夏热冬冷地区不同构造形式外墙动态传热特性分析*

重庆大学 国家级低碳绿色建筑国际联合研究中心 绿色建筑与人居环境 营造教育部国际合作联合实验室 续 璐 丁 勇

0 引言

目前，我国建筑运行总商品能耗已占全国能源消耗总量的20%[1]，通过降低建筑能耗来实现节能减碳，是降低社会总能耗的重要突破口。而相关研究表明，通过建筑围护结构可节能25%左右[2]，是建筑节能减碳的重要组成部分。受历史条件、政策等多方面的影响，夏热冬冷地区不同类型建筑在冬、夏季存在供暖、空调系统连续运行、间歇运行等不同运行模式，使得该地区建筑非透明围护结构两侧传热边界条件远远复杂于仅按单季节、单向传热或近似稳态传热来考虑的北方集中供暖地区，也导致该地区建筑外墙的传热特性不同于北方地区。由此在进行该地区建筑热环境营造时，如果仅从热环境营造的某单一过程入手，而不从建筑热过程整体考虑分析技术的节能路径与适用性，将无法保证预期节能效果[3]。因此，分析该地区建筑外墙的传热特性，可为指导该地区满足不同热环境需求的外墙热工性能设计提供理论研究基础，也是该地区构建适宜的室内热环境营造技术的基础。

已有学者对夏热冬冷地区间歇制冷、间歇供暖条件下，不同构造形式墙体的动态热过程进行了研究。高珂指出在夏热冬冷地区一天内空调间歇运行模式下，内保温墙体的节能效果优于外保温墙体[4]；朱岩岩指出在夏热冬冷地区间歇制冷、间歇供暖条件下，内保温墙体比外保温墙体全年节能10%左右[5]；牟林森指出在夏热冬冷地区内外组合保温外墙的节能性优于内保温墙体及外保温墙体，并得出使得全寿命周期成本最低的内外组合保温墙体的内侧保温层厚度为20 mm，外侧保温层厚度为40 mm[6]。笔者所在课题组前期分析了夏热冬冷地区夏季室内间歇制冷状态及自然室温状态下外保温、内保温和自保温3种墙体的动态热工性能，得出在间歇制冷条件下，外保温墙体的隔热性能最好，墙体内表面温度峰值最低；在自然室温状态下，内保温墙体的隔热性能最好，墙体内表面温度峰值最低[2,7-8]。总结来看，现有研究仅对不同构造形式墙体在间歇制冷、间歇供暖条件下的节能特性进行了研究，而对不同构造形式墙体传热特性的研究不足；并且当前能耗模拟软件，如EnergyPlus等，多是针对长周期的能耗模拟，在模拟软件设置时，围护结构传热数值模型均按稳态热工性能参数考虑，但由于缺乏对墙体在动态传热边界条件下的热工特性动态变化的考虑，因此如用这些模拟软件进行短周期的能耗模拟，其结果准确性值得考究。而在笔者所在课题组的前期研究中，由于测试条件的局限性，所搭建的测试平台将3种不同构造形式墙体置于测试房间的同一面外墙，这样室内温度为室外综合温度波同时经3种墙体衰减后的状态，使得采用该测试平台得出的通过外墙传入/传出室内的热量并不能反映该地区实际某一种构造形式外墙的传热特性。

因此，本文利用实验研究的方法，对夏热冬冷地区6种真实空调间歇运行模式下不同构造形式墙体的传热过程，以及通过墙体的瞬时传热量与累计传热量进行量化分析，为该地区构建适宜的建筑外墙构造提供理论基础。

1 研究方法

1.1 实验平台

本研究实验测试是为了得出夏热冬冷地区6种真实空调间歇运行模式下不同构造形式墙体的两侧表面及周围空气温度场，为分析不同构造形式墙体的传热过程与传热量提供基础数据。

本研究在稳态热箱测试法的测试标准EN ISO 8990:1994[9]和ASTM C1363-11[10]基础上，搭建了动态热箱实验测试平台(如图1所示)，用以营造与夏热冬冷地区墙体实际传热过程的边界条件较为相近的室内侧、室外侧热环境。动态热箱实验测试平台的动态测试原理见文献[11]。实验测试平台中，墙体试件两侧为处理至设定状态的冷、热流体介质，采用对流换热的方式与墙体进行换热；冷箱和计量箱中的导流屏用于屏蔽对墙体试件的辐射作用，并在试件表面形成稳定流动的气流组织。该实验平台所在实验房间设置了空调系统，可以控制实验室房间温度和湿度，从而减少室外环境对箱体内环境的影响。

1.试件框；2.试件；3.防护热箱；4.计量箱；5.冷箱；6.冷箱中的导流屏；7.计量箱中的导流屏；8.冷箱中的加热和制冷系统；9.计量箱中的电加热丝；10.防护箱中加热和制冷系统；11.风机；12.固定、卡紧装置；13.控制电路系统；14.智能监测和控制系统；15.计算机实时显示操作客户端；16.数据传输线；17.温度传感器。图1 墙体动态传热过程实验测试平台示意图

实验测试参数主要有：墙体试件内外表面温度、冷箱和计量箱中距离试件表面约100 mm处流体的温度，采用36根数字温度传感器(DS18B20，测量范围-55～125 ℃，测量精度0.125 ℃(-30～85 ℃)，分辨率0.062 5 ℃)测量。

试件内外表面温度测点及冷热侧空气温度测点分别在各自所在平面按图2所示均匀排列。

注：1～9为测点。图2 试件表面温度测点分布 (从冷箱侧或热箱侧的正视图，单位：mm)

1.2 测试对象

根据对该地区651栋建筑(包括571栋居住建筑和80栋公共建筑)常用外墙构造形式及材料的统计结果，考虑本研究的目的是分析不同构造形式墙体的动态传热特性，因此确定本实验墙体构造形式为：外保温形式、夹心保温形式、内保温形式及自保温形式。因为本实验工况的设定既包括居住建筑，也包括公共建筑，所以墙体试件组成材料选取该地区居住建筑和公共建筑均采用的材料。

实验墙体构建的原则为：满足现行节能设计标准对外墙热工参数的限值要求[12-14]；控制4种墙体的总厚度、稳态传热系数、单位面积热容量基本一致。4种墙体试件的构造形式、材料组成及材料层厚度如图3所示。

图3 4种墙体试件的构造形式、 材料组成及材料层厚度示意图(单位：mm)

4种墙体试件的热工参数如表1所示，可认为本实验构建的4种墙体试件的传热系数、单位面积热容量基本一致。

1.3 测试工况

1.3.1空调间歇运行模式的确定

表1 4种墙体试件的热工参数

根据课题组前期研究结果[2,15]，对于重庆地区夏季制冷、冬季供暖建筑中的对流换热方式的空调末端系统，根据一天中空调使用时间的不同，存在表2所示的6种使用模式，将这6种空调间歇运行模式作为本实验中墙体传热的实验工况。采用实际测试的这6种空调间歇运行模式下的室外气象数据和室内空气温度，作为本实验中墙体传热的边界条件。

表2 6种空调间歇运行模式

1.3.2不同空调间歇运行模式对应的传热边界条件

对夏热冬冷地区典型城市重庆市3种不同空调运行时间房间的冬夏季室内外空气温度、太阳辐照度进行连续测试，对测试的室内外热环境参数进行整理，得出本实验6种空调间歇运行模式对应的边界条件。

根据测试的室外空气温度和太阳辐照度，由式(1)计算每个测试时间间隔(30 min)的室外综合温度[16]。

(1)

式中tsol为室外综合温度，℃；te为室外空气温度，℃；ρs为外表面太阳辐射吸收系数，对于实验中的墙体均取0.4；I为投射至墙体外表面的太阳辐照度，W/m2；hcv,o为外表面对流换热系数，W/(m2·K)，取23 W/(m2·K)[17]。

分别对室外综合温度及3种不同空调运行时间的室内空气温度在具有夏(冬)季气候特征的时段每日同一时刻的数值求平均值，得到该地区夏(冬)季日室外综合温度及3种不同空调运行时间室内空气温度的逐时变化，如图4、5所示。

本实验测试平台的计量箱和防护箱用于营造墙体传热的热侧环境，冷箱用于营造墙体传热的冷侧环境。根据图4中的温度变化规律分别设定本实验中夏季、冬季工况室外环境的变化过程。根据图5的温度变化规律分别设定不同空调间歇运行模式下室内环境的变化过程。由此为实验测试提供模拟实际情况的边界条件。

本研究在夏热冬冷地区6种空调间歇运行模式下，对构建的4种墙体试件两侧表面温度和周围空气温度进行了24组实验。每组实验的测试周期为24 h。

2 实验结果分析

对不同空调间歇运行模式下测得的各墙体试件内表面温度求平均值，得到4种墙体内表面温度随时间的变化，如图6所示。

由图6可以看出，不同空调间歇运行模式下，不同构造形式墙体的内表面温度在空调启动后 1 h内呈现剧烈变化的趋势，以空调启动后1 h内各墙体内表面温度的变化速率来分析各墙体内表面温度对室内空气温度变化的响应快慢：在SE模式下，内保温墙体的内表面温度变化速率为-0.001 6 ℃/s，比夹心保温墙体高5%，比自保温墙体高15%，比外保温墙体高26%；在SN模式下，内保温墙体的内表面温度变化速率为-0.000 6 ℃/s，比夹心保温墙体高5%，比自保温墙体高46%，比外保温墙体高66%；在SD模式下，内保温墙体的内表面温度变化速率为-0.000 8 ℃/s，比夹心保温墙体高14%，比自保温墙体高19%，比外保温墙体高27%；在WE模式下，内保温墙体的内表面温度变化速率为0.000 7 ℃/s，比夹心保温墙体高7%，比自保温墙体高27%，比外保温墙体高40%；在WN模式下，内保温墙体的内表面温度变化速率为0.000 4 ℃/s，比夹心保温墙体高10%，比自保温墙体高30%，比外保温墙体高96%；在WD模式下，内保温墙体的内表面温度变化速率为0.000 8 ℃/s，比夹心保温墙体高13%，比自保温墙体高12%，比外保温墙体高40%。说明在6种空调间歇运行模式下，均呈现内保温墙体的内表面温度对室内空气温度的变化响应最快，其次为夹心保温墙体，再次为自保温墙体，外保温墙体的响应最慢的规律。

由此导致内保温、夹心保温墙体在室内空气温度出现剧烈变化并逐渐趋于稳定的过程中，其内表面温度会率先(相较于外保温墙体和自保温墙体)达到内表面传热的准稳定状态。而外保温墙体和自保温墙体在室内空气温度经剧烈变化后已逐渐趋于稳定的情况下，其内表面温度仍处在变化中。这说明外保温、自保温墙体的内表面温度在剧烈变化至达到稳定的边界条件下到达稳定/准稳定状态的时间长。

3 空调间歇运行模式下不同构造形式墙体传热特性分析

3.1 不同构造形式墙体瞬时传热量分析

对于间歇制冷、间歇供暖，只在制冷或供暖需求时段，通过外墙流入或流出室内的热量会形成空调负荷，从而影响能耗(本研究暂不考虑各家具表面和内围护结构的蓄热作用[16])。因此，本研究对空调运行时段通过墙体的瞬时与累计传热量进行了分析。

根据墙体内表面的热平衡关系，通过外墙进入室内或从室内流出的热流密度可以表示为[18]

q=qc+qr=(hc+hr)(Tw,i-Tf,i)=

h(Tw,i-Tf,i)

(2)

式中q为通过墙体进入室内或从室内传出的瞬时传热量，W/m2；qc为墙体内表面对流换热热流密度，W/m2；qr为墙体内表面与外围环境的辐射换热热流密度，W/m2；hc为内表面对流换热系数，W/(m2·K)；hr为墙体与周围环境的辐射换热系数，W/(m2·K)；Tw,i为实验测得的墙体内表面温度的平均值，K；Tf,i为实验测得的墙体传热过程中室内空气温度的平均值，K；h为墙体内表面复合换热表面传热系数，W/(m2·K)。

根据ASHRAE手册给出的经验公式，墙体内表面复合换热表面传热系数[19]为

(3)

由式(2)、(3)可以得到6种空调间歇运行模式下不同构造形式墙体一天中瞬时传热量的变化，如图7所示。对于夏季3种间歇运行模式，正值表示由室外传入室内的得热量，负值表示由室内传出的热量，可以用于消除由其他原因产生的室内得热，本研究将间歇运行模式下，夏季空调时段由室内传出的热量称为制冷贡献量。对于冬季3种间歇运行模式，负值表示由室内传出的热量，而正值表示传入室内的热量，可用于消除由其他原因引起的室内失热，本研究将间歇运行模式下，冬季空调时段传入室内的热量称为供暖贡献量。

由图7可以看出，在6种空调间歇运行模式下，4种墙体瞬时传热量随时间的变化趋势均为在空调启动时陡然增大，且在空调启动后的1～2 h内出现峰值，在随后的空调运行期间随时间波动。在任一空调间歇运行模式下，4种墙体瞬时传热量的关系为：外保温墙体最大，其次为自保温墙体，再次是夹心保温墙体，内保温墙体最小。

由图7还可以看出，在空调运行时段，如果墙体在夏季瞬时传热量高，那么在对应的冬季工况，其瞬时传热量也较高，反之亦然。例如，墙体在夏季晚上运行模式(SE模式)的空调运行时段瞬时传热量高，则在冬季晚上运行模式(WE模式)的空调运行时段瞬时传热量也高。这说明同一构造形式的墙体在冬季和夏季空调运行时段的传热特性表现是一致的。

此外，在任一空调间歇运行模式下，空调在晚上运行时墙体的瞬时传热量大于白天运行和夜间运行。这说明不同空调间歇运行模式对通过墙体的瞬时传热量存在显著影响，因此在进行墙体传热特性分析时，应充分考虑房间空调或供暖设备的使用模式。

3.2 不同构造形式墙体累计传热量分析

对各模式下瞬时传热量在一天中制冷时段或供暖时段对时间积分，便可得到各模式下4种墙体在制冷/供暖时段累计传热量：

(4)

式中Q为制冷/供暖时段的累计传热量，kJ/(m2·d)；τ1、τ2分别为空调间歇运行模式下一天中空调运行的开始和结束时刻；τ为时间。

由于实验数据采集时间间隔为5 min，利用离散矩形波单元扰量叠加求和代替式(4)中积分求和，可分别算出夏季制冷时段累计得热量及累计制冷贡献量：

(5)

(6)

式(5)、(6)中Qc为夏季一天中制冷时段累计得热量，kJ/(m2·d)；n为夏季间歇运行模式下一天内制冷时段采样点的个数；j为采样点的序号；qj为根据式(2)算得的瞬时传热量，W/m2；Δτ为采样时间间隔，Δτ=5 min；Qcont,c为夏季一天中累计制冷贡献量，kJ/(m2·d)。

冬季供暖时段累计失热量及累计供暖贡献量分别为

(7)

(8)

式(7)、(8)中Qh为冬季一天中供暖时段累计失热量，kJ/(m2·d)；m为冬季间歇运行模式下一天内供暖时段采样点的个数；Qcont,h为冬季一天中累计供暖贡献量，kJ/(m2·d)。

根据式(5)～(8)算出不同墙体在6种间歇运行模式下夏季一天中制冷时段累计得热量、累计制冷贡献量和冬季一天中供暖时段累计失热量、累计供暖贡献量，如图8所示。可以看出，在任一空调间歇运行模式下，不同构造形式墙体制冷时段累计得热量、累计制冷贡献量和供暖时段累计失热量的趋势与其瞬时传热量的趋势是相同的，均为外保温墙体最大，其次为自保温墙体，再次为夹心保温墙体，内保温墙体最小。结合第2章、3.1节和本节结果可知，间歇制冷、间歇供暖条件下墙体传热过程、瞬时和累计传热量特性不同于空调连续运行模式。在空调连续运行模式下，不同构造形式墙体内表面温度和瞬时负荷波幅均呈现内保温墙体最大，夹心保温墙体其次，外保温墙体再次，自保温墙体最小的特性[21]；并且不同构造形式墙体在一天内总传热量是相等的[22]。说明由于在空调连续运行模式下与间歇运行模式下建筑热过程特性的不同，会导致间歇运行模式下室内热环境营造技术的节能路径与适用范围不同于连续运行模式。

注：SE、SN、SD模式下，累计失热量即为制冷贡献量；WE、WN、WD模式下，累计得热量即为供暖贡献量。图8 6种空调间歇运行模式下不同构造形式墙体夏季累计得 热量、累计制冷贡献量及冬季累计失热量、累计供暖贡献量

由图8也可以看出：在冬季间歇运行模式下，只有WN模式的夹心保温墙体和WD模式的自保温墙体有少量供暖贡献量(分别为0.45、0.02 kJ/(m2·d))。但是，在SN模式下，4种墙体均有较大的累计制冷贡献量，其累计制冷贡献量为同一模式下累计得热量的3.0～5.5倍。由图7b可知，在SN模式下，4种墙体在23:00—24:00表现为得热特性，在00:00—07:30表现为失热特性。这是因为在夏热冬冷地区气候条件下，夏季夜间室外无太阳辐射，室外空气温度骤降，随时间推移，到凌晨时段(00:00—07:30)，室外温度进一步降低，使得室内大量热量可通过外墙围护结构向室外散走，因此凌晨时段没有室内得热，反而可形成较大的失热量(制冷贡献量)。

4 讨论

分析实验结果，夏热冬冷地区间歇制冷、间歇供暖条件下，从外墙内表面温度对室内空气温度的响应速率及减少室内夏季得热量与冬季失热量的角度来看，内保温墙体构造是最优的外墙构造形式。这与其他一些学者的研究结论相似[21,23]。但墙体的热响应快慢和传热特性仅是其动态热工特性的表现之一。相比现有针对室内空调末端形式同为对流换热方式的外墙构造优化的研究，在夏热冬冷地区间歇制冷条件下，外保温墙体的隔热性能最优[2]，而内保温墙体的节能性能最优[4-6]。在夏热冬冷地区连续制冷条件下，外保温墙体的节能性能最优[21]。而在该地区夏季自然室温条件下，内保温墙体的隔热性能最优[7]。可见，对于该地区不同传热边界条件下外墙构造优化的研究，优化的角度不同，则得到的优化策略也不同。并且现有从热工性能、节能性能对外墙构造的优化，多不考虑热桥的影响，且为从单一性能进行的研究。在不同的传热边界条件下，仅从单一性能进行优化，得到的优化策略不同。综合现阶段的研究，尚不能得出对该地区具体某一传热边界条件，如间歇制冷、间歇供暖边界条件下综合最优外墙构造形式的推荐。在后续研究中将考虑外墙的结构性热桥的影响，以整个围护结构系统作为优化对象，把保温隔热性能、防潮性能、节能性能等作为围护结构构造方案选择过程中的优化因素，综合分析该地区间歇制冷、间歇供暖条件下适宜的外墙构造形式。

5 结论

1) 对于本文中4种构造形式的墙体，在夏热冬冷地区6种空调间歇运行模式下，内保温墙体内表面温度对室内空气温度的变化响应最快，其次为夹心保温墙体，再次为自保温墙体，外保温墙体的响应最慢。

2) 经与文献对比，在空调间歇运行模式下与连续运行模式下建筑热过程特性不同，因此会导致间歇运行模式下室内热环境营造技术的节能路径与适用范围不同于连续运行模式。

3) 分析得到，空调运行模式对空调运行时段通过外墙的瞬时传热量有显著影响，因此，在进行墙体传热特性分析时，应充分考虑房间空调或供暖设备的使用模式。