暖通空调系统对建筑内环境的影响

王利霞,康冰

暖通空调系统对建筑内环境的影响

王利霞1,康冰2

1. 山西大同大学建筑与测绘工程学院建筑工程系, 山西 大同 037008 2. 大秦铁路股份有限公司, 山西 大同 037000

在暖通空调间歇式调控建筑温度的情况下，本文考察了冷热环境下室温温度和传热的作用规律。结果表明：建筑内保温墙体较外保温传热负荷小、负荷峰值低。相同热阻下，热环境下外保温和内保温的传热负荷峰值都低于冷环境。冷环境下空调负荷要明显高于热环境，且内保温外墙的暖通空调的容量配置明显低于外保温；热环境下内保温墙体对应的每日空调负荷峰谷差值要高于墙体外保温，而冷环境下内保温墙体对应的每日空调负荷峰谷差值要低于墙体外保温。

暖通空调系统; 建筑墙体; 保温

随着人们对现代化建筑舒适性要求的提高，暖通空调系统已经逐步走进千家万户，并成为实现环境温度控制的基本手段。无论是在炎热的夏季热环境中，还是在寒冷的冬季冷环境下，降低建筑能耗最有效的方式在于围护结构保温的应用上，而墙体保温层对室内热环境和空调能耗的影响一直是大家普遍关注的重点[1-3]。本文基于暖通空调系统在某地区典型建筑中的应用背景，考察了暖通空调间歇式调控模式下建筑室内温度和传热的变化规律。

1 暖通空调运行条件与计算模型

1.1 建筑模型

按照某地区典型建筑尺寸建立建筑模型（图1）。该建筑物为南北朝向，房间内部和外墙窗户尺寸信息等都在图中标注。在冷（冬天）热（夏天）条件下设定房间窗户都为关闭状态，空气渗透换气次数均为0.5 h。外墙保温层厚度15~90 mm，对应地热阻介于0.5~3 m2.℃/W；外围护的物性参数如表1[4]。

表 1 外围护结构的物性参数

1.2 参数设定

采用METLAB软件对内外保温墙体在冷热环境下的传热过程进行计算，其初始温度都为前一个月室外温度平均值[5,6]。不同时间步长的冷热环境下围护结构内表面温度变化曲线如图2。图2中可见15~30 min时围护结构内表面温度曲线基本重合，因此，本文选取时间步长为30 min进行分析。

2 结果与分析

图3为冷热环境下外墙内表面温度随时间的变化曲线，其中外墙保温层热阻为1.0 m2.℃/W。对比分析可知，在空调设定温度不变、室外综合温度波动较大和热环境下（7月15日~8月13日），内外保温墙体内表面温度均有一定程度波动，但是相对而言，内保温的波动幅度会相对外保温更大；在空调设定温度不变、室外综合温度波动较大和热环境下（1月1日~1月30日），内保温和外保温墙体内表面温度变化与热环境下一致，即内保温的波动幅度会相对外保温更大。此外，虽然内保温在空调运行过程中会存在温度波动，但是整个空调运行期间与空调设定温度的差值仍然小于外保温。

图 3 冷热环境下外墙内表面温度随时间的变化曲线

图4为冷热环境下外墙传热负荷随时间的变化曲线。在热环境下（7月15日~8月13日），外墙内保温和外墙外保温时传热负荷峰值分别出现在7月26日和7月31日，相应的对应室外综合温度最高和室外气温最高的时间。造成这种现象的原因在于，暖通空调间歇运动过程中的传热负荷取决于前一天的蓄热，外保温时墙体会存储大量热量，而内保温墙体的传热负荷主要取决于室外气候。在冷环境下（1月1日~1月30日），传热负荷峰值都出现在1月10日，对应于整个时间段内夜间室外气温最低的一天，这主要是由于冷环境下室温温差相对室内温差明显更大的缘故。综合而言，建筑墙体采用内保温可以获得相对外保温传热负荷小、负荷峰值低的效果。

图 4 冷热环境下外墙传热负荷随时间变化图

图 5 冷热环境下内墙体传热负荷峰值比较

图5为冷热环境下内墙体传热负荷峰值比较结果。从热负荷峰值比较结果来看，无论是在热环境还是在冷环境下，外保温的传热负荷峰值都要高于内保温；此外，随着保温层热阻从0.5 m2.℃/W增加至3 m2.℃/W，外保温和内保温的传热负荷峰值都呈现逐渐减小特征，且相同热阻下，热环境下外保温和内保温的传热负荷峰值都低于冷环境。

图6为冷热环境下空调负荷峰值比较结果。对比分析可知，冷环境下空调负荷要明显高于热环境，且在外墙使用内保温时，暖通空调的容量配置明显低于采用外保温的情况，即在实际施工设计过程中，要想达到降低投资、节省成本等目的，适宜采用外墙内保温。

图 6 冷热环境下空调负荷峰值比较

图7为冷热环境下每日空调负荷峰谷差值统计结果。对比分析可知，无论是热环境还是冷环境下，内外保温条件下每日空调负荷峰谷差值的变化规律基本一致。热环境下墙体内保温对应的每日空调负荷峰谷差值要高于墙体外保温，而冷环境下则要低于墙体外保温。

图7 冷热环境下每日空调负荷峰谷差值

图8为冷热环境下室内建筑不同区域的温度变化曲线，分别监测了冷热环境下连续7 d的室内温度结果，包括墙体内表面温度（θ）和室内温度（T）。对比分析可知，在冷环境下，墙体外保温和内保温方式得到的内表面温度的变化规律基本相同，在空调运行阶段，墙体内表面温度会迅速升高并接近空调设定温度，并随着室外温度升高而出现超过空调设定温度的情况，而外保温墙体的内表面温度则会缓慢升高并一直低于空调设定温度。热环境下不同保温层对应的内表面温度和室内温度的变化曲线与冷环境下相似。

图8 冷热环境下室内建筑不同区域的温度变化

3 结 论

（1）在空调设定温度不变、室外综合温度波动较大的热环境下，内保温的波动幅度较外保温更大；

（2）冷热环境下，外保温的传热负荷峰值都要高于内保温，且相同热阻下，热环境下外保温和内保温的传热负荷峰值都低于冷环境；

（3）冷环境下空调负荷要明显高于热环境，且在外墙使用内保温时，暖通空调的容量配置明显低于采用外保温的情况。

[1] 刘国丹,李潇斐,王志欣,等.基于太阳辐射影响的室内热环境特性[J].暖通空调,2019,49(11):132-139

[2] 王丽慧,刘俊,刘俊豪,等.触地建筑地面对室内热环境影响实测研究[J].流体机械,2019,47(3):69-74

[3] 晏益力,晏真琪,朱椰,等.居住建筑能耗与室内长期热环境相关性研究[J].建筑热能通风空调,2019,38(3):41-44,75

[4] 聂璐.室内外墙柱面绿化对建筑室内热环境稳定性的影响研究[J].科技通报,2018,34(12):202-205,210

[5] 王崇杰,弭羽高,尹红梅.寒冷地区机场室内热环境优化研究[J].建筑节能,2018,46(10):55-58

[6] 房玉恒,叶筱,钟珂,等.冷风侵入对热风供暖房间室内热环境影响的实测研究[J].东华大学学报,2017,43(1):109-114

The Effect of HVAC System on Indoor Environment of a Building

WANG Li-xia1, KANG Bing2

1.037008,2.037000,

Under the condition of intermittent control of building temperature by HVAC, the effects of room temperature and heat transfer in cold and hot environment were investigated. The results showed that the heat transfer load of the inner thermal insulation wall was smaller and the peak load was lower than that of the outer thermal insulation wall. Under the same thermal resistance, the peak heat transfer load of external thermal insulation and internal thermal insulation was lower than that of cold thermal insulation. The air conditioning load in the cold environment was obviously higher than that in the thermal environment, and the capacity configuration of HVAC in the inner thermal insulation outer wall was obviously lower than that in the outer thermal insulation. The peak-valley difference of the daily air conditioning load corresponding to the internal thermal insulation wall was higher than that of the external thermal insulation wall in the thermal environment, while the peak-valley difference of the daily air conditioning load corresponding to the internal thermal insulation wall in the cold environment was lower than that of the external thermal insulation wall.

HVAC system; building wall; thermal insulation

TU831.3/TU111.4+8

A

1000-2324(2021)01-0081-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.01.014

2019-01-05

2019-03-06

王利霞(1976-),女,硕士,副教授,主要研究方向为暖通空调技术. E-mail:kbwlx@163.com

网络首发:http://www.cnki.net