空調(diào)間歇運(yùn)行模式下典型飾面內(nèi)墻節(jié)能率研究

王索，毛偉，胡勇兵，2，陳泳帆，宋曉東，龍恩深

（1.中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039；2.重慶富源人力資源管理服務(wù)有限公司，重慶 400039；3.四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

自行打開或關(guān)閉室內(nèi)空調(diào)設(shè)備來調(diào)節(jié)室內(nèi)熱濕環(huán)境的節(jié)能運(yùn)行方式稱為空調(diào)間歇運(yùn)行模式。這種空調(diào)控制方式在夏熱冬冷及夏熱冬暖地區(qū)的居住建筑中非常普遍（占90%以上），而且在賓館、辦公樓、教學(xué)實(shí)驗(yàn)大樓等非集中空調(diào)的公共建筑中也大量存在[1]。與現(xiàn)行規(guī)范[2-5]“全部時(shí)間，全部空間”的計(jì)算模式不同，間歇運(yùn)行模式具有“部分空間、部分時(shí)間”的特點(diǎn)。

在該種模式下，建筑內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)（內(nèi)墻、內(nèi)門、內(nèi)窗、樓板等）變成了“準(zhǔn)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)”。相較于建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，建筑的內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積更大，影響因素也更多（如人員活動(dòng)、照明、設(shè)備、空調(diào)運(yùn)行模式等）。有研究表明[6-8]，內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗遠(yuǎn)大于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如果建筑內(nèi)墻全部設(shè)置內(nèi)保溫，節(jié)能率將提高40.2%～77.5%。

對此，筆者就間歇空調(diào)條件下勻質(zhì)建筑內(nèi)墻的蓄熱特性進(jìn)行研究[9]，發(fā)現(xiàn)在4～6 h 以內(nèi)的間歇運(yùn)行條件下，建筑內(nèi)墻主要處于蓄熱狀態(tài)，熱量主要蓄存在墻體的表層（蓄冷量占傳入總量的60%），如擾動(dòng)側(cè)（空調(diào)側(cè)）墻面的飾面材料的導(dǎo)熱系數(shù)、體積比熱容小于墻體則可以有效降低墻體的表面熱流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。作為該問題的延續(xù)性探究，本文結(jié)合實(shí)際工程中建筑內(nèi)墻的構(gòu)造特點(diǎn)——基層（實(shí)心/空心）+找平層+裝飾面層構(gòu)成的多層非勻質(zhì)材料，遴選出典型的建筑內(nèi)墻構(gòu)造，研究其在典型的空調(diào)間歇運(yùn)行模式時(shí)的蓄放熱特性?；诖耍糠治鰤w輕質(zhì)表層材料（本文選用木飾面材料）對于墻體蓄放熱及節(jié)能的影響，為建筑節(jié)能工程實(shí)踐提供參考。

1 典型建筑內(nèi)墻物理模型的建立

1.1 典型建筑內(nèi)墻

本文遴選的5種典型內(nèi)墻構(gòu)造：混凝土墻體（HNT）；發(fā)泡混凝土墻體（FPHNT）；飾面發(fā)泡混凝土墻體（SM-FPHNT）；空心磚墻體（KXZ）；飾面空心磚墻體（SM-KXZ）。如圖1所示。

圖1 5種典型內(nèi)墻構(gòu)造示意

本文將以上墻體分為實(shí)心墻體對照組：混凝土墻體、發(fā)泡混凝土墻體、飾面發(fā)泡混凝土墻；空心磚墻體對照組：混凝土墻體、空心磚墻體、飾面空心磚墻體。對2 組進(jìn)行比較分析。

1.2 墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱物理模型建立

墻體基本傳熱模型如圖2所示，墻體兩側(cè)為第3 類邊界條件，對流換熱系數(shù)為8.7 W/（m2·K），上下為絕熱邊界條件?；鶋υO(shè)置為勻質(zhì)墻體或空心磚墻體，其中空心磚空腔內(nèi)的空氣滿足Boussinseq 假設(shè)，輻射模型采用DO 模型?？招拇u模型設(shè)置62293 個(gè)網(wǎng)格并在空腔區(qū)域加密，有較好的網(wǎng)格獨(dú)立性。兩側(cè)的氣流溫度值以實(shí)驗(yàn)室的實(shí)測溫度作為輸入條件，計(jì)算時(shí)間步長為5 min，共計(jì)算4 d，取最后1 d 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以消除初始溫度的影響。表1所示為以上5種典型墻體所涉及材料的物性參數(shù)。

圖2 簡化二維物理模型示意

表1 墻體材料物理參數(shù)

2 典型空調(diào)間歇模式及其實(shí)驗(yàn)

李彥儒等[10]采用問卷調(diào)查的方法研究了居住建筑和辦公建筑空調(diào)間歇運(yùn)行的典型模式，通過對全國210 份調(diào)查問卷間歇分析得出了4種典型間歇模式：辦公10 h 模式、辦公4+4 h 模式、居家1+2+3 h 模式、居家2+2 h 模式（如圖3 灰色區(qū)域所示）。

針對這4種間歇運(yùn)行模式，筆者于2015年8月利用鄰室傳熱實(shí)驗(yàn)平臺間歇模擬運(yùn)行（如圖4所示），其中本室側(cè)分體式空調(diào)設(shè)置20 ℃，鄰室側(cè)自然狀態(tài)。該兩處房間僅一層公用一面墻，其余墻體均為外墻且無窗，兩側(cè)的氣溫波動(dòng)情況如圖3所示，該溫度值作為前述墻體計(jì)算模型的計(jì)算邊界條件。

圖3 間歇啟停模式及模擬運(yùn)行溫度

圖4 建筑內(nèi)墻蓄放熱實(shí)驗(yàn)照片及簡化示意

3 分析與討論

本室空調(diào)開啟后，氣溫降低，空調(diào)冷量通過墻體向鄰室傳遞（文中以負(fù)值表示傳冷）。針對空調(diào)啟動(dòng)時(shí)段內(nèi)，本室側(cè)累積向墻體內(nèi)傳遞的冷量作為表征，以分析墻體構(gòu)造、飾面材料的節(jié)能效果。節(jié)能率均以混凝土墻體為基準(zhǔn)參考，表征本室空調(diào)冷量節(jié)約量的百分比。

3.1 辦公10 h 啟停模式

辦公10 h 啟停模式典型墻體傳熱量的統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 辦公10 h 啟停模式典型墻體傳熱量的統(tǒng)計(jì)

從表2 可以看出，在實(shí)心對照組中，發(fā)泡混凝土墻體與飾面發(fā)泡混凝土墻體全天節(jié)能率分別為61.0%和60.2%，在該種工況下，發(fā)泡混凝土墻體飾面與否節(jié)能率差異不大。在空心墻材對照組中，空心磚墻體與飾面空心磚墻體全天節(jié)能率分別為32.3%和38.4%，復(fù)合飾面材料后節(jié)能率提高6.1 個(gè)百分點(diǎn)。飾面發(fā)泡混凝土墻體比飾面空心磚墻體節(jié)能率提升21.8 個(gè)百分點(diǎn)。

3.2 辦公4+4 h 啟停模式

辦公4+4 h 啟停模式典型墻體的傳熱量的統(tǒng)計(jì)見表3。

從表3 可以看出，在實(shí)心墻體對照組中，發(fā)泡混凝土墻體與飾面發(fā)泡混凝土墻體全天節(jié)能率分別為47.5%和51.9%，復(fù)合飾面材料后節(jié)能率提高4.4 個(gè)百分點(diǎn)。在空心墻體對照組中，空心磚墻體與飾面空心磚墻體全天節(jié)能率分別為26.0%和34.7%，復(fù)合飾面材料后節(jié)能率提升8.7 個(gè)百分點(diǎn)。在2 個(gè)對照組中，14：00～18：00 時(shí)間段內(nèi)的的節(jié)能率要高于08：00～12：00 時(shí)段。飾面發(fā)泡混凝土墻體比飾面空心磚墻體全天節(jié)能率提升17.2 個(gè)百分點(diǎn)。

表3 辦公4+4 h 啟停模式典型墻體的傳熱量的統(tǒng)計(jì)

3.3 居家1+2+3 h 啟停模式

居家1+2+3 h 模式典型墻體的傳熱量的統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 居家1+2+3 h 模式典型墻體的傳熱量的統(tǒng)計(jì)

從表4 可以看出，在實(shí)心墻體對照組中，發(fā)泡混凝土墻體與飾面發(fā)泡混凝土墻體全天節(jié)能率分別為30.3%和39.5%，復(fù)合飾面材料后節(jié)能率提升9.2 個(gè)百分點(diǎn)。在空心墻體對照組中，空心磚墻體與復(fù)合飾面材料的空心磚墻體全天節(jié)能率分別為18.9%和31.0%，復(fù)合飾面材料后節(jié)能率提升12.1 個(gè)百分點(diǎn)。在2 組對照組中，07：00～8：00 時(shí)段的節(jié)能率最低。飾面發(fā)泡混凝土墻體比飾面空心磚墻體全天節(jié)能率提升8.5 個(gè)百分點(diǎn)。

3.4 居家2+2 h 啟停模式

居家2+2 h 模式墻體的傳熱量的統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 居家2+2 h 模式墻體的傳熱量的統(tǒng)計(jì)

從表5 可以看出，在實(shí)心墻體對照組中，發(fā)泡混凝土墻體與飾面發(fā)泡混凝土墻體全天節(jié)能率分別為25.2%和34.6%，復(fù)合飾面材料后節(jié)能率提升9.4 個(gè)百分點(diǎn)。在空心墻體對照組中，空心磚墻體與飾面空心磚墻體全天節(jié)能率分別為15.4%和28.3%，復(fù)合飾面材料后節(jié)能率提升12.9 個(gè)百分點(diǎn)。飾面發(fā)泡混凝土墻體比飾面空心磚墻體節(jié)能率提升6.3 個(gè)百分點(diǎn)。

4 結(jié)論與展望

建立了5種典型建筑內(nèi)墻物理數(shù)學(xué)模型，在4種間歇空調(diào)運(yùn)行氣溫?cái)?shù)據(jù)下模擬計(jì)算，針對其節(jié)能特性得出如下結(jié)論：

（1）在文中所述的4種間歇模式下，發(fā)泡混凝土和空心磚墻體較混凝土墻體都能較好地降低室內(nèi)能耗。此外，在辦公4+4 h 模式、居家1+2+3 h 模式、居家2+2 h 下，復(fù)合輕質(zhì)的飾面材料后都可以進(jìn)一步的提升節(jié)能率。

（2）飾面材料的厚度占墻體厚度不足4%，熱阻提升量不到0.5%（根據(jù)表1 折算），但對于實(shí)心墻體，復(fù)合輕質(zhì)的飾面材料后，可以進(jìn)一步提升節(jié)能率；對于空心磚墻體，提升效果更為明顯。

（3）復(fù)合輕質(zhì)的飾面材料在壁面的這種做法對于提升節(jié)能率，居家1+2+3 h 模式>居家2+2 h 模式>辦公4+4 h 模式>辦公10 h 模式。間歇頻次越高、間隙時(shí)間越短，飾面材料的節(jié)能效果越明顯。

（4）間歇采暖空調(diào)運(yùn)行尤其是短間歇運(yùn)行的的建筑裝飾工程中，僅需選用飾面、軟包、墻紙等輕質(zhì)的內(nèi)墻飾面材料墻，就可以起到一定的節(jié)能效果，而且?guī)缀醪辉黾映杀驹靸r(jià)，對于建筑節(jié)能工作具有一定的實(shí)際意義。