保溫方式對(duì)磚墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)凈得熱量的影響

胡先霞，李 賀，亢燕銘，鐘 珂

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620)

長(zhǎng)江下游地區(qū)的氣候類型為亞熱帶季風(fēng)氣候，冬季氣候陰冷潮濕，室外最低溫度一般為0 ℃。為維持室內(nèi)舒適的熱環(huán)境，通常需要大量能耗。目前，很多研究[1-6]從圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能對(duì)建筑節(jié)能的影響角度著手，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱行為進(jìn)行了分析比較。

劉倩等[1]利用DeST軟件比較了上海某住宅建筑不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱方式對(duì)采暖、空調(diào)及全年總能耗的節(jié)能率的影響，結(jié)果表明良好的保溫方式對(duì)冬季采暖節(jié)能率有明顯影響；李兆堅(jiān)等[2]研究了建筑保溫性能與空調(diào)冷熱負(fù)荷和能耗的關(guān)系，結(jié)果表明增強(qiáng)建筑保溫性能會(huì)使空調(diào)加熱能耗降低；胡達(dá)明等[3]采用反應(yīng)系數(shù)法研究了夏熱冬暖地區(qū)墻體內(nèi)、外保溫方式對(duì)隔熱性能的影響；孔凡紅等[4]模擬分析了夏熱冬冷地區(qū)相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)和外保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)的適用性；Constantinos等[5]利用等效滿負(fù)荷小時(shí)(EFLH)方法研究了香港、首爾、東京三大亞洲城市幾十年來(lái)溫度變化對(duì)居住建筑冷卻和加熱能耗的影響；王曉騰等[6]研究了保溫層位置對(duì)鋼筋混凝土建筑的南外墻太陽(yáng)能吸收狀況的影響。上述研究均表明，墻體保溫和太陽(yáng)能的有效利用可以明顯增大冬季墻體得熱量，從而減少供暖能耗。

實(shí)際中，氣候條件隨時(shí)間不斷變化，因此墻體與外界換熱情況，不僅與當(dāng)時(shí)的室內(nèi)外氣溫和太陽(yáng)輻射有關(guān)，還與前期天氣影響的墻體本身溫度有關(guān)。故連續(xù)陰天之后，墻體凈得熱量與室外氣溫和晴天持續(xù)天數(shù)均有關(guān)系。為此，本文將在不同室外氣溫和持續(xù)日照天數(shù)條件下，研究保溫層位置對(duì)廣泛使用的磚墻體凈得熱量的影響。

文獻(xiàn)[6-7]均采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法模擬了單個(gè)房間墻體熱容對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響；Barmpas等[8]結(jié)合太陽(yáng)得熱，采用CFD對(duì)不同材料組合的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱行為進(jìn)行了三維模擬，并與TRNSYS模擬軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。上述研究表明，CFD模擬可以得出較準(zhǔn)確的結(jié)果，故本文擬利用此方法進(jìn)行研究。

1 計(jì)算方法與模型

1.1 計(jì)算方法

本文以上海地區(qū)的居住建筑和氣候條件為研究對(duì)象，采用有限容積法控制離散方程，并用二階迎風(fēng)格式對(duì)離散方程進(jìn)行差分，依托FLUENT 6.3.26的計(jì)算程序，對(duì)冬季建筑南墻的傳熱行為進(jìn)行研究分析。為簡(jiǎn)化FLUENT的計(jì)算工作量，本文采用了當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算方法，將壁面與空氣的對(duì)流換熱等效成導(dǎo)熱進(jìn)行模擬計(jì)算。

太陽(yáng)輻射對(duì)墻體的加熱作用受到墻體初始溫度及空間分布的影響，為此首先需要對(duì)所有工況進(jìn)行連續(xù)陰天的模擬，直至墻體溫度分布特征脫離人為設(shè)定的初始條件的影響，達(dá)到周期性穩(wěn)定狀態(tài)；隨后，在晴朗天氣條件下，對(duì)太陽(yáng)輻射(包括直射輻射和散射輻射)作用下的墻體傳熱過(guò)程進(jìn)行連續(xù)數(shù)天的模擬計(jì)算。具體工況如表1所示。

表1 模擬的工況Table 1 Simulated cases

1.2 計(jì)算模型和邊界條件設(shè)置

本文采用的物理模型為上海地區(qū)某5層高的居住建筑，其幾何尺寸為長(zhǎng)(L)×寬(W)×高(H)=15 m× 15 m× 15 m。選擇建筑南向中間房間(進(jìn)深×寬×高=4.0 m×3.6 m×2.9 m)為研究對(duì)象，南墻為房間唯一的外墻，窗墻比為2∶5，計(jì)算模型如圖1(a)所示。為降低計(jì)算工作量，通過(guò)將圖中深灰色區(qū)域視作對(duì)稱面，取深灰色面中間部分(見(jiàn)圖1(b))設(shè)為FLUENT模擬對(duì)象，如此可考慮到太陽(yáng)輻射對(duì)建筑內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度影響。計(jì)算中設(shè)時(shí)間步長(zhǎng)為10 s，每15步改變一次計(jì)算域入口溫度(即室外氣溫)和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。

(a)(b)圖1 計(jì)算模型Fig.1 The computational model

文獻(xiàn)[9]給出了中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心上海地區(qū)累年日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為得出更為全面的試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)文獻(xiàn)[9]的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，室外氣溫最低溫度分別取-1.0、 1.5、 4.0和6.5 ℃，氣溫日較差均為8 ℃，室外氣溫和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的逐時(shí)變化曲線見(jiàn)圖2。室內(nèi)空氣溫度始終維持在18 ℃，模擬對(duì)象相鄰房間室內(nèi)氣溫同樣為18 ℃。

圖2 室外氣候條件Fig.2 Outdoor climate conditions

長(zhǎng)江下游地區(qū)的低層和多層居住建筑廣泛采用成本低且施工簡(jiǎn)單的磚墻結(jié)構(gòu)，故本文研究的墻體結(jié)構(gòu)層為磚墻，抹灰層材料為水泥砂漿，保溫層材料為泡沫聚苯乙烯，主要材料物性參數(shù)列于表2[10]中。分別采用內(nèi)保溫和外保溫方式，墻體構(gòu)造見(jiàn)圖3。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料物性參數(shù)Table 2 Physical properties of materials and thickness of building envelope

(a) 內(nèi)保溫 (b) 外保溫圖3 墻體構(gòu)造圖Fig.3 Profile map of the wall structure

1.3 計(jì)算模型的驗(yàn)證

文獻(xiàn)[11]對(duì)比了西班牙Vigo地區(qū)一建筑南墻外表面溫度在太陽(yáng)輻射作用下的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬值，得到了較為吻合的結(jié)果。為保證上述計(jì)算方法在數(shù)值模擬中的可靠性，參照文獻(xiàn)[11]的模擬細(xì)節(jié)，利用本文所用的方法進(jìn)行模擬，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 本文模擬的南墻溫度與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparisons of temperature on the south wall surface simulated in this paper and the measured results

由圖4可以看出，與文獻(xiàn) [11]模擬的結(jié)果相比，本文模擬的結(jié)果更接近實(shí)測(cè)的溫度值。這說(shuō)明本文的計(jì)算模型和方法是可靠的。

2 結(jié)果與分析

2.1 南墻平均溫度的分布特征

冬季，建筑南墻受太陽(yáng)輻射的影響最大，南外墻的平均溫度在晴天持續(xù)5 d條件下的逐時(shí)變化特征如圖5所示。

(a) 內(nèi)保溫

(b) 外保溫圖5 磚墻逐時(shí)平均溫度變化曲線Fig.5 Curves of the average temperature ofbrick wall changing over time

對(duì)比圖5(a)和5(b)可以得出，兩種保溫方式下的南墻平均溫度均隨時(shí)間呈周期性波動(dòng)。不同之處在于，內(nèi)保溫南墻平均溫度的波動(dòng)范圍更大，波動(dòng)幅度可達(dá)到6.5 ℃，而外保溫墻體的波幅只有1.5 ℃。另外還可以看到，室外空氣溫度每升高2.5 ℃，內(nèi)保溫南墻的平均溫度增加2.0 ℃左右，而外保溫南墻的平均溫度僅僅升高0.6 ℃，遠(yuǎn)低于內(nèi)保溫。

造成上述現(xiàn)象的原因：內(nèi)保溫墻體的外側(cè)為導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)較高的磚墻結(jié)構(gòu)層，晝間可吸收太陽(yáng)輻射用于加熱整個(gè)結(jié)構(gòu)層，夜間大量熱量又散發(fā)出去；而外保溫墻體外側(cè)則為導(dǎo)熱系數(shù)較小的保溫層，晝間阻礙了太陽(yáng)能熱量向磚墻結(jié)構(gòu)層傳遞，夜間又起到良好的隔熱作用，故減少了墻體溫度的波動(dòng)幅度。

為進(jìn)一步分析不同保溫方式墻體的空間溫度分布特征，對(duì)兩種保溫方式下南墻在11:00和23:00的空間溫度分布進(jìn)行分析，其特征圖如圖6所示。圖中橫坐標(biāo)為南墻任一點(diǎn)距其外表面的水平距離。

(a) 內(nèi)保溫τ=11:00 (b) 內(nèi)保溫τ=23:00

(c) 外保溫τ=11:00 (d) 外保溫τ=23:00圖6 典型時(shí)刻南墻空間溫度分布Fig.6 Space temperature distribution of the southwall at typical moments

從圖6可以看出，無(wú)論何種保溫方式，南墻內(nèi)表面溫度均變化較小，始終接近18 ℃，而外表面溫度波動(dòng)較大。圖6表明：內(nèi)保溫時(shí)，整個(gè)磚墻結(jié)構(gòu)層的溫度受室外氣溫影響很大，并隨著氣候條件的晝夜變化而劇烈變化；外保溫時(shí)，磚墻結(jié)構(gòu)層溫度波動(dòng)很小，受室外氣溫影響也較小，僅保溫層溫度隨著外部環(huán)境發(fā)生劇烈變化，外保溫層的隔熱作用導(dǎo)致太陽(yáng)輻射對(duì)墻體結(jié)構(gòu)層溫度的影響不大。

2.2 不同保溫方式下的磚墻凈得熱量情況比較

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量(qτ)由墻體對(duì)太陽(yáng)能的吸收量和墻體外表面與室外空氣對(duì)流換熱損失的熱量共同決定，可以表示為

qτ=(Id， τ+Ir， τ)α+hout(te， τ-tτ)

(1)

式中：Id，τ、Ir，τ分別為τ時(shí)刻到達(dá)南墻外表面的太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度和散熱輻射強(qiáng)度，W/m2；α為南墻外表面吸收系數(shù)，取0.73；hout為南墻外表面的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；te，τ、tτ分別為τ時(shí)刻室外空氣溫度和南墻外表面溫度，K。

為便于比較不同保溫方式的墻體凈得熱通量的變化特征，在室外空氣最低溫度te，min=-1 ℃工況下，對(duì)內(nèi)、外保溫墻體的凈得熱通量隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7 te，min=-1 ℃時(shí)磚墻凈得熱通量Fig.7 The net heating quantity of brick wall when the lowest air temperature is -1 ℃

由圖7可以看出，墻體在白天得熱為正，處于吸熱狀態(tài)，夜間反之。內(nèi)保溫墻體最大凈得熱量約為150 W/m2，最小為-100 W/m2，外保溫墻體最大和最小凈得熱量分別為50和-70 W/m2，內(nèi)保溫的波動(dòng)幅度約為外保溫的兩倍。外保溫墻體每天的得熱量情況基本保持穩(wěn)定，與連續(xù)日照天數(shù)無(wú)關(guān)，而內(nèi)保溫呈周期性下降趨勢(shì)，并于第三天達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。其他工況情況類似，不再贅述。

為進(jìn)一步研究保溫方式對(duì)建筑南墻白天吸收太陽(yáng)能情況和夜間熱損失的總體影響，需要分別計(jì)算出南墻晝間得熱總量Qsun，1和夜間散熱總量Qsun，2。已知計(jì)算日當(dāng)天的日出時(shí)間為7:00，日落時(shí)間為17:00，則計(jì)算公式如式(2)和(3)所示。

(2)

(3)

不同室外空氣溫度和保溫方式時(shí)，南墻溫度場(chǎng)達(dá)到周期穩(wěn)定狀態(tài)(連續(xù)日照第五天)時(shí)的晝間得熱總量和夜間散熱總量柱狀圖如圖8所示。

從圖8(a)中可以看出，內(nèi)保溫時(shí)南墻晝間得熱總量隨著室外氣溫的增加而增加，外保溫的晝間得熱總量變化不明顯。而圖8(b)表明，內(nèi)保溫墻體的夜間散熱總量變化則是隨室外氣溫的增加而減少，同時(shí)，外保溫南墻的夜間散熱總量仍不隨室外氣溫而明顯改變，且散熱總量低至內(nèi)保溫時(shí)的1/4。

(a) 晝間得熱總量

(b) 夜間散熱總量圖8 南墻的晝間得熱總量和夜間散熱總量Fig.8 The total heating quantity during daytime andtotal heat dissipation at night of the south wall

綜上所述可知：內(nèi)保溫磚墻雖然晝間得熱量多，但其夜間損失的熱量更大；而外保溫磚墻雖然晝間對(duì)太陽(yáng)能的得熱量少，但夜間散發(fā)到大氣中的熱量也較少。

墻體全天凈得熱總量將最終影響供暖能耗。室外空氣溫度不同時(shí)兩種保溫方式的磚墻全天凈得熱總量隨日照時(shí)間的變化曲線圖如圖9所示。圖9表明，在連續(xù)晴天條件下，僅日照第一天內(nèi)保溫磚墻的凈得熱總量高于外保溫，隨著日照時(shí)間的增加，外保溫磚墻的凈得熱總量幾乎保持不變，而內(nèi)保溫時(shí)的凈得熱總量隨之減少，并于第二天或第三天開(kāi)始低于外保溫墻體的凈得熱量。

圖9 南墻全天凈得熱量隨日照天數(shù)的變化Fig.9 All-day variations of net heating quantity of thesouth wall with the sunshine-days

從圖9(a)還可以看出，室外氣溫越低，墻體得熱量越少，外保溫磚墻相對(duì)于內(nèi)保溫磚墻的得熱量增值越大?？梢哉J(rèn)為外保溫磚墻在冬季的保溫效果優(yōu)于內(nèi)保溫，且室外氣溫越低，優(yōu)勢(shì)越明顯。

為進(jìn)一步分析外保溫方式的優(yōu)勢(shì)，本文以外保溫墻體全天凈得熱總量為基準(zhǔn)，定義外保溫磚墻相對(duì)于內(nèi)保溫的增加率η為

(4)

式中：Qe， sun和Qi， sun分別為外保溫和內(nèi)保溫墻體的全天凈得熱總量。室外氣溫不同時(shí)，η隨日照時(shí)間的變化規(guī)律如圖10所示。

圖10 外保溫凈得熱總量的增加率Fig.10 The increase rate of net heating quantity of external insulation way

由圖10可知，就凈得熱總量而言，日照第一天外保溫墻體并無(wú)優(yōu)勢(shì)，凈得熱增加率甚至為-300%，并且受室外氣溫影響很大。但在連續(xù)晴天3 d后，外保溫磚墻的凈得熱總量比內(nèi)保溫方式多出近70%，且不隨室外氣溫的改變而改變。這是因?yàn)樵谶B續(xù)日照3 d(即內(nèi)保溫墻體外表面溫度實(shí)現(xiàn)平衡)后，造成內(nèi)外保溫墻體的凈得熱量差別的原因，主要是墻體吸收的太陽(yáng)能不同，故與室外氣溫?zé)o關(guān)，但在內(nèi)保溫墻體溫度周期性穩(wěn)定之前(即第一、二個(gè)晴天)，內(nèi)保溫墻體溫度較低，對(duì)流散熱量較小，使得墻體實(shí)際得到太陽(yáng)能較多。同時(shí)由于對(duì)流散熱量受室外氣溫影響大，故此時(shí)內(nèi)外保溫墻體的凈得熱量差別與室外氣溫有關(guān)。

因此，可以認(rèn)為對(duì)于冬季日照較充足的地區(qū)，持續(xù)晴朗天數(shù)較長(zhǎng)，磚外墻采用外保溫方式更加有利于該地區(qū)建筑節(jié)能。

3 結(jié) 語(yǔ)

墻體與外界換熱情況，不僅與當(dāng)時(shí)的室內(nèi)外氣候條件有關(guān)，還與墻體本身溫度有關(guān)。本文針對(duì)連續(xù)陰天之后，墻體在太陽(yáng)輻射作用下的凈得熱量與室外氣溫和晴天持續(xù)天數(shù)的關(guān)系，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行了詳細(xì)研究，主要得到以下結(jié)論：

(1) 內(nèi)保溫時(shí)，磚墻結(jié)構(gòu)層的溫度受室外氣溫影響很大，并隨著氣候條件的晝夜變化而劇烈變化；外保溫時(shí)，磚墻結(jié)構(gòu)層溫度波動(dòng)很小，受室外氣溫影響也較小。

(2) 內(nèi)保溫磚墻的晝間得熱量雖大，但夜間散熱量也多，全天凈得熱總量隨日照天數(shù)的增加而減少；外保溫墻體在外側(cè)保溫層的作用下，晝間吸收的太陽(yáng)能和夜間對(duì)流散熱量均較小，并且與連續(xù)日照天數(shù)無(wú)關(guān)。

(3) 日照第一天外保溫墻體并無(wú)節(jié)能優(yōu)勢(shì)，在連續(xù)晴天3 d及以后，外保溫磚墻的凈得熱總量比內(nèi)保溫方式多出近70%，且不隨室外氣溫的改變而改變。

綜上，冬季持續(xù)晴朗天數(shù)較長(zhǎng)的地區(qū)，磚外墻采用外保溫方式更加有利于該地區(qū)建筑節(jié)能；對(duì)于少有連續(xù)晴天的地區(qū)，則內(nèi)保溫有利于減小供暖能耗。