热管置入式墙体冬季测试与分析

2024-01-08张志刚

天津城建大学学报 2023年6期

张志刚，武威

（天津城建大学能源与安全工程学院，天津 300384）

在大气环境日益受到重视的情况下，化石燃料的消耗日趋减少、太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分.在我国北方寒冷和严寒地区，作为重要围护结构的墙体，普遍采用外保温来降低传热系数以提高墙体的保温隔热性能，但这也同时降低了墙体外表面对太阳辐射的利用[1].

热管置入式墙体（the wall implanted with heat pipes，简称WIHP）是通过在特定条件下改变墙体传热性能从而充分利用太阳能来改善室内热环境，本课题组对其已经进行了多年的研究[2].在此前的研究中，分析了WIHP 在冬季的适用性[3]，通过对比实验优化了WIHP的传热能力[4]，建立了WIHP 非稳态传热模型[5]，对热管结构进行了优化[6]，通过实验确定了充液率的最佳值[7]，分析了优化后的WIHP 在不同气候区的适用性[8].另外，探寻了WIHP 结合其他技术如特朗伯墙的效果[9].

实际环境是复杂多变的，动态的，为了研究实际环境下WIHP 的传热特性和冬季对室内热环境的改善情况，本课题组进行了相关的实验测试.

1 测试系统的构建

1.1 测试房间

测试地点位于天津市，测试房间的外墙和内墙均为240 砖混墙.用加气混凝土砌块隔墙将测试房间分成外部条件和尺寸完全相同的两个房间，南向外墙铺设70 mm 厚的XPS 挤塑保温板，如图1 所示.在除南墙外的其他三面内墙（包括两扇测试房间的木门内面）铺设50 mm 厚的XPS 挤塑保温板（屋顶和地面未作改造），内墙再用20 mm 水泥砂浆找平，房间内部尺寸为南墙长3.2 m，高3.4 m，进深3.8 m，如图2 所示.

图1 南向外墙剖面示意

图2 改造后房间的俯视效果

1.2 南墙热管布置

将热管置入到东侧房间南墙内外表面两侧，之后在墙体内外表面做抹灰处理. 热管管栅单组尺寸长1 m，宽0.8 m（由24 根尺寸为Φ4.3 × 0.8 mm 的毛细管栅组成），热管管栅的主管管径尺寸为DN20.绝热管段、上升和下降管段的管材为DN20 的PVC 管，热管连接方式采用传热效果较好的H 型连接方式[8]，见图3.为了将传入室内的热量最大化，在南墙垂直方向叠加两组H 型热管（其中管栅冷凝段面积占南墙面积的26.32%），两组之间彼此独立，管栅与绝热管之间的连接方式采用热熔连接（红色部分），施工过程如图4 所示.

图3 H 型热管构造图、两组热管垂直叠加的效果

图4 南墙内表面安装后效果

1.3 测试内容

冬季测试重点研究的内容是：室外综合温度对WIHP 工作的影响；WIHP 工作对南墙内表面温度的提升效果；室内空气温度的分布情况和WIHP 工作对室内耗热量的影响.在用电暖器维持两个房间室内空气温度在18 ℃（±0.2）的情况下，通过记录仪记录测试房间南墙内外表面的温度；通过温湿度自记仪记录测试房间室内和室外的空气温度和湿度；通过太阳辐射测试台采集太阳辐射强度数据；通过智能电表和计量插排记录测试房间的耗电量.

1.3.1 温度测点的布置

将经校验过的铠装丝PT1000 铂热电阻温度传感器（芯片精度：±0.03 ℃；温度测量范围：-50～150 ℃）布置在墙体内外表面，测试房间南墙内表面均布置上下一共6 排，对齐设置，热电阻上下间距约40 cm，左右间距约70 cm，如图5 所示.测试房间南墙外表面均布置上下一共3 排，高度分别对应了内表面测点的1，3，5 排，如图6 所示.

图5 南墙内表面热电偶布置

图6 南墙外表面热电偶布置

为了测定室外空气温度、两房间室内空气温度（中心距地1.5 m）和电暖器温度，在相应的测点均布置了热电阻，共计50 个热电阻测点，采集时间间隔设置为10 min，以保证数据的连续性.

1.3.2 温湿度自记仪的布置

将温湿度自记仪（记录、显示温度范围：-40～120 ℃，芯片精度：±0.03 ℃）布置在测试房间内外，测试房间中心距地1.5 m 处布置1 个，与热电阻共同用于记录室温；测试房间东墙外表面（室内）和西墙外表面（室内）各布置1 个，北墙外表面（室内）及南墙外表面背阴处各布置1 个，用于记录测试房间外的空气温度；测试房间中心位置布置间隔40 cm 的一竖排6 个，用以记录距地50 m 到250 cm 的空气温度，共计18 个温湿度自记仪测点，如图7 所示.由于测试房间无外窗且室温由电暖器控制，测试期间人员出入较少，因此自记仪温度和湿度的变化范围不大，所以采集时间间隔设置为30 min.

图7 温湿度自记仪测点俯视效果

1.3.3 电量测量

电量测量系统主要由电暖器、智能电表、计量插排、温控器组成.电暖器的工作功率设定为1 200 W，启停由温控器控制.智能电表的记录设定为每30 s 记录一次，温控器的温度探头布置在测试房间的正中央距离地面1.5 m 处.

1.3.4 太阳辐射强度的测量

太阳辐射强度由专用的测量台（光谱范围：285～2 800 nm；灵敏度：7 μV/W/m2～14 μV/W/m2）进行测量，测量地点则位于附近无遮挡的楼顶，采用南向垂直于墙面的太阳辐射强度数据.由于太阳辐射强度变化较快，因此设置成每3 min 采集一次，如图8 所示.

图8 太阳辐射强度测量台

2 测试数据分析

2.1 WIHP 动态传热模型

2.1.1 物理模型

WIHP 的传热过程非常复杂，包括热管的传热、墙体的蓄热以及墙体表面的换热过程.为便于对传热过程进行分析，可对其进行适当简化.

（1）蒸发段与内表面之间有较厚保温板，且其导热系数仅为0.03 W/（m·K），所以忽略热管工作时管栅蒸发段对墙体内表面的影响.

（2）热管绝热段与墙体的接触面积有限，且绝热段管孔填充有聚氨酯保温层，所以忽略热管绝热段与墙体之间的传热.

（3）抹灰层（水泥砂浆）厚度较薄且蓄热系数低至11.3 W（/m·2K），所以忽略内抹灰层的蓄热.

（4）墙体长宽是厚度的十倍以上且内表面纵向温差较小，所以忽略纵向传热.

热量传递过程如图9 所示.

图9 热量拆分

冷凝段作为一个加热面，是提升墙体内表面温度改善室内热环境的关键.因此本文重点研究冷凝段的传热过程.当热管工作时，热量向室内侧传递加热内表面（即时传热量），同时向室外侧传递被墙体吸收（蓄热量）.当热管不工作时，外侧墙体蓄存的热量会持续释放加热内表面.

根据以上对WIHP 传热过程的简化，将WIHP 的传热过程等效于普通墙体与两个内扰作用传热的总和.其中，q1为室外通过普通墙体结构向室内的逐时传热量；q2为热管不工作时墙体蓄热向室内的传热量；q3（q3=q3(a)+q3(b)）是热管总的传热量，其中q3(a)为热管管栅冷凝段对室内的直接放热量，q3(b)为冷凝段向墙体蓄热量.q1、q2、q3(a)的加和q为室外通过WIHP 向室内的传热总量.

2.1.2 数学模型

传热量的方向由传热量数值的正负来表示，本文设定由室外向室内的传热方向为正，反之为负.根据Z传递函数法可知，在室内温度为常数时，内表面的逐时传热量为[10]

式中：系数bi、ci和di分别根据构成墙体所需材料的物性决定；tr为室内空气温度，℃；tz为室外综合温度，℃.

热管工作时，冷凝段加热面温度不低于冷凝段加热面布置位置普通墙体温度.为了更好地研究冷凝段加热面，引入冷凝段加热面内扰温度t′c，即

定义冷凝段加热面内扰温度t′c为冷凝段加热面温度tc与冷凝段加热面布置位置普通墙体温度tm的差值.t′c值反映了WIHP 传输投射在墙体外表面的太阳辐射热量能力的强弱.由定义可知，t′c为一个恒大于等于零的逐时变化温度值.

热管工作状态下对室内侧的直接放热量为q3(a).由于冷凝段加热面所在位置的内抹灰部分与墙体内表面之间的热阻很小，q3(a)的计算可简化为

式中：R为内表面到抹灰中心层的热阻，m2·K/W；ti为墙体内表面温度.

热管不工作时墙体蓄热对室内侧的传热量为q2.借助Z 传递函数法，在边界条件t′c下，求得通过热管冷凝段所在平面总的传热量q3，然后刨除对室内侧的直接放热量q3(a)，可得冷凝段向墙体的蓄热量q3(b).

2.2 室外综合温度

室外综合温度（外墙外表面温度）是WIHP 利用太阳能的关键.室外综合温度受室外空气温度、太阳辐射强度、墙体外表面吸收率三部分的作用影响.考虑到太阳辐射对表面换热量的增强，相当于在室外空气温度上增加了一个太阳辐射的等效温度值[11]，这是为了计算方便推出的一个当量室外温度.室外综合温度由三部分构成：①室外空气温度；②外表面所吸收的太阳辐射；③与外界环境的长波辐射交换.这三部分代表建筑墙体吸收、利用太阳能的可能性，表达式为

式中：tz为室外综合温度，℃；tair为室外空气温度，℃；α为围护结构外表面对太阳辐射的吸收率；I为室外太阳辐射强度，W/m2；αout为围护结构外表面的对流换热系数，W/（m2·K）；Qlw为围护结构与室外环境的长波辐射换热量，W/m2.对于垂直墙体，墙体外表面与外界长波辐射换热量很小，可忽略不计[11].

室外综合温度是控制WIHP 工作的“开关”，即当室外综合温度高于热管工作的温度时，WIHP 开始工作，且室外综合温度越高，WIHP 的工作效果越明显，建筑利用的太阳能越多.根据天津地区典型年气象资料，在南外墙涂有深色外墙涂料的情况下，室外综合温度最高值比当时的室外空气温度能提高38.4 ℃[12].由于冬季室外空气温度普遍偏低，所以太阳辐射强度的大小是室外综合温度能否高于热管工作温度的重要因素.

天津地区的供暖季为11 月15 日至次年3 月15日，按典型年气象资料统计分析，天津地区室外综合温度高于热管工作温度的时间为314 h，即WIHP 的“工作小时”为314 h. 其中，供暖季后两个月（1 月15日至3 月15 日）共有185 个“工作小时”，占WIHP 总工作时间的58.9%，因此WIHP 在供暖季的后半段具有更加理想的工作条件[13]，如图10 所示.本次测试的时间为2020 年1 月15 日至3 月15 日，经过统计，共有198 个“工作小时”，比典型年同期还多了13 个“工作小时”[14]，WIHP 工作条件比较理想.

图10 典型年供暖月平均室外综合温度和热管工作小时数

2.3 墙体内表面温度

WIHP 工作时对室内最先影响的是冷凝段南墙内表面的温度，进而通过对流换热和辐射影响室内空气温度，所以南墙内表面温度的提升能够最直观地反映出热管工作强度.同时壁面温度也是影响热舒适的重要因素，尤其在北方冬季室内开窗时间少、室内风速较低的情况下，低温辐射换热占比上升，人体热感觉与壁面温度相关性将更大.

图11 显示了测试房间南向墙体内表面温度（6 排测点平均温度）随时间的变化情况.由图11 可知，两房间温度升降的变化趋势基本一致，WIHP 内表面温度较非WIHP 有明显的提升.测试期间，WIHP 内表面的平均温度达到了17.30 ℃，非WIHP 内表面的平均温度为16.74 ℃，WIHP 内表面的平均温度比非WIHP提高了0.56 ℃，温度提升率达到了3.35%.这表示热管的工作对内表面温度的提升作用明显，同时人体热舒适度得到了提高.

图11 测试房间南向墙体内表面温度随时间变化曲线

WIHP 和非WIHP 内表面最小温差为0.27 ℃，出现在2020 年2 月9 日01：10：00，此时室外空气温度为0.3 ℃，太阳辐射强度为0，室外综合温度也为0.3 ℃，热管不工作；最大温度差为0.9 ℃，出现在2020 年3月10 日14：30：00，此时室外空气温度为20 ℃，太阳辐射强度达到了346.1 W/m2，室外综合温度为33.84 ℃，热管工作状态极好.这充分说明了室外综合温度是决定热管工作性能的关键性因素，且太阳辐射强度的大小对于室外空气综合温度提升的重要性.

测试后期，两种墙体内表面的温差较之前要明显增大.这是由于随着室外气象条件的好转，室外空气温度升高，太阳辐射强度增大，相应的室外综合温度也随之升高，热管工作的小时数增加，热管工作状态变好，从而使二者的温差增大.

为了进一步展示测试房间南向墙体内表面温度的差异，截取两天的数据作进一步分析（见图12）.如图12 所示，WIHP 内表面温度的波动幅度要明显小于非WIHP.WIHP 内表面温度变化范围为17.31～17.47 ℃，平均温度为17.37 ℃，温度波动幅度为0.16 ℃；非WIHP 内表面温度变化范围为16.60～16.80 ℃，平均温度为16.67 ℃，温度波动幅度为0.20 ℃.和非WIHP 相比，WIHP 内表面平均温度提高了0.7 ℃，温度波动幅度小了0.04 ℃，温度波动幅度变小，出现这一现象是因为置入热管使得墙体的蓄热量有所增加.

图12 测试房间南向墙体内表面温度随时间变化曲线（2 d）

2.4 房间的温度分布

相对于与墙体的低温辐射换热等其他因素，人体与空气的对流换热量更大，因此室内气温是对居住者来说最能直观感受的环境因素，也是热舒适最主要的影响因素.WIHP 的应用使南向墙体内表面的温度明显提升，内表面温度不同带来了对流换热量差异，对流换热量的差异将导致室内空气纵向温度梯度出现差异，为了找出差异，可对测试房间空气温度的纵向梯度进行分析.

由于数据的时间跨度较大，温度波动幅度相对较小，截取3 天的数据进行分析（见图13）.由图13 可知，非WIHP 房间由低到高空气温度逐渐升高，距地250 cm的测点温度最高，与距地50 cm 的测点平均温度差达到了0.79 ℃.除了距地170 cm 和210 cm 的测点温度比较接近，平均温度差仅有0.03 ℃外，随着高度的增加，相邻测点之间的温差逐渐减小.

图13 测试房间中心位置不同高度的温度分布

而对于WIHP 房间，距地50～170 cm 的测点温度随高度增加而升高，和非WIHP 房间相似，同时，各测点的平均温度与非WIHP 房间同测点相比，均有所提高.与非WIHP 房间不同的是，距地170 cm 的测点温度要明显高于距地210 cm 的测点，二者平均温度相差0.1 ℃.而距地250 cm 的测点温度还是高于其他测点，其平均温度较最低处测点提高了0.84 ℃，而与非WIHP 房间最高处测点相比，则提高了0.51 ℃.距地130、90 cm；210、30 cm；170、210 cm 的测点平均温度差值基本一致，均在0.1 ℃左右.

WIHP 房间距地170 cm 的测点正好处在热管冷凝段的中心，热管工作对距地130～210 cm 的测点温度影响相对比较大，而对同处于热管冷凝段，但距离冷凝段中心较远的距地90 cm 和250 cm 的测点温度影响相对较小. WIHP 房间室内纵向温度梯度不同于非WIHP 房间，从而导致了WIHP 房间距地170 cm的测点温度高于距地210 cm 的测点温度.

除室内温度的高低外，空气温度的纵向分布差异也是影响人们热舒适的重要因素.由于人们一般在室内距地200 cm 以下的空间活动，WIHP 房间较低高度的温升更有利于改善人们的热感觉，说明WIHP 对室内温度的影响在冷凝段中心更为明显，有改善室内纵向温度分布的效果.

2.5 WIHP 的节能特性

电量数据能反映出测试房间在测试期间的耗电量变化和WIHP 房间的节能量.电暖器是维持测试房间室温的主要设备，可以通过电暖器和测试仪器的耗电量计算出测试房间在不同时段的耗电量，进而可以计算出WIHP 房间在每个时间段和整个测试期间因热管的存在而节约的能量.

非WIHP 房间仅有电暖器作为房间内热源，而WIHP 房间由于热管的存在减少了房间散热量，使得WIHP 房间的电暖器的工作总时长比非WIHP 房间短，从而WIHP 房间的耗电量比非WIHP 房间小.

图14 为室外空气平均温度、每日平均室外综合温度和热管工作小时数随时间的变化情况. 从图14可知，每日平均室外空气综合温度和WIHP 工作小时数变化趋势相近.1 月15 日至2 月14 日室外空气温度相对较低，相应的室外综合温度也较低，热管工作小时数较少，热管工作状态一般；而2 月15 日至3 月15 日的室外综合温度较高，相应的热管工作小时数也较多，此段时间内热管处于良好的工作状态，能连续多日在室外综合温度达到要求时启动工作，从而降低房间向室外的散热量.

图14 每日平均室外综合温度和热管工作小时数

测试房间不同时间段耗电量对比情况如图15 所示.在室内温度均维持18 ℃，其它围护结构完全相同，只有南向墙体不同的情况下，可认为两个测试房间所消耗的电量差值等同于WIHP 与非WIHP 的传热量差值.WIHP 的传热能力随着热管工作小时数的变化而变化，热管工作小时数越多，其传热能力也越来越强，在测试最后阶段达到了最佳状态，其节能效果也最好.由此可见，WIHP 在冬季最后阶段更能明显降低室内的热负荷，发挥更好的节能效果.

图15 测试房间不同时间段耗电量对比

整个测试期间，WIHP 房间比非WIHP 房间累计节约电量19.51 kW·h.墙体向房间内的传热量直接反映了墙体的节能效果，WIHP 比非WIHP 累计减少热损失1.79 kW·h/m2（南墙面积为10.88 m2）；热管存在累计减少热损失6.1 kW·h/m2（热管管栅冷凝段的面积为3.2 m2）.由此可以看出，在实际环境下，WIHP 可有效利用太阳能，从而降低建筑的供暖热负荷，进而改善室内的热舒适度.