建筑外墻熱特性指標(biāo)計(jì)算分析

李麗 李安邦 徐新華

華中科技大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系

建筑外墻熱特性指標(biāo)計(jì)算分析

李麗 李安邦 徐新華

華中科技大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系

采用理論計(jì)算方法對(duì)多種不同建筑外墻的熱特性指標(biāo)（衰減倍數(shù)與延遲時(shí)間）進(jìn)行了計(jì)算，并將計(jì)算得到的結(jié)果與相關(guān)手冊(cè)中推薦的近似公式計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析了手冊(cè)推薦的簡(jiǎn)化公式的可靠性。結(jié)果表明，兩種方法在計(jì)算衰減倍數(shù)時(shí)的偏差較小，而在計(jì)算延遲時(shí)間時(shí)的偏差很大。

建筑墻體 理論計(jì)算 簡(jiǎn)化公式 衰減倍數(shù) 延遲時(shí)間

0 引言

墻體傳熱的衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間既是評(píng)價(jià)建筑墻體保溫隔熱性能的重要指標(biāo)[1]，也是采用諧波反應(yīng)法計(jì)算由墻體傳熱導(dǎo)致的空調(diào)負(fù)荷的重要參數(shù)。衰減倍數(shù)反映墻體對(duì)溫度波作用的抵抗能力，衰減倍數(shù)越大，其對(duì)溫度波作用的抵抗能力就越強(qiáng)，延遲時(shí)間反映墻體對(duì)溫度波作用的響應(yīng)速率，延遲時(shí)間越大，墻體對(duì)溫度波作用的響應(yīng)速率則越慢。增加墻體的衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間有利于室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定，并可以減少由墻體傳熱導(dǎo)致的空調(diào)負(fù)荷。關(guān)于建筑墻體周期性傳熱的衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間，工程中普遍采用文獻(xiàn)[2]中推薦的簡(jiǎn)化公式進(jìn)行計(jì)算，此公式是20世紀(jì)50年代由蘇聯(lián)什克洛維爾提出的n層板壁的近似計(jì)算公式[3]。

為評(píng)價(jià)文獻(xiàn)[2]中推薦的簡(jiǎn)化公式的可靠性，采用理論計(jì)算方法對(duì)多種不同建筑外墻的熱特性指標(biāo)（衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間）進(jìn)行了計(jì)算，并將計(jì)算得到的墻體周期性傳熱的衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間與手冊(cè)中推薦的簡(jiǎn)化公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。文獻(xiàn)[2]中的熱特性指標(biāo)的簡(jiǎn)化計(jì)算公式是基于周期24 h外擾作用的下得到。

理論計(jì)算法是通過(guò)對(duì)墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱的偏微分方程進(jìn)行拉氏變換得到墻體熱力系統(tǒng)的傳遞矩陣，并采用傳遞矩陣計(jì)算出墻體在某頻率（周期24h）外擾作用下的頻域熱響應(yīng)，從而得到周期24h的正弦室外溫度波傳至墻體內(nèi)表面的衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間。

1 簡(jiǎn)化公式計(jì)算

文獻(xiàn)[2]中，對(duì)于不穩(wěn)定傳熱，熱特性指標(biāo)采用簡(jiǎn)化公式計(jì)算，建筑墻體的總衰減倍數(shù)按式（1）計(jì)算：

圖1 多層圍護(hù)結(jié)構(gòu)層次排列示意圖

建筑墻體的延遲時(shí)間按式（2）計(jì)算：

式中：yk，yk-1分別為空氣間層外表面和空氣間層前一層材料外表面蓄熱系數(shù)，W/(m2·K)；ye為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面蓄熱系數(shù)，W/(m2·K)；Rk為空氣間層熱阻，m2·K/W，Rk=0.16(m2·K)/W；yki為空氣間層內(nèi)表面蓄熱系數(shù)，W/ (m2·K)。

2 理論計(jì)算

以室外溫度為墻體熱力系統(tǒng)的輸入，墻體內(nèi)表面溫度為墻體熱力系統(tǒng)的輸出，則單層墻體熱力系統(tǒng)的傳遞矩陣為：

多層墻體熱力系統(tǒng)的傳遞矩陣為:

墻體的傳熱頻率響應(yīng)是當(dāng)室溫保持為零時(shí)，墻體對(duì)室外側(cè)不同頻率正弦波溫度波幅的衰減倍數(shù)和時(shí)間延遲。在給定室內(nèi)側(cè)溫度T（l,s）和室外側(cè)溫度T（0,s）的條件下，墻體內(nèi)表面處的溫度可經(jīng)式（4）變換推導(dǎo)得到。當(dāng)室溫T（l,s）=0，墻體內(nèi)表面溫度如式（5）所示：

考慮不同周期熱擾下的傳熱頻率響應(yīng)，令S=iω，得到墻體內(nèi)表面對(duì)室外溫度擾量的衰減倍數(shù)為：

式中：|B(iωn)|為復(fù)數(shù)B(iωn)的模。

墻體內(nèi)表面對(duì)室外溫度擾量的延遲時(shí)間為:

3 墻體熱工特性

基于上述兩種計(jì)算方法，選取四種墻體進(jìn)行計(jì)算分析。選取的墻體來(lái)源于文獻(xiàn)[5]中的“Table 19”，表1中墻體2對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)中1#墻體，表1中墻體4對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)中12#墻體。其中墻體1、3是在墻體2、4的基礎(chǔ)上不含空氣夾層的墻體。各種墻體材料的熱物理性能參數(shù)參見(jiàn)表1。

表1 墻體材料熱物理性能參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果與分析

在周期為24 h（ω=π/12）的周期性外擾作用下，采用手冊(cè)公式法和理論計(jì)算法，計(jì)算得到四種墻體的衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間如表2所示。

表2 墻體熱特性指標(biāo)

文獻(xiàn)[5]中，1#墻體（即本文墻體2）的延遲時(shí)間為1.3h，12#墻體（即本文墻體4）的延遲時(shí)間為7.25h。理論計(jì)算法得到的1#墻體的延遲時(shí)間為1.36h，12#墻體的延遲時(shí)間為7.23h，與文獻(xiàn)[5]中給出的延遲時(shí)間數(shù)值非常相近。

兩種計(jì)算方法計(jì)算的四種墻體的衰減倍數(shù)存在一定的差異，但相差不大，最大相對(duì)偏差為6.32%。兩種方法計(jì)算墻體1的延遲時(shí)間相差3.12%，而墻體2（含空氣夾層）的延遲時(shí)間相差12.26%；兩種方法計(jì)算的墻體3和墻體4（含空氣夾層）的延遲時(shí)間都存在較大差異，分別相差142.92%和125.68%。

5 結(jié)論

由計(jì)算結(jié)果可知，手冊(cè)公式法計(jì)算得到的衰減倍數(shù)、延遲時(shí)間與理論計(jì)算法的數(shù)據(jù)存在一定的差異，雖然兩種方法計(jì)算的衰減倍數(shù)差異不大，但是在延遲時(shí)間上存在較大差異，最大相差142.92%。墻體的衰減倍數(shù)與延遲時(shí)間是采用諧波反應(yīng)法計(jì)算通過(guò)建筑墻體逐時(shí)傳熱量時(shí)的重要參數(shù)，所以衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間的計(jì)算選取會(huì)影響由建筑墻體傳熱導(dǎo)致的空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算。由于采用手冊(cè)推薦的公式法計(jì)算墻體延遲時(shí)間會(huì)產(chǎn)生較大的偏差，因此建議在墻體延遲時(shí)間計(jì)算時(shí)采用理論計(jì)算法。

[1]王厚華,莊燕燕,吳偉偉.幾種復(fù)合墻體構(gòu)造的熱工性能數(shù)值分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(5):126-132

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Study of the The rm a l Cha ra c te ris tic Indic e s of Building Exte rna l Wa ll

LI Li,LI An-bang,XU Xin-hua
Department of Building Environment and Energy Application Engineering, Huazhong University of Science and Technology

The thermal characteristic in different building external wall are calculated by using the theoretical method. The calculated decay factor and time lags are then compared with that calculated by using the simplified formula presented by a related manual.The reliability of the simplified formula is analyzed.The results indicate that the deviations between the two methods are not obvious in calculating the decay rates while very great in calculating the time lags.

building envelope,theoretical method,simplified formula,decay factor,time lags

1003-0344（2015）05-006-3

2014-5-22

李安邦（1989～），男，博士研究生；湖北省武漢市洪山區(qū)珞喻路1037號(hào)華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院（430074）；E-mail:LiAnbang@hust.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金（51178201）；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目（NCET110189）；

教育部高等學(xué)校博士點(diǎn)專項(xiàng)基金（20120142110078）