間歇用能模式下外墻內(nèi)保溫的適宜性分析

上海市建筑科學(xué)研究院（集團(tuán)）有限公司 徐 強(qiáng) 潘 黎 王 博

間歇用能模式下外墻內(nèi)保溫的適宜性分析

上海市建筑科學(xué)研究院（集團(tuán)）有限公司 徐 強(qiáng) 潘 黎 王 博

本文對(duì)間歇用能模式下的自保溫、外保溫及內(nèi)保溫的熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，比起外墻自保溫和外保溫這兩種保溫方式，外墻內(nèi)保溫的房間空氣升（降）溫速度更高，墻體蓄熱負(fù)荷更小，節(jié)能效果更明顯，從熱性能的角度而言，間歇用能模式下外墻內(nèi)保溫具有更強(qiáng)的適宜性。

間歇用能墻體保溫；熱反應(yīng)速度；適宜性

引言

間歇式用能模式表現(xiàn)為時(shí)間和空間的間歇，為夏熱冬冷地區(qū)常用的用能模式。上海建科院課題組[1]通過(guò)對(duì)上海地區(qū)高層居住建筑進(jìn)行入戶(hù)調(diào)研，形成了2人住戶(hù)、3人住戶(hù)、5人住戶(hù)的用能模式，以2人住戶(hù)工作日的間歇用能模式為例，8:00-17:00家中無(wú)人空調(diào)關(guān)閉，其他時(shí)間段居民根據(jù)實(shí)際熱感覺(jué)決定所處的房間是否開(kāi)啟空調(diào)。此種方式不同于寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)冬季的持續(xù)用能模式，持續(xù)用能模式下外保溫模式的墻體結(jié)構(gòu)層能夠吸收或釋放熱量，有利于室溫穩(wěn)定及室內(nèi)舒適；而間歇用能地區(qū)建筑墻體結(jié)構(gòu)層的蓄熱會(huì)影響室內(nèi)空氣達(dá)到空調(diào)設(shè)定溫度所需要的時(shí)間及室內(nèi)總冷負(fù)荷。

因此考慮間歇用能模式采用內(nèi)保溫方式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)間歇用能模式下的外保溫、內(nèi)保溫和自保溫進(jìn)行對(duì)比，從熱性能的角度對(duì)內(nèi)保溫的適宜性進(jìn)行分析，同時(shí)為夏熱冬冷地區(qū)外墻保溫方式的選取提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 計(jì)算方法

建筑墻體傳熱是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，室外氣象條件在整個(gè)過(guò)程中具有隨機(jī)性，尤其是室內(nèi)溫濕度變化也具有隨機(jī)性，應(yīng)采用反應(yīng)系數(shù)法求解圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定傳熱。隨時(shí)間連續(xù)變化的擾量曲線(xiàn)離散為按時(shí)間序列分布的等腰三角波擾量，再求解出圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱力系統(tǒng)對(duì)單位單元擾量的反應(yīng)，最后疊加得到房間對(duì)外界擾量的反應(yīng)系數(shù)[2,3]。選取房間升（降）溫反應(yīng)系數(shù)作為研究對(duì)象。房間升（降）溫反應(yīng)系數(shù)即從房間沒(méi)有冷（熱）負(fù)荷時(shí)起，向房間連續(xù)供給單位的冷（熱）量，房間空氣溫度的變化值[4]。

房間升降溫反應(yīng)系數(shù)RT（j）（W/℃）計(jì)算方法如下：

式(1)～(3)中RS() j為房間蓄熱反應(yīng)系數(shù)，℃/W；

N為房間不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面總數(shù)；

Fk為第k面圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面面積，m2；

αk為第k面圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·℃）；

t()

n為室溫，℃；tk()

n為第k面圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，℃；

V為房間體積，m3；

(cρ)r為室內(nèi)空氣的單位熱容，kJ/（m3·℃）；

Δτ為采樣時(shí)間間隔。

1.2 實(shí)驗(yàn)艙

測(cè)試臺(tái)由1個(gè)恒溫防護(hù)熱箱（長(zhǎng)×寬×高= 6.8m×4.9m×3.9m）內(nèi)套2個(gè)相同的對(duì)比測(cè)試箱（長(zhǎng)×寬×高＝2.0m×2.0m×2.4m）組成，防護(hù)箱的作用是維持室內(nèi)恒定的溫度環(huán)境，將測(cè)試箱體和外部環(huán)境隔離。箱體由厚度為50mm的聚氨酯保溫板作為外圍護(hù)保溫墻體，最大程度地阻隔箱體內(nèi)部和外界交換熱量。測(cè)試洞口的窗體直接暴露在空氣中，分別砌成不同保溫方式的墻體，養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境艙

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

墻體保溫系統(tǒng)的各類(lèi)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各墻體保溫系統(tǒng)的各類(lèi)數(shù)據(jù)

分制冷和供熱2種工況，制冷工況設(shè)計(jì)溫度為22℃，供熱工況設(shè)計(jì)溫度為32℃，分別在不同季節(jié)完成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逐時(shí)測(cè)試箱室內(nèi)溫度、內(nèi)表面溫度、外表面溫度、室外溫度、墻體熱流密度，數(shù)據(jù)采集儀1次/1min?？照{(diào)開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間依據(jù)夏熱冬冷地區(qū)居民用能模式的研究結(jié)果[8-9]設(shè)定，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)工況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 內(nèi)保溫、自保溫比較分析

圖2 制冷工況下的內(nèi)、自保溫房間降溫反應(yīng)系數(shù)

圖3制熱工況下的內(nèi)、自保溫房間升溫反應(yīng)系數(shù)

圖2 ，3為內(nèi)保溫、自保溫各自的房間降溫反應(yīng)系數(shù)和升溫反應(yīng)系數(shù)。由圖2可看出，外墻內(nèi)保溫的房間降（升）溫反應(yīng)系數(shù)明顯高于自保溫，表明投入相同冷（熱）量時(shí)，內(nèi)保溫的室內(nèi)溫度下降（上升）更快。另外，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，房間降（升）溫反應(yīng)系數(shù)均增大。

2.2 內(nèi)保溫、外保溫比較分析

圖4 制冷工況下的內(nèi)、外保溫房間降溫反應(yīng)系數(shù)

圖5制熱工況下的內(nèi)、外保溫房間升溫反應(yīng)系數(shù)

圖4 ，5為內(nèi)保溫和外保溫各自的房間降溫反應(yīng)系數(shù)和升溫反應(yīng)系數(shù)。由圖中可看出，外墻內(nèi)保溫的室內(nèi)降（升）溫反應(yīng)系數(shù)明顯高于外保溫。表明投入相同冷（熱）量時(shí)，相比外保溫墻體，內(nèi)保溫的室內(nèi)溫度下降（上升）更快。另一方面，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，房間降（升）溫反應(yīng)系數(shù)均增大。

3 討論

通過(guò)對(duì)間歇用能模式下外墻外保溫、內(nèi)保溫和自保溫的房間熱反應(yīng)速度實(shí)驗(yàn)研究得到，室內(nèi)制冷或制熱時(shí)，外墻內(nèi)保溫箱體的房間降（升）溫反應(yīng)系數(shù)較大。說(shuō)明當(dāng)空調(diào)開(kāi)啟時(shí)，外墻內(nèi)保溫房間降溫/升溫速度較快，更容易達(dá)到設(shè)定溫度，熱舒適感更強(qiáng)。

間歇用能模式下墻體會(huì)產(chǎn)生一定的蓄熱負(fù)荷，對(duì)再次開(kāi)啟空調(diào)時(shí)所需要投入的冷（熱）負(fù)荷有影響。蓄熱負(fù)荷即某時(shí)刻室內(nèi)空氣溫度變位造成房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱，為除去這部分熱量所需投入的冷量，計(jì)算方法如式（3）所示：

式中，Δt：房間溫度的變位量；RT(j)為房間升（降）溫反應(yīng)系數(shù)。

由式（3）中可看出，房間降（升）溫反應(yīng)速度越大，墻體蓄熱負(fù)荷越小。內(nèi)保溫的房間（升）溫反應(yīng)速度相比較其他兩種保溫方式更大，因此內(nèi)保溫墻體蓄熱負(fù)荷最小。另一方面，間歇用能模式的實(shí)際熱負(fù)荷為某時(shí)刻房間的計(jì)算冷（熱）負(fù)荷與某時(shí)刻房間的蓄熱負(fù)荷之和，因此外墻內(nèi)保溫房間的總冷（熱）負(fù)荷更小，節(jié)能效果更好。因此，間歇用能模式下，外墻內(nèi)保溫在熱反應(yīng)速度和蓄熱負(fù)荷這兩個(gè)指標(biāo)上有顯著的優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)為室內(nèi)升（降）溫速度快，蓄熱負(fù)荷小，節(jié)能效果明顯。

目前國(guó)內(nèi)已有研究者從不同角度對(duì)內(nèi)保溫的熱性能進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]針對(duì)間歇用能模式下的住宅墻體熱工性能進(jìn)行了研究，提出不同用能模式下需采用不同的保溫方式。李金等人指出，單次連續(xù)用能8h時(shí)，內(nèi)保溫可以節(jié)能32.94%-60.48%，而外保溫節(jié)能率在0%-5.56%[6]。另有研究針對(duì)夏季自然室溫環(huán)境得到，在夏季夜間通風(fēng)工況下，自然室溫環(huán)境下內(nèi)保溫墻體對(duì)室內(nèi)空氣溫度變化的響應(yīng)最快，通風(fēng)降溫效果最好，對(duì)室內(nèi)熱舒適性最有利，外保溫墻體次之[7]。因此，外墻內(nèi)保溫以其較快的熱反應(yīng)速度和較小的蓄熱負(fù)荷較適宜間歇用能地區(qū)。

但是，也有研究指出內(nèi)保溫存在較明顯的熱橋問(wèn)題[8,9]，有研究選取夏熱冬冷地區(qū)3個(gè)典型城市(上海、武漢、成都)計(jì)算4種不同內(nèi)保溫系統(tǒng)的結(jié)露情況得到，除保溫龍骨+巖棉內(nèi)保溫系統(tǒng)外，其余3種內(nèi)保溫系統(tǒng)均未出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)露現(xiàn)象，證明在該地區(qū)內(nèi)保溫技術(shù)可以推廣[10]。

綜上所述，從熱性能的角度分析可得到，內(nèi)保溫在間歇式用能地區(qū)具備較好的適宜性。

4 結(jié)論

間歇用能模式不同于寒冷地區(qū)的持續(xù)供暖模式，不宜套用寒冷地區(qū)的外墻保溫方式，需因地制宜選取合適的保溫方式。通過(guò)對(duì)外保溫、內(nèi)保溫和自保溫在間歇用能工況下的熱反應(yīng)速度的實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論。

（1）間歇用能工況下，外墻內(nèi)保溫的房間升（降）溫反應(yīng)系數(shù)大于外保溫、自保溫房間，熱響應(yīng)速度更快；內(nèi)保溫墻體的蓄熱負(fù)荷低于外保溫、自保溫墻體，節(jié)能效果更顯著。

（2）從熱性能的角度考慮，內(nèi)保溫較適宜間歇用能模式下的居住建筑。

[1]張文宇，王慧麗，徐強(qiáng)．上海居住建筑實(shí)際用能模式研究與應(yīng)用[J]．第一屆夏熱冬冷地區(qū)綠色建筑技術(shù)論壇論文集:118-121

[2]Kossecka E,Kosnyb J．Influence of insulation configuration on heating and cooling loads in acontinuously used building[J]．Energy And Buildings，2002,34(4):321-331

[3]Kossecka E．Relationships between structure factors,response factors and Z-rransfercoefficients for multi-layer walls[G]//ASHRAE Trans，1998,104 (1):68-77

[4]王蕾．不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱性能對(duì)空調(diào)啟停時(shí)間的影響[D]．太原：太原理工大學(xué)，2003

[5]劉曉慶．間歇空調(diào)運(yùn)行模式下住宅墻體熱工性能研究[D]．重慶：重慶大學(xué)，2011

[6]李金．夏熱冬冷地區(qū)居住建筑保溫墻體節(jié)能效果分析[D]．杭州：浙江大學(xué)，2013

[7]周業(yè)培．夏熱冬冷地區(qū)自然室溫環(huán)境下住宅墻體熱工性能研究[D]．重慶：重慶大學(xué)，2012

[8]方泉強(qiáng)．小議外墻內(nèi)保溫?zé)針虻某梢蚣疤幚泶胧J]．福建建設(shè)科技，2011(4)：25-27

[9]梁望崧．外墻內(nèi)保溫系統(tǒng)在高層住宅中的應(yīng)用[J]．山西建筑，2012，38（4）：217-218

[10]李世元．夏熱冬冷地區(qū)居住建筑外墻內(nèi)保溫技術(shù)適宜性研究[D]．杭州：浙江大學(xué)，2011

Suitability Analysis of Exterior-Walls WithInternalthermal Insulations Under Intermittent Energy-Using Mode

Xu qiang,Pan li,Wangbo

The intermittent energy-using mode is represent asthe intermittent of time and space,which is different from the continually energy-using mode in extremely cold area, therefore a suitable type of thermal insulation systemneed to be selected.In this research, thermal characteristics of self-thermal insulation,exterior thermal insulation and internal thermal insulationunder the intermittent energy-using modewere analyzed through experiment. The results showed thatinternal insulation has ahigher heat reaction rate and lower heat storage under air-conditioning or heating environments，and more energy-saving.The thermal characteristics implied that internal thermal insulationshas was more suitable in intermittent energy-using area.

Intermittent energy-using，wall thermal insulation,heat reaction rate,suitability analysis

課題受?chē)?guó)家“十二五”科技支撐項(xiàng)目“上海氣候適應(yīng)型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能體系研究與集成示范（2011BAJ03B01）”資助

徐強(qiáng)，男，1961.3，總工程師，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事建筑科學(xué)技術(shù)與管理工作。