空调间歇运行模式下典型饰面内墙节能率研究

2021-05-13王索毛伟胡勇兵陈泳帆宋晓东龙恩深

新型建筑材料 2021年4期

王索，毛伟，胡勇兵，2，陈泳帆，宋晓东，龙恩深

（1.中机中联工程有限公司，重庆 400039；2.重庆富源人力资源管理服务有限公司，重庆 400039；3.四川大学建筑与环境学院，四川成都 610065）

0 引言

自行打开或关闭室内空调设备来调节室内热湿环境的节能运行方式称为空调间歇运行模式。这种空调控制方式在夏热冬冷及夏热冬暖地区的居住建筑中非常普遍（占90%以上），而且在宾馆、办公楼、教学实验大楼等非集中空调的公共建筑中也大量存在[1]。与现行规范[2-5]“全部时间，全部空间”的计算模式不同，间歇运行模式具有“部分空间、部分时间”的特点。

在该种模式下，建筑内围护结构（内墙、内门、内窗、楼板等）变成了“准外围护结构”。相较于建筑的外围护结构，建筑的内围护结构的面积更大，影响因素也更多（如人员活动、照明、设备、空调运行模式等）。有研究表明[6-8]，内围护结构的能耗远大于外围护结构，如果建筑内墙全部设置内保温，节能率将提高40.2%～77.5%。

对此，笔者就间歇空调条件下匀质建筑内墙的蓄热特性进行研究[9]，发现在4～6 h 以内的间歇运行条件下，建筑内墙主要处于蓄热状态，热量主要蓄存在墙体的表层（蓄冷量占传入总量的60%），如扰动侧（空调侧）墙面的饰面材料的导热系数、体积比热容小于墙体则可以有效降低墙体的表面热流，进而实现节能。作为该问题的延续性探究，本文结合实际工程中建筑内墙的构造特点——基层（实心/空心）+找平层+装饰面层构成的多层非匀质材料，遴选出典型的建筑内墙构造，研究其在典型的空调间歇运行模式时的蓄放热特性。基于此，定量分析墙体轻质表层材料（本文选用木饰面材料）对于墙体蓄放热及节能的影响，为建筑节能工程实践提供参考。

1 典型建筑内墙物理模型的建立

1.1 典型建筑内墙

本文遴选的5种典型内墙构造：混凝土墙体（HNT）；发泡混凝土墙体（FPHNT）；饰面发泡混凝土墙体（SM-FPHNT）；空心砖墙体（KXZ）；饰面空心砖墙体（SM-KXZ）。如图1所示。

图1 5种典型内墙构造示意

本文将以上墙体分为实心墙体对照组：混凝土墙体、发泡混凝土墙体、饰面发泡混凝土墙；空心砖墙体对照组：混凝土墙体、空心砖墙体、饰面空心砖墙体。对2 组进行比较分析。

1.2 墙体非稳态传热物理模型建立

墙体基本传热模型如图2所示，墙体两侧为第3 类边界条件，对流换热系数为8.7 W/（m2·K），上下为绝热边界条件。基墙设置为匀质墙体或空心砖墙体，其中空心砖空腔内的空气满足Boussinseq 假设，辐射模型采用DO 模型。空心砖模型设置62293 个网格并在空腔区域加密，有较好的网格独立性。两侧的气流温度值以实验室的实测温度作为输入条件，计算时间步长为5 min，共计算4 d，取最后1 d 的数据进行分析以消除初始温度的影响。表1所示为以上5种典型墙体所涉及材料的物性参数。

图2 简化二维物理模型示意

表1 墙体材料物理参数

2 典型空调间歇模式及其实验

李彦儒等[10]采用问卷调查的方法研究了居住建筑和办公建筑空调间歇运行的典型模式，通过对全国210 份调查问卷间歇分析得出了4种典型间歇模式：办公10 h 模式、办公4+4 h 模式、居家1+2+3 h 模式、居家2+2 h 模式（如图3 灰色区域所示）。

针对这4种间歇运行模式，笔者于2015年8月利用邻室传热实验平台间歇模拟运行（如图4所示），其中本室侧分体式空调设置20 ℃，邻室侧自然状态。该两处房间仅一层公用一面墙，其余墙体均为外墙且无窗，两侧的气温波动情况如图3所示，该温度值作为前述墙体计算模型的计算边界条件。

图3 间歇启停模式及模拟运行温度

图4 建筑内墙蓄放热实验照片及简化示意

3 分析与讨论

本室空调开启后，气温降低，空调冷量通过墙体向邻室传递（文中以负值表示传冷）。针对空调启动时段内，本室侧累积向墙体内传递的冷量作为表征，以分析墙体构造、饰面材料的节能效果。节能率均以混凝土墙体为基准参考，表征本室空调冷量节约量的百分比。

3.1 办公10 h 启停模式

办公10 h 启停模式典型墙体传热量的统计见表2。

表2 办公10 h 启停模式典型墙体传热量的统计

从表2 可以看出，在实心对照组中，发泡混凝土墙体与饰面发泡混凝土墙体全天节能率分别为61.0%和60.2%，在该种工况下，发泡混凝土墙体饰面与否节能率差异不大。在空心墙材对照组中，空心砖墙体与饰面空心砖墙体全天节能率分别为32.3%和38.4%，复合饰面材料后节能率提高6.1 个百分点。饰面发泡混凝土墙体比饰面空心砖墙体节能率提升21.8 个百分点。

3.2 办公4+4 h 启停模式

办公4+4 h 启停模式典型墙体的传热量的统计见表3。

从表3 可以看出，在实心墙体对照组中，发泡混凝土墙体与饰面发泡混凝土墙体全天节能率分别为47.5%和51.9%，复合饰面材料后节能率提高4.4 个百分点。在空心墙体对照组中，空心砖墙体与饰面空心砖墙体全天节能率分别为26.0%和34.7%，复合饰面材料后节能率提升8.7 个百分点。在2 个对照组中，14：00～18：00 时间段内的的节能率要高于08：00～12：00 时段。饰面发泡混凝土墙体比饰面空心砖墙体全天节能率提升17.2 个百分点。

表3 办公4+4 h 启停模式典型墙体的传热量的统计

3.3 居家1+2+3 h 启停模式

居家1+2+3 h 模式典型墙体的传热量的统计见表4。

表4 居家1+2+3 h 模式典型墙体的传热量的统计

从表4 可以看出，在实心墙体对照组中，发泡混凝土墙体与饰面发泡混凝土墙体全天节能率分别为30.3%和39.5%，复合饰面材料后节能率提升9.2 个百分点。在空心墙体对照组中，空心砖墙体与复合饰面材料的空心砖墙体全天节能率分别为18.9%和31.0%，复合饰面材料后节能率提升12.1 个百分点。在2 组对照组中，07：00～8：00 时段的节能率最低。饰面发泡混凝土墙体比饰面空心砖墙体全天节能率提升8.5 个百分点。

3.4 居家2+2 h 启停模式

居家2+2 h 模式墙体的传热量的统计见表5。

表5 居家2+2 h 模式墙体的传热量的统计

从表5 可以看出，在实心墙体对照组中，发泡混凝土墙体与饰面发泡混凝土墙体全天节能率分别为25.2%和34.6%，复合饰面材料后节能率提升9.4 个百分点。在空心墙体对照组中，空心砖墙体与饰面空心砖墙体全天节能率分别为15.4%和28.3%，复合饰面材料后节能率提升12.9 个百分点。饰面发泡混凝土墙体比饰面空心砖墙体节能率提升6.3 个百分点。