构的热工参数如表1所示.表中,Δx为厚度,ρ为密度,c为比热容,λ为导热系数.

为了简化模型,进行如下合理的假设.1)忽略柱子、梁等的影响,建立二维导热模型,假设楼上、楼下房间均用能,不考虑向楼上和楼下空间的传热.2)各层材料为均质,且各向同性；各层材料的热物性参数不随温度变化.3)保温材料与墙体紧密接触,不考虑接触热阻.4)不考虑太阳辐射和地板辐射的影响.5)房间内部无质量源,不考虑家具蓄热作用的影响；不考虑人员、灯光及家电设备的热扰.建筑围构件的传热可以视为二维、无内热源的非稳态传热,导热微分方程为

表1 围护结构的热工参数

(1)

式中：t为温度,τ为时间.

外墙外表面与室外环境只考虑对流换热,不考虑辐射,因而表面热流为

Qout=houtA(θw-θ0).

(2)

式中：hout为外墙外表面对流换热系数,按规范[17]取为19 W/(m2·K)；A为墙体面积；θw为墙体温度；θ0为室外空气温度.

墙体内表面及两种围护构件交界面采用热流及温度分布连续处理,即

(3)

在对物理模型进行计算分析时,针对夏热冬冷地区居住建筑的4个主要用能特点(①分室用能；②间歇式用能；③以空调为主；④集中于夏季制冷)相应地进行如下设定：1)选取卧室B1为唯一用能房间；2)根据城镇居民主要间歇性用能特性,选取每天晚上22:00至早上6:00为用能时间；3)采用空调用能,空调系统的额定能效比为2.3,夏季空调设定温度为26 ℃,冬季为18 ℃；4)选用夏热冬冷地区夏季和冬季典型气候特征分别进行计算.根据夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准[18](JGJ134-2010)可知,杭州夏季单天最高气象温度θmax取为37.2 ℃,最低温度θmin取为27 ℃,日平均温度为32.1 ℃；冬季单天最高温度θmax为6.2 ℃,θmin取为1.2 ℃,日平均温度为3.7 ℃.假定一天内的室外温度随时间周期性正弦变化[19],采用下式计算可知,下午两点温度最高,凌晨两点温度最低.

(4)

式中：τ为时间.

当空调开启时,设置门、窗户均关闭；当空调关闭时,门、窗户均打开,外界空气以较小的速度流入室内.相对于墙体,空气热容较小,对最终结果的影响较小,门窗周期性开启和关闭采用用户自定义程序(user defined functions, UDF)进行设置,通过周期性改变门窗的边界条件达到门窗开启和关闭的效果.在空调用能时段,模型出现门窗这一边界条件,将门窗考虑为薄壁热阻,热阻为Δx/λ,其中Δx为厚度.在非用能时段模型中取消门窗边界条件,实现门窗开启的控制.所有的计算工况表如表2所示.

该模型采用变频空调原理进行控温,空调运行时制冷(热)能力取2.5 kW,系统额定能效比为2.3.通过修改Fluent能量方程中的源项给入的制冷(热)量,以内热源形式均匀耗散在用能房间内.以夏季制冷工况为例,在空调规定的运行时段内,当用能房间内温度高于空设定温度时,空调自动启动.根据室温的变化情况,以20 s为步长统计空调的开关频次.如在某20 s时间间隔内,后序时刻温度低于前序时刻,记该20 s空调一直开启.在已知空调功率的情况下,可以计算空调能耗.累计8 h内(22:00—06:00)的空调总能耗成为单日空调运行能耗.

表2 间歇采暖及制冷计算工况

2 计算结果与分析

为了直观反映空调制冷和制热时的间歇式用能特点,取B1室内温度及环境温度随时间的变化,如图2所示.图中，θ为气温.图2中,斜线阴影部分为用能时间,此时B1室内温度在空调设定温度上下波动,这主要与空调启动频率有关.由图2可知,冬季制热时室、内外温差较大,而夏季夜间制冷时,室、内外温差相对较小；当打开窗户通风时,B1室内温度逐渐向环境温度靠近,但由于围护结构的存在,B1室内温度的变化滞后于环境温度的变化,且振幅小于环境温度振幅.

图2 B1室内温度及环境温度随时间变化Fig.2 Variations of room B1 indoor temperature and ambient temperature

图3 用能时室内温度分布云图Fig.3 Contours of indoor temperature at 2:00 after air-conditioner started

为了直观地反映空调制冷和制热时的分室用能特点,分别取不保温方式下墙体温度稳定变化后的凌晨2点空调制冷和制热时室内温度θi分布云图进行说明,如图3所示.如图3(a) 所示为空调制冷时室内温度分布,卧室B1内空调开启,B1内温度明显低于其他非用能房间.在卧室B1内,由于墙体温度高于室内温度而向室内散热,因此,靠近墙体壁面处的温度高于房间中心温度,且窗户边界处温度更高.如图3(b) 所示为空调制热时的室内温度分布,卧室B1内空调开启,B1内温度明显高于其他非用能房间.在卧室B1内,由于室内温度高于墙体温度,因此,靠近墙体壁面处的温度低于房间中心温度.

在分室用能特点下,非用能房间与外界环境温度相差较小,用能房间不仅与外界环境之间产生对流换热,还会与非用能房间产生对流换热.由于假设楼上、楼下房间均用能,不考虑楼板热流,墙体耗能可以分为外墙总耗能和内墙总耗能,而在当前夏热冬冷地区的墙体保温体系里,以外墙外保温为主,较少考虑内墙的保温.

图4 不保温方式下夏季制冷时墙体耗能动态变化Fig.4 Energy consumption of walls without insulation when cooling

为了详细比较外墙耗能和内墙耗能的差异,图4给出不保温方式下夏季晚间制冷时墙体温度稳定变化后的墙体耗能Lw及内墙耗能份额φ.外墙和内墙耗能够在空调开启的几分钟内,均达到最大,此后逐渐降低.这主要是因为当空调开启后,室内温度一般在几分钟内达到空调设定温度,随着室内空气温度与墙体温度温差的增大,墙体耗能增大；当空气温度不变后,墙体温度逐渐降低,温差减小,墙体耗能逐渐降低.从图4可以看出,内墙耗能仅稍低于外墙,内墙耗能份额约占总能耗的45%,在第3小时左右内墙耗能份额最低.在该研究的户型中,用能房间B1卧室有两面外墙、两面内墙；在实际的居民住宅建筑中,有很多户型的用能房间仅一面墙为外墙,楼顶和地板也存在耗能,内墙耗能份额更大,甚至可以预见将远大于外墙耗能.在夏热冬冷地区的分室用能特点下,仅对外墙进行保温的节能效果不够理想,需要兼顾外墙保温和内墙保温.

为了探索最适合于夏热冬冷地区建筑节能的墙体保温体系,研究3种不同保温方式的空调能耗,分别为不保温、外墙外保温和外墙内墙均内保温等.表3给出不同保温方式对空调冷负荷和热负荷的影响,通过空调负荷的差异直观地反映墙体耗能的差异.表中,Δθ为室内、外空气平均温差,QNI为不保温空调负荷,QEXT为外保温空调负荷,QINT为内保温空调负荷.由表3可知,与不保温相比,内保温可以降低20.5%的空调冷负荷,也可以降低48.2%的空调热负荷；外保温可以降低22.3%的空调热负荷,但会增加21%的空调冷负荷.由此说明,外墙外保温方式在夏季制冷时存在“反节能”现象.该研究将从墙体耗能及墙体温度两方面分别进行分析.

表3 不同保温方式对空调能耗的影响

图5 夏季制冷时不同墙体保温方式下的墙体耗能Fig.5 Energy consumption of walls in different wall insulation methods when cooling

图6 夏季制冷时不同保温方式下的外墙温度变化Fig.6 Exterior wall temperature variations in different insulation methods when cooling

夏季制冷时,不同墙体保温方式下的墙体耗能如图5所示.由图5可知,在不保温和外保温方式下的内墙耗能相差较小,而内保温的内墙耗能相对小一些；在计算外墙耗能时发现,内保温方式最小,外保温方式最大.由此可见,3种保温方式对空调冷负荷影响差异的原因主要来自于外墙耗能.墙体耗能主要与墙体和室内的温差有关,对不同墙体保温方式下的墙体温度进行分析.为了避免墙体初始假定温度的影响,以下分析中的墙体温度均为空调连续间歇式运行模式下达到“稳态”变化后的温度.

图6给出夏季制冷时不同保温方式下的外墙体平均温度在一天内的变化.从图6可知,不保温和内保温方式下的外墙温度变化基本吻合,而外保温方式下的外墙温度变化非常小,受环境温度变化的影响很小.3种保温方式下的外墙体平均温度在用能时间内均高于环境温度,此时墙体表面热流将表现出“双面性”,即墙体既向外界空气散热,又向室内散热.此时,若采用外墙外保温方式,则会阻碍墙体向外界环境的散热,增加了墙体向室内散热,从而增加空调冷负荷,表现出“反节能”特性.当采用内保温方式时,则与外墙外保温不同,保温材料阻断的是墙体向室内的部分散热,增加的是墙体向外界空气的散热,从而可以降低冷负荷.由此可知,“反节能”特性的根本原因为间歇式用能特性.在非用能时间,由于空气对流作用于墙体,使得墙体温度在用能时高于环境温度.

根据墙体耗能和墙体温度可以对冬季热负荷进行分析.冬季制热时,不同保温方式下的墙体能耗如图7所示.由图7可知,外保温方式下的外墙耗能低于不保温,略高于内保温,而外保温方式下的内墙耗能与不保温基本吻合,内保温方式下的内墙耗能则低于外保温与不保温方式.与夏季制冷时不同,无论内墙还是外墙,墙体温度均远低于空调设定温度,但高于环境温度,如图8所示.热流的方向是单向的,均为由室内流向室外,无论是外保温还是内保温均可以有效地阻碍部分热流,从而降低空调热负荷.

图7 冬季制热时不同保温方式下的墙体耗能Fig.7 Energy consumption of walls in different insulation methods when heating

图8 冬季制热时不同保温方式下的外墙温度变化Fig.8 Exterior wall temperature variations in different insulation methods when heating

综上所述,在夏热冬冷地区外墙外保温的墙体保温模式的实际效果推广不理想的主要原因为该地区用能方式为分室间歇用能.1)分室用能特点下,在具有两面外墙的房间,墙体耗能中的内墙耗能占据重要比重,若房间仅有一面外墙,则内墙耗能将占据主要部分.若仅仅考虑外墙保温,则对总的建筑能耗的节能效果将低于预期.2)在间歇式用能特点下,尤其是在居住建筑的晚间用能特点下,采用外墙外保温技术虽然可以降低冬季热负荷,但对夏季空调冷负荷存在“反节能”现象.根据本课题组对以浙江地区为代表的夏热冬冷地区居住建筑电耗的调查结果[1]可知,该地区居住建筑的夏季制冷时间和频率远高于冬季制热.必须正视外墙外保温技术在夏热冬冷地区的应用误区,针对该地区特有的建筑用能特点,寻求最适合的建筑节能方式.根据本文的研究结果可知,采用墙体内保温技术既能够降低空调热负荷,又能够降低空调冷负荷,值得推广.

3 结 论

(1)在夏热冬冷地区的分室用能特点下,两面内墙总耗能仅稍低于两面外墙,内墙总耗能份额占总能耗的45%左右,该地区建筑节能必须兼顾外墙保温和内墙保温.

(2)内保温相比不保温可以降低空调20.5%冷负荷,又可以降低48.2%空调热负荷；外保温可以降低22.3%空调热负荷,但会增加21%空调冷负荷.在夏热冬冷地区间歇式用能特点下,外墙外保温方式在夏季制冷时存在“反节能”现象.

(3)夏季晚间制冷时,外墙温度高于环境温度,因而增加外保温会阻碍墙体向外界环境的散热,增加了墙体向室内散热,因而表现出“反节能”特性；在内保温方式下,保温材料阻断的是墙体向室内的部分散热,因而可以降低冷负荷.

(4)冬季制热时,内外墙墙体温度均远低于空调设定温度,高于环境温度,热流单一由室内流向室外.无论是外保温还是内保温均可以有效地阻碍部分热流,从而降低空调热负荷.

本文采用的CFD模拟方法与已有的诸如EnergPlus、DeST等建筑能耗模拟软件形成了有效互补,可以从机理上清晰地阐明间歇与局部用能特点下不同保温方式的不同节能效果的具体原因.限于Fluent计算量的原因,本文只能采取简化建筑模型的方式,比如内保温热桥对能耗的增加值在文中未能考虑.相对于严寒及寒冷地区,夏热冬冷地区的局部用能方式使得房间的内墙及楼板成为了新的能量耗散途径.内保温形式在柱梁板处形成的热桥面积相对内外墙及楼板的总面积非常小,所以在局部用能方式下,热桥附加能耗对总能耗的影响较小.该模型假设对最终结论的影响不大,本文结论能够为夏热冬冷地区外墙保温方式的选择起到一定的参考作用.

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Internal and external wall insulation effect on building energy efficiency with compartmental and intermittent energy consuming method

RUAN Fang, QIAN Xiao-qian, ZHU Yao-tai, WU Min-li

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

A two-dimensional heat transfer model of one household flat was built for a transient study of the internal and external wall insulation effect on building energy efficiency based on the intermittent and compartmental energy consuming method of residential buildings in hot summer and cold winter zone in order to explore the most suitable insulation method for resident building envelop in this climate region. The energy consumption of interior walls accounts for nearly 45% of the total amount with the mode of compartmental energy consuming. Insulation for interior walls should be considered as well as for exterior walls. With the intermittent energy consuming mode, exterior wall external insulation can decrease air-conditioner heating load. When cooling in summer nights, the temperature of wall is higher than both indoor and outdoor. External insulation hinders heat in walls from dissipating to outside, and there is an “anti-insulation” effect existing here. Internal insulation can effectively decrease both heating and cooling loads of air-conditioner．

building energy efficiency; intermittent energy consuming; compartmental energy consuming; wall insulation; dynamic thermal performance; Fluent

2015-05-07. 浙江大学学报(工学版)网址： www.journals.zju.edu.cn/eng

国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2012BAA10B01)；浙江省建筑节能技术创新团队资助项目.

阮方(1990-),男,博士生,从事建筑节能的研究. ORCID： 0000-0002-7626-5529.E-mail: ruanfang@zju.edu.cn 通信联系人：钱晓倩,男,教授. ORCID： 0000-0003-4649-1557. E-mail: qianxq1@zju.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.01.001

TU 111

A

1008-973X(2016)01-0001-07