夏熱冬冷地區(qū)不同構(gòu)造形式外墻動態(tài)傳熱特性分析*

重慶大學(xué) 國家級低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心 綠色建筑與人居環(huán)境 營造教育部國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 續(xù) 璐 丁 勇

0 引言

目前，我國建筑運(yùn)行總商品能耗已占全國能源消耗總量的20%[1]，通過降低建筑能耗來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減碳，是降低社會總能耗的重要突破口。而相關(guān)研究表明，通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)可節(jié)能25%左右[2]，是建筑節(jié)能減碳的重要組成部分。受歷史條件、政策等多方面的影響，夏熱冬冷地區(qū)不同類型建筑在冬、夏季存在供暖、空調(diào)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行、間歇運(yùn)行等不同運(yùn)行模式，使得該地區(qū)建筑非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)傳熱邊界條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于僅按單季節(jié)、單向傳熱或近似穩(wěn)態(tài)傳熱來考慮的北方集中供暖地區(qū)，也導(dǎo)致該地區(qū)建筑外墻的傳熱特性不同于北方地區(qū)。由此在進(jìn)行該地區(qū)建筑熱環(huán)境營造時(shí)，如果僅從熱環(huán)境營造的某單一過程入手，而不從建筑熱過程整體考慮分析技術(shù)的節(jié)能路徑與適用性，將無法保證預(yù)期節(jié)能效果[3]。因此，分析該地區(qū)建筑外墻的傳熱特性，可為指導(dǎo)該地區(qū)滿足不同熱環(huán)境需求的外墻熱工性能設(shè)計(jì)提供理論研究基礎(chǔ)，也是該地區(qū)構(gòu)建適宜的室內(nèi)熱環(huán)境營造技術(shù)的基礎(chǔ)。

已有學(xué)者對夏熱冬冷地區(qū)間歇制冷、間歇供暖條件下，不同構(gòu)造形式墻體的動態(tài)熱過程進(jìn)行了研究。高珂指出在夏熱冬冷地區(qū)一天內(nèi)空調(diào)間歇運(yùn)行模式下，內(nèi)保溫墻體的節(jié)能效果優(yōu)于外保溫墻體[4]；朱巖巖指出在夏熱冬冷地區(qū)間歇制冷、間歇供暖條件下，內(nèi)保溫墻體比外保溫墻體全年節(jié)能10%左右[5]；牟林森指出在夏熱冬冷地區(qū)內(nèi)外組合保溫外墻的節(jié)能性優(yōu)于內(nèi)保溫墻體及外保溫墻體，并得出使得全壽命周期成本最低的內(nèi)外組合保溫墻體的內(nèi)側(cè)保溫層厚度為20 mm，外側(cè)保溫層厚度為40 mm[6]。筆者所在課題組前期分析了夏熱冬冷地區(qū)夏季室內(nèi)間歇制冷狀態(tài)及自然室溫狀態(tài)下外保溫、內(nèi)保溫和自保溫3種墻體的動態(tài)熱工性能，得出在間歇制冷條件下，外保溫墻體的隔熱性能最好，墻體內(nèi)表面溫度峰值最低；在自然室溫狀態(tài)下，內(nèi)保溫墻體的隔熱性能最好，墻體內(nèi)表面溫度峰值最低[2,7-8]。總結(jié)來看，現(xiàn)有研究僅對不同構(gòu)造形式墻體在間歇制冷、間歇供暖條件下的節(jié)能特性進(jìn)行了研究，而對不同構(gòu)造形式墻體傳熱特性的研究不足；并且當(dāng)前能耗模擬軟件，如EnergyPlus等，多是針對長周期的能耗模擬，在模擬軟件設(shè)置時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱數(shù)值模型均按穩(wěn)態(tài)熱工性能參數(shù)考慮，但由于缺乏對墻體在動態(tài)傳熱邊界條件下的熱工特性動態(tài)變化的考慮，因此如用這些模擬軟件進(jìn)行短周期的能耗模擬，其結(jié)果準(zhǔn)確性值得考究。而在筆者所在課題組的前期研究中，由于測試條件的局限性，所搭建的測試平臺將3種不同構(gòu)造形式墻體置于測試房間的同一面外墻，這樣室內(nèi)溫度為室外綜合溫度波同時(shí)經(jīng)3種墻體衰減后的狀態(tài)，使得采用該測試平臺得出的通過外墻傳入/傳出室內(nèi)的熱量并不能反映該地區(qū)實(shí)際某一種構(gòu)造形式外墻的傳熱特性。

因此，本文利用實(shí)驗(yàn)研究的方法，對夏熱冬冷地區(qū)6種真實(shí)空調(diào)間歇運(yùn)行模式下不同構(gòu)造形式墻體的傳熱過程，以及通過墻體的瞬時(shí)傳熱量與累計(jì)傳熱量進(jìn)行量化分析，為該地區(qū)構(gòu)建適宜的建筑外墻構(gòu)造提供理論基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺

本研究實(shí)驗(yàn)測試是為了得出夏熱冬冷地區(qū)6種真實(shí)空調(diào)間歇運(yùn)行模式下不同構(gòu)造形式墻體的兩側(cè)表面及周圍空氣溫度場，為分析不同構(gòu)造形式墻體的傳熱過程與傳熱量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本研究在穩(wěn)態(tài)熱箱測試法的測試標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 8990:1994[9]和ASTM C1363-11[10]基礎(chǔ)上，搭建了動態(tài)熱箱實(shí)驗(yàn)測試平臺(如圖1所示)，用以營造與夏熱冬冷地區(qū)墻體實(shí)際傳熱過程的邊界條件較為相近的室內(nèi)側(cè)、室外側(cè)熱環(huán)境。動態(tài)熱箱實(shí)驗(yàn)測試平臺的動態(tài)測試原理見文獻(xiàn)[11]。實(shí)驗(yàn)測試平臺中，墻體試件兩側(cè)為處理至設(shè)定狀態(tài)的冷、熱流體介質(zhì)，采用對流換熱的方式與墻體進(jìn)行換熱；冷箱和計(jì)量箱中的導(dǎo)流屏用于屏蔽對墻體試件的輻射作用，并在試件表面形成穩(wěn)定流動的氣流組織。該實(shí)驗(yàn)平臺所在實(shí)驗(yàn)房間設(shè)置了空調(diào)系統(tǒng)，可以控制實(shí)驗(yàn)室房間溫度和濕度，從而減少室外環(huán)境對箱體內(nèi)環(huán)境的影響。

1.試件框；2.試件；3.防護(hù)熱箱；4.計(jì)量箱；5.冷箱；6.冷箱中的導(dǎo)流屏；7.計(jì)量箱中的導(dǎo)流屏；8.冷箱中的加熱和制冷系統(tǒng)；9.計(jì)量箱中的電加熱絲；10.防護(hù)箱中加熱和制冷系統(tǒng)；11.風(fēng)機(jī)；12.固定、卡緊裝置；13.控制電路系統(tǒng)；14.智能監(jiān)測和控制系統(tǒng)；15.計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示操作客戶端；16.數(shù)據(jù)傳輸線；17.溫度傳感器。圖1 墻體動態(tài)傳熱過程實(shí)驗(yàn)測試平臺示意圖

實(shí)驗(yàn)測試參數(shù)主要有：墻體試件內(nèi)外表面溫度、冷箱和計(jì)量箱中距離試件表面約100 mm處流體的溫度，采用36根數(shù)字溫度傳感器(DS18B20，測量范圍-55～125 ℃，測量精度0.125 ℃(-30～85 ℃)，分辨率0.062 5 ℃)測量。

試件內(nèi)外表面溫度測點(diǎn)及冷熱側(cè)空氣溫度測點(diǎn)分別在各自所在平面按圖2所示均勻排列。

注：1～9為測點(diǎn)。圖2 試件表面溫度測點(diǎn)分布 (從冷箱側(cè)或熱箱側(cè)的正視圖，單位：mm)

1.2 測試對象

根據(jù)對該地區(qū)651棟建筑(包括571棟居住建筑和80棟公共建筑)常用外墻構(gòu)造形式及材料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，考慮本研究的目的是分析不同構(gòu)造形式墻體的動態(tài)傳熱特性，因此確定本實(shí)驗(yàn)墻體構(gòu)造形式為：外保溫形式、夾心保溫形式、內(nèi)保溫形式及自保溫形式。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)工況的設(shè)定既包括居住建筑，也包括公共建筑，所以墻體試件組成材料選取該地區(qū)居住建筑和公共建筑均采用的材料。

實(shí)驗(yàn)墻體構(gòu)建的原則為：滿足現(xiàn)行節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對外墻熱工參數(shù)的限值要求[12-14]；控制4種墻體的總厚度、穩(wěn)態(tài)傳熱系數(shù)、單位面積熱容量基本一致。4種墻體試件的構(gòu)造形式、材料組成及材料層厚度如圖3所示。

圖3 4種墻體試件的構(gòu)造形式、 材料組成及材料層厚度示意圖(單位：mm)

4種墻體試件的熱工參數(shù)如表1所示，可認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的4種墻體試件的傳熱系數(shù)、單位面積熱容量基本一致。

1.3 測試工況

1.3.1空調(diào)間歇運(yùn)行模式的確定

表1 4種墻體試件的熱工參數(shù)

根據(jù)課題組前期研究結(jié)果[2,15]，對于重慶地區(qū)夏季制冷、冬季供暖建筑中的對流換熱方式的空調(diào)末端系統(tǒng)，根據(jù)一天中空調(diào)使用時(shí)間的不同，存在表2所示的6種使用模式，將這6種空調(diào)間歇運(yùn)行模式作為本實(shí)驗(yàn)中墻體傳熱的實(shí)驗(yàn)工況。采用實(shí)際測試的這6種空調(diào)間歇運(yùn)行模式下的室外氣象數(shù)據(jù)和室內(nèi)空氣溫度，作為本實(shí)驗(yàn)中墻體傳熱的邊界條件。

表2 6種空調(diào)間歇運(yùn)行模式

1.3.2不同空調(diào)間歇運(yùn)行模式對應(yīng)的傳熱邊界條件

對夏熱冬冷地區(qū)典型城市重慶市3種不同空調(diào)運(yùn)行時(shí)間房間的冬夏季室內(nèi)外空氣溫度、太陽輻照度進(jìn)行連續(xù)測試，對測試的室內(nèi)外熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行整理，得出本實(shí)驗(yàn)6種空調(diào)間歇運(yùn)行模式對應(yīng)的邊界條件。

根據(jù)測試的室外空氣溫度和太陽輻照度，由式(1)計(jì)算每個(gè)測試時(shí)間間隔(30 min)的室外綜合溫度[16]。

(1)

式中tsol為室外綜合溫度，℃；te為室外空氣溫度，℃；ρs為外表面太陽輻射吸收系數(shù)，對于實(shí)驗(yàn)中的墻體均取0.4；I為投射至墻體外表面的太陽輻照度，W/m2；hcv,o為外表面對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)，取23 W/(m2·K)[17]。

分別對室外綜合溫度及3種不同空調(diào)運(yùn)行時(shí)間的室內(nèi)空氣溫度在具有夏(冬)季氣候特征的時(shí)段每日同一時(shí)刻的數(shù)值求平均值，得到該地區(qū)夏(冬)季日室外綜合溫度及3種不同空調(diào)運(yùn)行時(shí)間室內(nèi)空氣溫度的逐時(shí)變化，如圖4、5所示。

本實(shí)驗(yàn)測試平臺的計(jì)量箱和防護(hù)箱用于營造墻體傳熱的熱側(cè)環(huán)境，冷箱用于營造墻體傳熱的冷側(cè)環(huán)境。根據(jù)圖4中的溫度變化規(guī)律分別設(shè)定本實(shí)驗(yàn)中夏季、冬季工況室外環(huán)境的變化過程。根據(jù)圖5的溫度變化規(guī)律分別設(shè)定不同空調(diào)間歇運(yùn)行模式下室內(nèi)環(huán)境的變化過程。由此為實(shí)驗(yàn)測試提供模擬實(shí)際情況的邊界條件。

本研究在夏熱冬冷地區(qū)6種空調(diào)間歇運(yùn)行模式下，對構(gòu)建的4種墻體試件兩側(cè)表面溫度和周圍空氣溫度進(jìn)行了24組實(shí)驗(yàn)。每組實(shí)驗(yàn)的測試周期為24 h。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對不同空調(diào)間歇運(yùn)行模式下測得的各墻體試件內(nèi)表面溫度求平均值，得到4種墻體內(nèi)表面溫度隨時(shí)間的變化，如圖6所示。

由圖6可以看出，不同空調(diào)間歇運(yùn)行模式下，不同構(gòu)造形式墻體的內(nèi)表面溫度在空調(diào)啟動后 1 h內(nèi)呈現(xiàn)劇烈變化的趨勢，以空調(diào)啟動后1 h內(nèi)各墻體內(nèi)表面溫度的變化速率來分析各墻體內(nèi)表面溫度對室內(nèi)空氣溫度變化的響應(yīng)快慢：在SE模式下，內(nèi)保溫墻體的內(nèi)表面溫度變化速率為-0.001 6 ℃/s，比夾心保溫墻體高5%，比自保溫墻體高15%，比外保溫墻體高26%；在SN模式下，內(nèi)保溫墻體的內(nèi)表面溫度變化速率為-0.000 6 ℃/s，比夾心保溫墻體高5%，比自保溫墻體高46%，比外保溫墻體高66%；在SD模式下，內(nèi)保溫墻體的內(nèi)表面溫度變化速率為-0.000 8 ℃/s，比夾心保溫墻體高14%，比自保溫墻體高19%，比外保溫墻體高27%；在WE模式下，內(nèi)保溫墻體的內(nèi)表面溫度變化速率為0.000 7 ℃/s，比夾心保溫墻體高7%，比自保溫墻體高27%，比外保溫墻體高40%；在WN模式下，內(nèi)保溫墻體的內(nèi)表面溫度變化速率為0.000 4 ℃/s，比夾心保溫墻體高10%，比自保溫墻體高30%，比外保溫墻體高96%；在WD模式下，內(nèi)保溫墻體的內(nèi)表面溫度變化速率為0.000 8 ℃/s，比夾心保溫墻體高13%，比自保溫墻體高12%，比外保溫墻體高40%。說明在6種空調(diào)間歇運(yùn)行模式下，均呈現(xiàn)內(nèi)保溫墻體的內(nèi)表面溫度對室內(nèi)空氣溫度的變化響應(yīng)最快，其次為夾心保溫墻體，再次為自保溫墻體，外保溫墻體的響應(yīng)最慢的規(guī)律。

由此導(dǎo)致內(nèi)保溫、夾心保溫墻體在室內(nèi)空氣溫度出現(xiàn)劇烈變化并逐漸趨于穩(wěn)定的過程中，其內(nèi)表面溫度會率先(相較于外保溫墻體和自保溫墻體)達(dá)到內(nèi)表面?zhèn)鳠岬臏?zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。而外保溫墻體和自保溫墻體在室內(nèi)空氣溫度經(jīng)劇烈變化后已逐漸趨于穩(wěn)定的情況下，其內(nèi)表面溫度仍處在變化中。這說明外保溫、自保溫墻體的內(nèi)表面溫度在劇烈變化至達(dá)到穩(wěn)定的邊界條件下到達(dá)穩(wěn)定/準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間長。

3 空調(diào)間歇運(yùn)行模式下不同構(gòu)造形式墻體傳熱特性分析

3.1 不同構(gòu)造形式墻體瞬時(shí)傳熱量分析

對于間歇制冷、間歇供暖，只在制冷或供暖需求時(shí)段，通過外墻流入或流出室內(nèi)的熱量會形成空調(diào)負(fù)荷，從而影響能耗(本研究暫不考慮各家具表面和內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱作用[16])。因此，本研究對空調(diào)運(yùn)行時(shí)段通過墻體的瞬時(shí)與累計(jì)傳熱量進(jìn)行了分析。

根據(jù)墻體內(nèi)表面的熱平衡關(guān)系，通過外墻進(jìn)入室內(nèi)或從室內(nèi)流出的熱流密度可以表示為[18]

q=qc+qr=(hc+hr)(Tw,i-Tf,i)=

h(Tw,i-Tf,i)

(2)

式中q為通過墻體進(jìn)入室內(nèi)或從室內(nèi)傳出的瞬時(shí)傳熱量，W/m2；qc為墻體內(nèi)表面對流換熱熱流密度，W/m2；qr為墻體內(nèi)表面與外圍環(huán)境的輻射換熱熱流密度，W/m2；hc為內(nèi)表面對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；hr為墻體與周圍環(huán)境的輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tw,i為實(shí)驗(yàn)測得的墻體內(nèi)表面溫度的平均值，K；Tf,i為實(shí)驗(yàn)測得的墻體傳熱過程中室內(nèi)空氣溫度的平均值，K；h為墻體內(nèi)表面復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)。

根據(jù)ASHRAE手冊給出的經(jīng)驗(yàn)公式，墻體內(nèi)表面復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)[19]為

(3)

由式(2)、(3)可以得到6種空調(diào)間歇運(yùn)行模式下不同構(gòu)造形式墻體一天中瞬時(shí)傳熱量的變化，如圖7所示。對于夏季3種間歇運(yùn)行模式，正值表示由室外傳入室內(nèi)的得熱量，負(fù)值表示由室內(nèi)傳出的熱量，可以用于消除由其他原因產(chǎn)生的室內(nèi)得熱，本研究將間歇運(yùn)行模式下，夏季空調(diào)時(shí)段由室內(nèi)傳出的熱量稱為制冷貢獻(xiàn)量。對于冬季3種間歇運(yùn)行模式，負(fù)值表示由室內(nèi)傳出的熱量，而正值表示傳入室內(nèi)的熱量，可用于消除由其他原因引起的室內(nèi)失熱，本研究將間歇運(yùn)行模式下，冬季空調(diào)時(shí)段傳入室內(nèi)的熱量稱為供暖貢獻(xiàn)量。

由圖7可以看出，在6種空調(diào)間歇運(yùn)行模式下，4種墻體瞬時(shí)傳熱量隨時(shí)間的變化趨勢均為在空調(diào)啟動時(shí)陡然增大，且在空調(diào)啟動后的1～2 h內(nèi)出現(xiàn)峰值，在隨后的空調(diào)運(yùn)行期間隨時(shí)間波動。在任一空調(diào)間歇運(yùn)行模式下，4種墻體瞬時(shí)傳熱量的關(guān)系為：外保溫墻體最大，其次為自保溫墻體，再次是夾心保溫墻體，內(nèi)保溫墻體最小。

由圖7還可以看出，在空調(diào)運(yùn)行時(shí)段，如果墻體在夏季瞬時(shí)傳熱量高，那么在對應(yīng)的冬季工況，其瞬時(shí)傳熱量也較高，反之亦然。例如，墻體在夏季晚上運(yùn)行模式(SE模式)的空調(diào)運(yùn)行時(shí)段瞬時(shí)傳熱量高，則在冬季晚上運(yùn)行模式(WE模式)的空調(diào)運(yùn)行時(shí)段瞬時(shí)傳熱量也高。這說明同一構(gòu)造形式的墻體在冬季和夏季空調(diào)運(yùn)行時(shí)段的傳熱特性表現(xiàn)是一致的。

此外，在任一空調(diào)間歇運(yùn)行模式下，空調(diào)在晚上運(yùn)行時(shí)墻體的瞬時(shí)傳熱量大于白天運(yùn)行和夜間運(yùn)行。這說明不同空調(diào)間歇運(yùn)行模式對通過墻體的瞬時(shí)傳熱量存在顯著影響，因此在進(jìn)行墻體傳熱特性分析時(shí)，應(yīng)充分考慮房間空調(diào)或供暖設(shè)備的使用模式。

3.2 不同構(gòu)造形式墻體累計(jì)傳熱量分析

對各模式下瞬時(shí)傳熱量在一天中制冷時(shí)段或供暖時(shí)段對時(shí)間積分，便可得到各模式下4種墻體在制冷/供暖時(shí)段累計(jì)傳熱量：

(4)

式中Q為制冷/供暖時(shí)段的累計(jì)傳熱量，kJ/(m2·d)；τ1、τ2分別為空調(diào)間歇運(yùn)行模式下一天中空調(diào)運(yùn)行的開始和結(jié)束時(shí)刻；τ為時(shí)間。

由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為5 min，利用離散矩形波單元擾量疊加求和代替式(4)中積分求和，可分別算出夏季制冷時(shí)段累計(jì)得熱量及累計(jì)制冷貢獻(xiàn)量：

(5)

(6)

式(5)、(6)中Qc為夏季一天中制冷時(shí)段累計(jì)得熱量，kJ/(m2·d)；n為夏季間歇運(yùn)行模式下一天內(nèi)制冷時(shí)段采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)；j為采樣點(diǎn)的序號；qj為根據(jù)式(2)算得的瞬時(shí)傳熱量，W/m2；Δτ為采樣時(shí)間間隔，Δτ=5 min；Qcont,c為夏季一天中累計(jì)制冷貢獻(xiàn)量，kJ/(m2·d)。

冬季供暖時(shí)段累計(jì)失熱量及累計(jì)供暖貢獻(xiàn)量分別為

(7)

(8)

式(7)、(8)中Qh為冬季一天中供暖時(shí)段累計(jì)失熱量，kJ/(m2·d)；m為冬季間歇運(yùn)行模式下一天內(nèi)供暖時(shí)段采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)；Qcont,h為冬季一天中累計(jì)供暖貢獻(xiàn)量，kJ/(m2·d)。

根據(jù)式(5)～(8)算出不同墻體在6種間歇運(yùn)行模式下夏季一天中制冷時(shí)段累計(jì)得熱量、累計(jì)制冷貢獻(xiàn)量和冬季一天中供暖時(shí)段累計(jì)失熱量、累計(jì)供暖貢獻(xiàn)量，如圖8所示。可以看出，在任一空調(diào)間歇運(yùn)行模式下，不同構(gòu)造形式墻體制冷時(shí)段累計(jì)得熱量、累計(jì)制冷貢獻(xiàn)量和供暖時(shí)段累計(jì)失熱量的趨勢與其瞬時(shí)傳熱量的趨勢是相同的，均為外保溫墻體最大，其次為自保溫墻體，再次為夾心保溫墻體，內(nèi)保溫墻體最小。結(jié)合第2章、3.1節(jié)和本節(jié)結(jié)果可知，間歇制冷、間歇供暖條件下墻體傳熱過程、瞬時(shí)和累計(jì)傳熱量特性不同于空調(diào)連續(xù)運(yùn)行模式。在空調(diào)連續(xù)運(yùn)行模式下，不同構(gòu)造形式墻體內(nèi)表面溫度和瞬時(shí)負(fù)荷波幅均呈現(xiàn)內(nèi)保溫墻體最大，夾心保溫墻體其次，外保溫墻體再次，自保溫墻體最小的特性[21]；并且不同構(gòu)造形式墻體在一天內(nèi)總傳熱量是相等的[22]。說明由于在空調(diào)連續(xù)運(yùn)行模式下與間歇運(yùn)行模式下建筑熱過程特性的不同，會導(dǎo)致間歇運(yùn)行模式下室內(nèi)熱環(huán)境營造技術(shù)的節(jié)能路徑與適用范圍不同于連續(xù)運(yùn)行模式。

注：SE、SN、SD模式下，累計(jì)失熱量即為制冷貢獻(xiàn)量；WE、WN、WD模式下，累計(jì)得熱量即為供暖貢獻(xiàn)量。圖8 6種空調(diào)間歇運(yùn)行模式下不同構(gòu)造形式墻體夏季累計(jì)得 熱量、累計(jì)制冷貢獻(xiàn)量及冬季累計(jì)失熱量、累計(jì)供暖貢獻(xiàn)量

由圖8也可以看出：在冬季間歇運(yùn)行模式下，只有WN模式的夾心保溫墻體和WD模式的自保溫墻體有少量供暖貢獻(xiàn)量(分別為0.45、0.02 kJ/(m2·d))。但是，在SN模式下，4種墻體均有較大的累計(jì)制冷貢獻(xiàn)量，其累計(jì)制冷貢獻(xiàn)量為同一模式下累計(jì)得熱量的3.0～5.5倍。由圖7b可知，在SN模式下，4種墻體在23:00—24:00表現(xiàn)為得熱特性，在00:00—07:30表現(xiàn)為失熱特性。這是因?yàn)樵谙臒岫涞貐^(qū)氣候條件下，夏季夜間室外無太陽輻射，室外空氣溫度驟降，隨時(shí)間推移，到凌晨時(shí)段(00:00—07:30)，室外溫度進(jìn)一步降低，使得室內(nèi)大量熱量可通過外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)向室外散走，因此凌晨時(shí)段沒有室內(nèi)得熱，反而可形成較大的失熱量(制冷貢獻(xiàn)量)。

4 討論

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，夏熱冬冷地區(qū)間歇制冷、間歇供暖條件下，從外墻內(nèi)表面溫度對室內(nèi)空氣溫度的響應(yīng)速率及減少室內(nèi)夏季得熱量與冬季失熱量的角度來看，內(nèi)保溫墻體構(gòu)造是最優(yōu)的外墻構(gòu)造形式。這與其他一些學(xué)者的研究結(jié)論相似[21,23]。但墻體的熱響應(yīng)快慢和傳熱特性僅是其動態(tài)熱工特性的表現(xiàn)之一。相比現(xiàn)有針對室內(nèi)空調(diào)末端形式同為對流換熱方式的外墻構(gòu)造優(yōu)化的研究，在夏熱冬冷地區(qū)間歇制冷條件下，外保溫墻體的隔熱性能最優(yōu)[2]，而內(nèi)保溫墻體的節(jié)能性能最優(yōu)[4-6]。在夏熱冬冷地區(qū)連續(xù)制冷條件下，外保溫墻體的節(jié)能性能最優(yōu)[21]。而在該地區(qū)夏季自然室溫條件下，內(nèi)保溫墻體的隔熱性能最優(yōu)[7]?？梢?，對于該地區(qū)不同傳熱邊界條件下外墻構(gòu)造優(yōu)化的研究，優(yōu)化的角度不同，則得到的優(yōu)化策略也不同。并且現(xiàn)有從熱工性能、節(jié)能性能對外墻構(gòu)造的優(yōu)化，多不考慮熱橋的影響，且為從單一性能進(jìn)行的研究。在不同的傳熱邊界條件下，僅從單一性能進(jìn)行優(yōu)化，得到的優(yōu)化策略不同。綜合現(xiàn)階段的研究，尚不能得出對該地區(qū)具體某一傳熱邊界條件，如間歇制冷、間歇供暖邊界條件下綜合最優(yōu)外墻構(gòu)造形式的推薦。在后續(xù)研究中將考慮外墻的結(jié)構(gòu)性熱橋的影響，以整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作為優(yōu)化對象，把保溫隔熱性能、防潮性能、節(jié)能性能等作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造方案選擇過程中的優(yōu)化因素，綜合分析該地區(qū)間歇制冷、間歇供暖條件下適宜的外墻構(gòu)造形式。

5 結(jié)論

1) 對于本文中4種構(gòu)造形式的墻體，在夏熱冬冷地區(qū)6種空調(diào)間歇運(yùn)行模式下，內(nèi)保溫墻體內(nèi)表面溫度對室內(nèi)空氣溫度的變化響應(yīng)最快，其次為夾心保溫墻體，再次為自保溫墻體，外保溫墻體的響應(yīng)最慢。

2) 經(jīng)與文獻(xiàn)對比，在空調(diào)間歇運(yùn)行模式下與連續(xù)運(yùn)行模式下建筑熱過程特性不同，因此會導(dǎo)致間歇運(yùn)行模式下室內(nèi)熱環(huán)境營造技術(shù)的節(jié)能路徑與適用范圍不同于連續(xù)運(yùn)行模式。

3) 分析得到，空調(diào)運(yùn)行模式對空調(diào)運(yùn)行時(shí)段通過外墻的瞬時(shí)傳熱量有顯著影響，因此，在進(jìn)行墻體傳熱特性分析時(shí)，應(yīng)充分考慮房間空調(diào)或供暖設(shè)備的使用模式。