圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計中非穩(wěn)態(tài)計算方法適用性研究

何 泉，盛昂昂，劉大龍

(西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710055)

20世紀(jì)70年代能源危機(jī)的爆發(fā)，提高了公眾對各行各業(yè)能耗的關(guān)注度.其中建筑能耗在全國總能源構(gòu)成中占很大比重[1]，因此建筑能耗也成為業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn).在建筑能源的消耗中，大部分由建筑本體所消耗.且外墻作為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，對建筑的能耗起著至關(guān)重要的作用[2]，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱計算模型是建筑節(jié)能設(shè)計的理論基礎(chǔ).

圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫計算長期采用穩(wěn)態(tài)計算方法.隨著節(jié)能要求的不斷提升[3]，可再生能源的應(yīng)用越來越被關(guān)注，穩(wěn)態(tài)計算方法不利于考慮太陽能的熱效應(yīng).同時隨著蓄熱墻體[4]、相變墻體[5]的應(yīng)用，以及動態(tài)采暖控制[6]等新型節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，穩(wěn)態(tài)計算方法已經(jīng)不能滿足傳熱計算的需求.

國內(nèi)外已有學(xué)者開始從事保溫設(shè)計中非穩(wěn)態(tài)計算方法的應(yīng)用研究.Wonjun Choi等[7]指出由于穩(wěn)態(tài)方法不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱，環(huán)境溫度變化的穩(wěn)態(tài)分析不能很好地反映系統(tǒng)的工作特性.Haie Huo等[8]同樣指出氣候條件是計算建筑熱工性能的重要參數(shù)，并用非穩(wěn)態(tài)方法分析了在相同節(jié)能措施下，定量研究了在不同地區(qū)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在節(jié)能中的貢獻(xiàn)率.龍恩深[9]等以美國芝加哥和中國上海為例，用DOE-2和CTM模擬分析了同一建筑在兩種截然不同的氣候條件下，相同保溫措施下的年采暖降幅有顯著差異.王靖文等[10]利用諧波反應(yīng)法分析西安與哈爾濱的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，提出非穩(wěn)態(tài)計算方法可體現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)對室外氣象參數(shù)的響應(yīng).劉大龍等[11]曾對藏區(qū)展開室外太陽輻射調(diào)研，而后文獻(xiàn)[12]提出高海拔強(qiáng)輻射地區(qū)能耗計算方法不宜采用穩(wěn)態(tài)計算方法的建議.張率[13]等選取嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)10個典型城市，對比兩種方法下耗熱量的差異，提出對于差異率在15%以上的城市采用非穩(wěn)態(tài)計算方法.上述學(xué)者對非穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計的研究各有側(cè)重，強(qiáng)調(diào)單一指標(biāo)在兩種計算方法下的差異，卻沒有對不同太陽能輻射下內(nèi)表面熱流，熱流量以及耗熱量在兩種方法下綜合評判非穩(wěn)態(tài)方法的適用性，以及間歇采暖在北方采暖地區(qū)適應(yīng)性問題考慮較少.

針對以上問題，建立一棟多層建筑模型，選取寒冷地區(qū)太陽能輻射不同的城市，分析內(nèi)壁面溫度，逐時熱流以及耗熱量在這種計算方法下的差異性，探究非穩(wěn)態(tài)計算方法在圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計中的適用性，為將來精細(xì)化節(jié)能控制下圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫動態(tài)評價提供參考.

1 計算方法的對比

1.1 穩(wěn)態(tài)計算方法

現(xiàn)有的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計[14]假定在全陰天的環(huán)境條件下(不考慮太陽輻射的影響)，室內(nèi)外邊界條件為均為靜態(tài)，以傳熱系數(shù)(傳熱阻)為基礎(chǔ)(不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱)，計算穩(wěn)態(tài)的內(nèi)表面溫度、熱流、耗熱量，其結(jié)果在一天中均為定值.即穩(wěn)態(tài)計算方法考量的是在室內(nèi)邊界條件為定值時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)所做出的靜態(tài)響應(yīng).

由于研究的區(qū)域為采暖房間，故取室內(nèi)空氣溫度設(shè)定為18℃.為使穩(wěn)態(tài)計算方法與非穩(wěn)態(tài)計算方法計算的值具有可比性，故穩(wěn)態(tài)計算方法中的室外空氣溫度取為非穩(wěn)態(tài)計算過程中的室外逐時溫度的平均值.穩(wěn)態(tài)計算方法公式參考《建筑物理》[15].

1.2 非穩(wěn)態(tài)計算方法

非穩(wěn)態(tài)計算方法的室外邊界條件呈現(xiàn)為逐時動態(tài)的變化，考慮太陽輻射的熱效應(yīng)，以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)作出的響應(yīng)為動態(tài)的、多因素的，考量內(nèi)容有墻體的逐時的內(nèi)壁面溫度分布，逐時的熱流等.非穩(wěn)態(tài)計算方法[16]一般有有限差分法，諧波反應(yīng)法，反應(yīng)系數(shù)法等.本文選用以反應(yīng)系數(shù)法為內(nèi)核的EnergyPlus作為模擬的軟件.反應(yīng)系數(shù)法主要是基于內(nèi)外壁面溫度的反應(yīng)系數(shù)法，相對于基于室內(nèi)溫度的反應(yīng)系數(shù)法更為精確.EneryPlus的精確性得到學(xué)者的認(rèn)可，且應(yīng)用于學(xué)術(shù)研究[17-18].

2 模擬分析的參數(shù)設(shè)置

2.1 模擬建筑信息及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選型

采用EnergyPlus對一城市居住建筑進(jìn)行傳熱計算模擬.模擬的建筑模型如圖1所示，單層建筑面積為274.66 m2，共6層，建筑體積為4 943.97 m3，東西向窗墻比為0.05，南向窗墻比為0.38，北向窗墻比為0.21，建筑體形系數(shù)為0.33.符合規(guī)范[19]要求.建筑模擬主要計算參數(shù)的設(shè)置均符合規(guī)范[19].

為體現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)在寒冷地區(qū)保溫設(shè)計中非穩(wěn)態(tài)傳熱適用性的普適性特征，選取6種圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造，其中包括2種無保溫墻體，2種外保溫墻體，2種內(nèi)保溫墻體.墻體構(gòu)造形式見表1：

表1 墻體的構(gòu)造形式Tab.1 The structure of the wall

圖1 建筑模型Fig.1 Architectural model

2.2 室外氣象條件

由于四個地點(diǎn)地理位置不同，海拔不同，造成的室外氣象條件各有差異.四個城市分別為拉薩，敦煌，西安，北京.四個地區(qū)熱工分區(qū)以及太陽輻射量的具體信息如表2所示：

表2 四個城市的熱工分區(qū)及太陽輻射量[14, 20]Tab.2 The heat division and solar radiation of four cities

室外氣象條件取自于EnergyPlus自帶的CSWD氣象文件.圖2為四個城市的室外綜合溫度與室外空氣溫度.從圖中可以看出拉薩、敦煌的太陽輻射強(qiáng)度高.拉薩日較差最大，其次是敦煌，然后是北京，日較差最小的為西安.

圖2 四個地區(qū)的室外綜合溫度tsa和室外空氣溫度teFig.2 The outdoor integrated temperature tsa and outdoor air temperature te in the four regions

由于考慮太陽熱輻射效應(yīng)對傳熱的影響，因此選擇太陽輻射最不利的冬至日12月22日作為研究日期.

3 結(jié)果分析與討論

本文主要從內(nèi)壁面溫度、逐時熱流量以及耗熱量三個方面描述傳熱差異.

3.1 內(nèi)壁面溫度的對比分析

內(nèi)壁面溫度可反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗室外溫度波動的能力.本文對穩(wěn)態(tài)方法計算出的內(nèi)壁面溫度以及EnergyPlus模擬出的四個城市的建筑外墻內(nèi)壁面溫度進(jìn)行匯總.因篇幅原因，僅給出有典型性的地處拉薩市和北京市建筑的內(nèi)壁面溫度圖.在兩種計算方法得出的內(nèi)壁面溫度的匯總圖(圖3)中，6種圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造中的每一種構(gòu)造分別對應(yīng)兩種內(nèi)壁面溫度，前者為非穩(wěn)態(tài)計算方法下的內(nèi)壁面溫度，如“1”表示；后者為穩(wěn)態(tài)計算方法下的內(nèi)壁面溫度，如“1’”表示.為了方便稱謂，非穩(wěn)態(tài)內(nèi)壁面溫度高于穩(wěn)態(tài)內(nèi)壁面溫度的時間段，叫做“非穩(wěn)態(tài)時段”，非穩(wěn)態(tài)內(nèi)壁面溫度低于穩(wěn)態(tài)內(nèi)壁面溫度的時間段，稱為“穩(wěn)態(tài)時段”.

圖3 拉薩和北京的內(nèi)壁面溫度Fig.3 The surface temperature of Lhasa and Beijing

太陽輻射強(qiáng)烈的地區(qū)，在一天當(dāng)中的某一時間段，特別是南向的室內(nèi)溫度會高于18℃，此時建議停止供暖，因為此時室內(nèi)的供暖會過剩，造成不必要的能源浪費(fèi).因此內(nèi)壁面溫度的圖中添加室內(nèi)設(shè)計溫度18℃線，當(dāng)內(nèi)壁面溫度高于18℃時，可以采取間歇采暖模式，減少能耗.

構(gòu)造1至構(gòu)造6，均表現(xiàn)出拉薩的非穩(wěn)態(tài)時段最長(均為24 h),最小的為西安(均為0 h).且拉薩內(nèi)、外保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)均存在間歇采暖的時間段，原因為拉薩的太陽輻射最為強(qiáng)烈，且有保溫的構(gòu)造的保溫性能較無保溫的墻體較優(yōu)良，有保溫構(gòu)造的墻體的內(nèi)壁面溫度較高.敦煌構(gòu)造2的非穩(wěn)態(tài)時段(24 h)大于北京(6 h)，這是由于敦煌的太陽輻射強(qiáng)于北京，且構(gòu)造2熱惰性最大.而構(gòu)造1、構(gòu)造3至構(gòu)造6的非穩(wěn)態(tài)時段，敦煌小于北京.這是由于構(gòu)造1、構(gòu)造3至構(gòu)造6的熱惰性指標(biāo)小，且敦煌的日較差比北京大，氣溫比北京低，導(dǎo)致熱惰性較小的圍護(hù)結(jié)構(gòu)下北京的非穩(wěn)態(tài)時段大于敦煌.

由兩種方法計算的內(nèi)壁面溫度的對比得出，太陽輻射強(qiáng)烈的拉薩的兩種計算方法間的差異大，最小為西安.在非穩(wěn)態(tài)時段中，拉薩的內(nèi)外保溫構(gòu)造的圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在可以間歇采暖的時段，構(gòu)造3至構(gòu)造6下的非穩(wěn)態(tài)內(nèi)壁面溫度大于18℃的時長分別為22、19、17、15 h.

3.2 不同計算方法下熱流量與耗熱量的對比分析

采用穩(wěn)態(tài)方法與EnergyPlus模擬得出熱流量與耗熱量的值.考慮到典型性(拉薩、敦煌與西安的逐時熱流圖趨勢相似)與篇幅，僅提供拉薩和北京兩個城市的逐時熱流量圖及耗熱量差異圖.

在圖4、圖5中可以看出穩(wěn)態(tài)下的熱流量不隨時間變化；非穩(wěn)態(tài)下的熱流量整體上呈現(xiàn)隨時間先減小后增大的趨勢.其中無保溫構(gòu)造的穩(wěn)態(tài)熱流大于有保溫構(gòu)造的穩(wěn)態(tài)熱流.非穩(wěn)態(tài)熱流除具有穩(wěn)態(tài)熱流在構(gòu)造上的表征外，內(nèi)保溫的逐時熱流大于外保溫的逐時熱流.

在計算采暖時期傳熱時，一般是考慮室內(nèi)流向室外的散熱的熱流量.且穩(wěn)態(tài)下的熱流量是以傳熱系數(shù)與室內(nèi)外溫差(定值)為基礎(chǔ)，得出來的熱流為定值，且方向為室內(nèi)流向室外；非穩(wěn)態(tài)下的熱流考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱、蓄熱，以及逐時溫度的影響，從圖中同樣可以看出非穩(wěn)態(tài)下的熱流方向為室內(nèi)流向室外時，與穩(wěn)態(tài)下的熱流量具有對比性.在這樣的前提下，構(gòu)造1至構(gòu)造6下，拉薩的兩種計算方法下的熱流量差異均最大，其次是敦煌，然后是北京，差異最小的為西安.其原因為拉薩的日較差最大，非穩(wěn)態(tài)下的逐時氣溫與穩(wěn)態(tài)下氣溫均值差值最大，西安的日較差最小，溫度波動平緩，非穩(wěn)態(tài)下的逐時氣溫與穩(wěn)態(tài)下氣溫均值差值最小.且若把非穩(wěn)態(tài)逐時熱流量取平均與穩(wěn)態(tài)下的熱流量做對比，仍然是拉薩的差異最大，其次是敦煌，然后是北京，最小的為西安.以磚墻外保溫構(gòu)造為例，非穩(wěn)態(tài)逐時熱流量取平均與穩(wěn)態(tài)下的熱流量差值分別為：拉薩(5.61℃)>敦煌(5.49℃)>北京(3.83℃)>西安(1.19℃).

圖4 拉薩兩種計算方法下逐時熱流量與耗熱量Fig.4 The heat flow and heat consumption calculated in two methods in Lhasa

穩(wěn)態(tài)下的耗熱量是在室外平均溫度下，為保持室內(nèi)溫度，單位面積內(nèi)消耗的熱量，這種消耗并不包括室內(nèi)得熱.而在非穩(wěn)態(tài)下的耗熱量則是在逐時的室外溫度下，為保持室內(nèi)溫度，單位面積消耗的熱量，此時也考慮室內(nèi)的太陽輻射的得熱.因此在太陽輻射強(qiáng)烈的地區(qū)，無論何種保溫形式耗熱量的差異則會最明顯，以耗熱量差異率表現(xiàn)兩種方法所表征的差異.以拉薩與北京兩種計算方法下耗熱量以及差異率ε(%)為典型繪制出圖像，見圖4b與圖5b.

(1)

式中：Hunst為非穩(wěn)態(tài)計算方法下的耗熱量；Hst為穩(wěn)態(tài)計算方法下的耗熱量.

以外保溫構(gòu)造墻體(磚墻)為例，兩種方法下拉薩的耗熱量差異率最大(64.65%)，其次是敦煌(15.28%)，再者是北京(12.01%)，最小的是西安(5.50%).

可以看出6種保溫構(gòu)造下，拉薩在非穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)態(tài)下的熱流差值和耗熱量差異率最大，其次是敦煌，然后是北京，最小的是西安.對于太陽輻射強(qiáng)烈，平均溫差相對較小的拉薩，內(nèi)保溫構(gòu)造(60 mm保溫層)下的建筑在10點(diǎn)～18點(diǎn)的時段、外保溫在24 h全時段，南向房間可以考慮采取間歇采暖的方式.

圖5 北京兩種計算方法下逐時熱流量與耗熱量Fig.5 The heat flow and heat consumption calculated in two methods in Beijing

4 非穩(wěn)態(tài)方法適用性的討論

四個城市下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱在兩種計算方法下的內(nèi)壁面溫度、逐時熱流量以及耗熱量均存在差異性.當(dāng)非穩(wěn)態(tài)下的內(nèi)壁面溫度高于穩(wěn)態(tài)的內(nèi)壁面溫度，以及非穩(wěn)態(tài)的逐時熱流量、耗熱量比穩(wěn)態(tài)下熱流、耗熱量要小時，非穩(wěn)態(tài)方法適用性越強(qiáng).

拉薩的6種構(gòu)造在非穩(wěn)態(tài)計算方法下的內(nèi)壁面溫度均大于穩(wěn)態(tài)下的內(nèi)壁面溫度.拉薩在四地中，非穩(wěn)態(tài)下逐時熱流量波幅較大，其平均值與穩(wěn)態(tài)下的熱流相比仍是最大，且兩種方法下的耗熱量最小的差異率也達(dá)到47%.拉薩非穩(wěn)態(tài)計算的內(nèi)壁面溫度與穩(wěn)態(tài)相比更符合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際.因為拉薩的內(nèi)壁面溫度高，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流少，耗熱量少.因此拉薩圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計中非穩(wěn)態(tài)方法的適用性最高.

敦煌6種構(gòu)造下的非穩(wěn)態(tài)的逐時熱流均值小于穩(wěn)態(tài)下的熱流，非穩(wěn)態(tài)下的耗熱量少于穩(wěn)態(tài)下的耗熱量，耗熱量差異率最小值為12.46%，最大可達(dá)21.21%.敦煌雖然有部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的非穩(wěn)態(tài)內(nèi)壁面溫度小于穩(wěn)態(tài)的內(nèi)壁面溫度，但差值很小，再從熱流和耗熱量來看，差異較大，耗熱量差異率最大可達(dá)21.21%，且非穩(wěn)態(tài)下的熱流量與耗熱量值更低，因此敦煌在圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計中非穩(wěn)態(tài)計算方法較為適宜.

北京和敦煌在冬季的12月份的日輻射量相差較小，因此北京和敦煌的三個量值的兩種計算方法下的趨勢相似.不同的地方在于北京的無保溫構(gòu)造下的內(nèi)壁面溫度的非穩(wěn)態(tài)時段短但平均差值僅為0.06℃；內(nèi)外保溫構(gòu)造上的非穩(wěn)態(tài)時段較長，平均差值為0.24℃.兩種方法的逐時熱流差值、耗熱量差異率比敦煌小，但耗熱量差異率最小值可達(dá)10%以上.因此北京在圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計中非穩(wěn)態(tài)計算方法適宜.

西安6種構(gòu)造在非穩(wěn)態(tài)計算方法下的內(nèi)壁面溫度均低于穩(wěn)態(tài)下的內(nèi)壁面溫度.由于西安的太陽輻射弱，且日較差最小，西安非穩(wěn)態(tài)下逐時熱流量的平均值與穩(wěn)態(tài)下的熱流差值最小.因此西安在圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計中非穩(wěn)態(tài)計算方法的適宜度最低.

為了探究兩種計算方法下四個城市的溫度與耗熱量的關(guān)系，以室外溫度逐時差值日均溫度td來說明太陽輻射的影響.

(2)

拉薩、敦煌、西安、北京的室外溫度逐時差值日均溫度分別為：3.68、2.67、0.8、1.94℃.可以發(fā)現(xiàn)差值日均溫度最大的為拉薩，其次為敦煌，然后是北京，最小的為西安，這和四個城市的太陽輻射的強(qiáng)弱、同一種構(gòu)造下的耗熱量差異率以及非穩(wěn)態(tài)方法的適用性成正相關(guān).在太陽能富集地區(qū)，非穩(wěn)態(tài)計算的采暖耗熱量更低，非穩(wěn)態(tài)方法的適用性更高.且當(dāng)室外溫度逐時差值日均值大于1.9℃時，兩種方法計算耗熱量差值大于10%；隨著兩者差值日均溫度的增大，兩種方法計算的耗熱量差值呈顯著增長趨勢，耗熱量差值最大可達(dá)60%以上.

從上面討論可得出非穩(wěn)態(tài)方法的適用性最高的是拉薩，其次是敦煌，然后是北京，最低的為西安，這與四地所處的太陽輻射強(qiáng)弱有關(guān).且太陽輻射越強(qiáng)的地區(qū)，室外溫度逐時差值日均溫度越高，采暖耗熱量差異率越大，非穩(wěn)態(tài)方法下的耗熱量值更低.

5 結(jié) 論

本文通過對寒冷地區(qū)不同太陽能資源區(qū)的典型城市的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)傳熱計算方法的差異分析，及寒冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)傳熱計算方法在保溫設(shè)計下適用性分析，結(jié)果表明：

(1)兩種計算方法下內(nèi)壁面溫度、熱流及耗熱量在太陽輻射強(qiáng)烈的拉薩差異最為顯著，其次為敦煌、北京，最不顯著的為西安.

(2)對于太陽輻射強(qiáng)烈，平均溫差相對較小的拉薩，在60 mm厚保溫層下內(nèi)保溫構(gòu)造的建筑在10點(diǎn)～18點(diǎn)的時段、外保溫在24 h全時段，南向房間可以考慮采取被動式間歇采暖的方式.

(3)太陽輻射強(qiáng)烈的地區(qū)，用非穩(wěn)態(tài)方法計算的耗熱量更低.當(dāng)室外綜合溫度與氣溫逐時差值越大，耗熱量差異呈現(xiàn)明顯增加的趨勢.當(dāng)差值日均溫度達(dá)到1.90℃時，耗熱量差值達(dá)到10%以上，最高差值可達(dá)60%以上.

(4)在太陽輻射強(qiáng)的地區(qū)，用非穩(wěn)態(tài)計算方法計算建筑能耗更為適宜.