围护结构保温设计中非稳态计算方法适用性研究

2021-09-22盛昂昂刘大龙

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2021年4期

何泉，盛昂昂，刘大龙

(西安建筑科技大学建筑学院，陕西西安 710055)

20世纪70年代能源危机的爆发，提高了公众对各行各业能耗的关注度.其中建筑能耗在全国总能源构成中占很大比重[1]，因此建筑能耗也成为业界关注的热点.在建筑能源的消耗中，大部分由建筑本体所消耗.且外墙作为建筑的外围护结构，对建筑的能耗起着至关重要的作用[2]，因此围护结构传热计算模型是建筑节能设计的理论基础.

围护结构保温计算长期采用稳态计算方法.随着节能要求的不断提升[3]，可再生能源的应用越来越被关注，稳态计算方法不利于考虑太阳能的热效应.同时随着蓄热墙体[4]、相变墙体[5]的应用，以及动态采暖控制[6]等新型节能技术的应用，稳态计算方法已经不能满足传热计算的需求.

国内外已有学者开始从事保温设计中非稳态计算方法的应用研究.Wonjun Choi等[7]指出由于稳态方法不考虑围护结构的蓄热，环境温度变化的稳态分析不能很好地反映系统的工作特性.Haie Huo等[8]同样指出气候条件是计算建筑热工性能的重要参数，并用非稳态方法分析了在相同节能措施下，定量研究了在不同地区的建筑围护结构在节能中的贡献率.龙恩深[9]等以美国芝加哥和中国上海为例，用DOE-2和CTM模拟分析了同一建筑在两种截然不同的气候条件下，相同保温措施下的年采暖降幅有显著差异.王靖文等[10]利用谐波反应法分析西安与哈尔滨的非稳态传热过程，提出非稳态计算方法可体现围护结构对室外气象参数的响应.刘大龙等[11]曾对藏区展开室外太阳辐射调研，而后文献[12]提出高海拔强辐射地区能耗计算方法不宜采用稳态计算方法的建议.张率[13]等选取严寒和寒冷地区10个典型城市，对比两种方法下耗热量的差异，提出对于差异率在15%以上的城市采用非稳态计算方法.上述学者对非稳态热工设计的研究各有侧重，强调单一指标在两种计算方法下的差异，却没有对不同太阳能辐射下内表面热流，热流量以及耗热量在两种方法下综合评判非稳态方法的适用性，以及间歇采暖在北方采暖地区适应性问题考虑较少.

针对以上问题，建立一栋多层建筑模型，选取寒冷地区太阳能辐射不同的城市，分析内壁面温度，逐时热流以及耗热量在这种计算方法下的差异性，探究非稳态计算方法在围护结构保温设计中的适用性，为将来精细化节能控制下围护结构保温动态评价提供参考.

1 计算方法的对比

1.1 稳态计算方法

现有的围护结构保温设计[14]假定在全阴天的环境条件下(不考虑太阳辐射的影响)，室内外边界条件为均为静态，以传热系数(传热阻)为基础(不考虑围护结构蓄热)，计算稳态的内表面温度、热流、耗热量，其结果在一天中均为定值.即稳态计算方法考量的是在室内边界条件为定值时，围护结构所做出的静态响应.

由于研究的区域为采暖房间，故取室内空气温度设定为18℃.为使稳态计算方法与非稳态计算方法计算的值具有可比性，故稳态计算方法中的室外空气温度取为非稳态计算过程中的室外逐时温度的平均值.稳态计算方法公式参考《建筑物理》[15].

1.2 非稳态计算方法

非稳态计算方法的室外边界条件呈现为逐时动态的变化，考虑太阳辐射的热效应，以及围护结构的蓄热，因此围护结构作出的响应为动态的、多因素的，考量内容有墙体的逐时的内壁面温度分布，逐时的热流等.非稳态计算方法[16]一般有有限差分法，谐波反应法，反应系数法等.本文选用以反应系数法为内核的EnergyPlus作为模拟的软件.反应系数法主要是基于内外壁面温度的反应系数法，相对于基于室内温度的反应系数法更为精确.EneryPlus的精确性得到学者的认可，且应用于学术研究[17-18].

2 模拟分析的参数设置

2.1 模拟建筑信息及围护结构的选型

采用EnergyPlus对一城市居住建筑进行传热计算模拟.模拟的建筑模型如图1所示，单层建筑面积为274.66 m2，共6层，建筑体积为4 943.97 m3，东西向窗墙比为0.05，南向窗墙比为0.38，北向窗墙比为0.21，建筑体形系数为0.33.符合规范[19]要求.建筑模拟主要计算参数的设置均符合规范[19].

为体现围护结构在寒冷地区保温设计中非稳态传热适用性的普适性特征，选取6种围护结构构造，其中包括2种无保温墙体，2种外保温墙体，2种内保温墙体.墙体构造形式见表1：

表1 墙体的构造形式Tab.1 The structure of the wall

图1 建筑模型Fig.1 Architectural model

2.2 室外气象条件

由于四个地点地理位置不同，海拔不同，造成的室外气象条件各有差异.四个城市分别为拉萨，敦煌，西安，北京.四个地区热工分区以及太阳辐射量的具体信息如表2所示：

表2 四个城市的热工分区及太阳辐射量[14, 20]Tab.2 The heat division and solar radiation of four cities

室外气象条件取自于EnergyPlus自带的CSWD气象文件.图2为四个城市的室外综合温度与室外空气温度.从图中可以看出拉萨、敦煌的太阳辐射强度高.拉萨日较差最大，其次是敦煌，然后是北京，日较差最小的为西安.

图2 四个地区的室外综合温度tsa和室外空气温度teFig.2 The outdoor integrated temperature tsa and outdoor air temperature te in the four regions

由于考虑太阳热辐射效应对传热的影响，因此选择太阳辐射最不利的冬至日12月22日作为研究日期.

3 结果分析与讨论

本文主要从内壁面温度、逐时热流量以及耗热量三个方面描述传热差异.

3.1 内壁面温度的对比分析

内壁面温度可反映围护结构抵抗室外温度波动的能力.本文对稳态方法计算出的内壁面温度以及EnergyPlus模拟出的四个城市的建筑外墙内壁面温度进行汇总.因篇幅原因，仅给出有典型性的地处拉萨市和北京市建筑的内壁面温度图.在两种计算方法得出的内壁面温度的汇总图(图3)中，6种围护结构构造中的每一种构造分别对应两种内壁面温度，前者为非稳态计算方法下的内壁面温度，如“1”表示；后者为稳态计算方法下的内壁面温度，如“1’”表示.为了方便称谓，非稳态内壁面温度高于稳态内壁面温度的时间段，叫做“非稳态时段”，非稳态内壁面温度低于稳态内壁面温度的时间段，称为“稳态时段”.

图3 拉萨和北京的内壁面温度Fig.3 The surface temperature of Lhasa and Beijing

太阳辐射强烈的地区，在一天当中的某一时间段，特别是南向的室内温度会高于18℃，此时建议停止供暖，因为此时室内的供暖会过剩，造成不必要的能源浪费.因此内壁面温度的图中添加室内设计温度18℃线，当内壁面温度高于18℃时，可以采取间歇采暖模式，减少能耗.

构造1至构造6，均表现出拉萨的非稳态时段最长(均为24 h),最小的为西安(均为0 h).且拉萨内、外保温围护结构均存在间歇采暖的时间段，原因为拉萨的太阳辐射最为强烈，且有保温的构造的保温性能较无保温的墙体较优良，有保温构造的墙体的内壁面温度较高.敦煌构造2的非稳态时段(24 h)大于北京(6 h)，这是由于敦煌的太阳辐射强于北京，且构造2热惰性最大.而构造1、构造3至构造6的非稳态时段，敦煌小于北京.这是由于构造1、构造3至构造6的热惰性指标小，且敦煌的日较差比北京大，气温比北京低，导致热惰性较小的围护结构下北京的非稳态时段大于敦煌.

由两种方法计算的内壁面温度的对比得出，太阳辐射强烈的拉萨的两种计算方法间的差异大，最小为西安.在非稳态时段中，拉萨的内外保温构造的围护结构存在可以间歇采暖的时段，构造3至构造6下的非稳态内壁面温度大于18℃的时长分别为22、19、17、15 h.

3.2 不同计算方法下热流量与耗热量的对比分析

采用稳态方法与EnergyPlus模拟得出热流量与耗热量的值.考虑到典型性(拉萨、敦煌与西安的逐时热流图趋势相似)与篇幅，仅提供拉萨和北京两个城市的逐时热流量图及耗热量差异图.

在图4、图5中可以看出稳态下的热流量不随时间变化；非稳态下的热流量整体上呈现随时间先减小后增大的趋势.其中无保温构造的稳态热流大于有保温构造的稳态热流.非稳态热流除具有稳态热流在构造上的表征外，内保温的逐时热流大于外保温的逐时热流.

在计算采暖时期传热时，一般是考虑室内流向室外的散热的热流量.且稳态下的热流量是以传热系数与室内外温差(定值)为基础，得出来的热流为定值，且方向为室内流向室外；非稳态下的热流考虑围护结构的传热、蓄热，以及逐时温度的影响，从图中同样可以看出非稳态下的热流方向为室内流向室外时，与稳态下的热流量具有对比性.在这样的前提下，构造1至构造6下，拉萨的两种计算方法下的热流量差异均最大，其次是敦煌，然后是北京，差异最小的为西安.其原因为拉萨的日较差最大，非稳态下的逐时气温与稳态下气温均值差值最大，西安的日较差最小，温度波动平缓，非稳态下的逐时气温与稳态下气温均值差值最小.且若把非稳态逐时热流量取平均与稳态下的热流量做对比，仍然是拉萨的差异最大，其次是敦煌，然后是北京，最小的为西安.以砖墙外保温构造为例，非稳态逐时热流量取平均与稳态下的热流量差值分别为：拉萨(5.61℃)>敦煌(5.49℃)>北京(3.83℃)>西安(1.19℃).

图4 拉萨两种计算方法下逐时热流量与耗热量Fig.4 The heat flow and heat consumption calculated in two methods in Lhasa

稳态下的耗热量是在室外平均温度下，为保持室内温度，单位面积内消耗的热量，这种消耗并不包括室内得热.而在非稳态下的耗热量则是在逐时的室外温度下，为保持室内温度，单位面积消耗的热量，此时也考虑室内的太阳辐射的得热.因此在太阳辐射强烈的地区，无论何种保温形式耗热量的差异则会最明显，以耗热量差异率表现两种方法所表征的差异.以拉萨与北京两种计算方法下耗热量以及差异率ε(%)为典型绘制出图像，见图4b与图5b.

(1)

式中：Hunst为非稳态计算方法下的耗热量；Hst为稳态计算方法下的耗热量.

以外保温构造墙体(砖墙)为例，两种方法下拉萨的耗热量差异率最大(64.65%)，其次是敦煌(15.28%)，再者是北京(12.01%)，最小的是西安(5.50%).

可以看出6种保温构造下，拉萨在非稳态与稳态下的热流差值和耗热量差异率最大，其次是敦煌，然后是北京，最小的是西安.对于太阳辐射强烈，平均温差相对较小的拉萨，内保温构造(60 mm保温层)下的建筑在10点～18点的时段、外保温在24 h全时段，南向房间可以考虑采取间歇采暖的方式.

图5 北京两种计算方法下逐时热流量与耗热量Fig.5 The heat flow and heat consumption calculated in two methods in Beijing

4 非稳态方法适用性的讨论

四个城市下的围护结构传热在两种计算方法下的内壁面温度、逐时热流量以及耗热量均存在差异性.当非稳态下的内壁面温度高于稳态的内壁面温度，以及非稳态的逐时热流量、耗热量比稳态下热流、耗热量要小时，非稳态方法适用性越强.

拉萨的6种构造在非稳态计算方法下的内壁面温度均大于稳态下的内壁面温度.拉萨在四地中，非稳态下逐时热流量波幅较大，其平均值与稳态下的热流相比仍是最大，且两种方法下的耗热量最小的差异率也达到47%.拉萨非稳态计算的内壁面温度与稳态相比更符合当地的实际.因为拉萨的内壁面温度高，围护结构的热流少，耗热量少.因此拉萨围护结构保温设计中非稳态方法的适用性最高.

敦煌6种构造下的非稳态的逐时热流均值小于稳态下的热流，非稳态下的耗热量少于稳态下的耗热量，耗热量差异率最小值为12.46%，最大可达21.21%.敦煌虽然有部分围护结构的非稳态内壁面温度小于稳态的内壁面温度，但差值很小，再从热流和耗热量来看，差异较大，耗热量差异率最大可达21.21%，且非稳态下的热流量与耗热量值更低，因此敦煌在围护结构保温设计中非稳态计算方法较为适宜.

北京和敦煌在冬季的12月份的日辐射量相差较小，因此北京和敦煌的三个量值的两种计算方法下的趋势相似.不同的地方在于北京的无保温构造下的内壁面温度的非稳态时段短但平均差值仅为0.06℃；内外保温构造上的非稳态时段较长，平均差值为0.24℃.两种方法的逐时热流差值、耗热量差异率比敦煌小，但耗热量差异率最小值可达10%以上.因此北京在围护结构保温设计中非稳态计算方法适宜.

西安6种构造在非稳态计算方法下的内壁面温度均低于稳态下的内壁面温度.由于西安的太阳辐射弱，且日较差最小，西安非稳态下逐时热流量的平均值与稳态下的热流差值最小.因此西安在围护结构保温设计中非稳态计算方法的适宜度最低.

为了探究两种计算方法下四个城市的温度与耗热量的关系，以室外温度逐时差值日均温度td来说明太阳辐射的影响.

(2)

拉萨、敦煌、西安、北京的室外温度逐时差值日均温度分别为：3.68、2.67、0.8、1.94℃.可以发现差值日均温度最大的为拉萨，其次为敦煌，然后是北京，最小的为西安，这和四个城市的太阳辐射的强弱、同一种构造下的耗热量差异率以及非稳态方法的适用性成正相关.在太阳能富集地区，非稳态计算的采暖耗热量更低，非稳态方法的适用性更高.且当室外温度逐时差值日均值大于1.9℃时，两种方法计算耗热量差值大于10%；随着两者差值日均温度的增大，两种方法计算的耗热量差值呈显著增长趋势，耗热量差值最大可达60%以上.

从上面讨论可得出非稳态方法的适用性最高的是拉萨，其次是敦煌，然后是北京，最低的为西安，这与四地所处的太阳辐射强弱有关.且太阳辐射越强的地区，室外温度逐时差值日均温度越高，采暖耗热量差异率越大，非稳态方法下的耗热量值更低.