過渡季節(jié)超低能耗建筑的蓄放熱特性研究★

陳先志，張幸濤，崔國游，宋文軒，贠清華，朱佳音

(1.河南五方合創(chuàng)建筑設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450000； 2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

如何維持適宜的室內(nèi)環(huán)境，以及降低建筑能耗是全球建筑業(yè)發(fā)展的重要課題。能源問題將成為社會發(fā)展乃至人類生存所面臨的挑戰(zhàn)之一[1]。提高超低能耗建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能是建筑節(jié)能的重要方向之一。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對重質(zhì)墻體開展了相關(guān)研究，得出墻體材料對吸放熱特性及室內(nèi)溫差變化具有重要影響。張春芳[2]提出不同蓄熱材料的熱惰性不同，吸放熱特性不同，對室內(nèi)溫度的影響也不同。陳瀟囡[3]提出加入相變材料使墻體內(nèi)部溫度波動平緩，相變材料的使用明顯提高了墻體蓄熱能力。

熱惰性指標(biāo)、衰減倍數(shù)等表征參數(shù)在一定程度上表明墻體的蓄放熱特性[4]。因此本文以中原地區(qū)首個超低能耗建筑——五方科技館為研究對象，實測分析過渡季氣候條件下墻體的熱工性能。通過測試墻體內(nèi)外表面溫度、室內(nèi)空氣溫度等參數(shù)，研究墻體內(nèi)外壁溫的延遲時間以及衰減倍數(shù)等，以此評價墻體的蓄放熱能力。所得結(jié)論可為超低能耗建筑圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 測試概況

研究對象為坐落于河南鄭州的首個首棟超低能耗建筑——五方科技館。該建筑地上3層，總建筑面積1 515.68 m2。

測試的主要參數(shù)包括內(nèi)外壁溫、近壁面溫度、各柱子內(nèi)外壁面溫度、樓板以及屋頂壁面溫度、近壁面熱流密度等。

為研究超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能，分別在四面外墻和窗戶內(nèi)外壁面設(shè)置溫度測點。在2層地面和3層屋頂設(shè)置內(nèi)外壁溫測點和熱流密度測點，測試樓板和屋頂?shù)臒峁ば阅?。室?nèi)具體儀器布置位置如圖1所示。

2 重質(zhì)墻體的蓄放熱特性

2.1 南墻對溫度波的削減作用

墻體對溫濕度波的衰減作用可從室內(nèi)外溫度的變化對比看出，餐廳的室內(nèi)外空氣溫度變化如圖2所示。

從圖2可知，室內(nèi)溫度基本不隨時間變化而變化，基本維持在15.0 ℃～22.0 ℃，而室外溫度則隨時間變化較大，在5.0 ℃～28.0 ℃之間波動。室內(nèi)外平均溫度相差6 ℃左右。室內(nèi)空氣溫度存在一定的波動，這是由于餐廳人員就餐等室內(nèi)環(huán)境變化所引起的。同時，由圖可知在4月6日～4月9日之間室內(nèi)溫度變化很小，保溫材料維持室內(nèi)溫度的效果較為明顯。

2.2 南墻導(dǎo)熱動態(tài)規(guī)律分析

本次測試主要對展廳的壁面溫度以及熱流密度的變化進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，南墻內(nèi)壁面溫度波動在15.0 ℃～20.0 ℃之間，平均氣溫在18.57 ℃，室內(nèi)溫度15.0 ℃～21.0 ℃范圍內(nèi)波動，平均氣溫在18.71 ℃。在9:00～19:00時，室內(nèi)空氣溫度大于南墻體內(nèi)表面溫度，室內(nèi)空氣向重質(zhì)墻體傳遞熱量；20:00～8：00時，重質(zhì)墻體向室內(nèi)傳遞部分熱量，維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。

墻體的逐時導(dǎo)熱熱流變化如圖3所示，其中，數(shù)據(jù)正值表示室內(nèi)空氣以導(dǎo)熱的形式將熱量傳遞給墻體，負(fù)值表示墻體以導(dǎo)熱的形式將熱量傳遞給室內(nèi)空氣。

2.3 墻體對流傳熱過程分析

室內(nèi)通過空氣對流方式向內(nèi)壁面?zhèn)鬟f/吸收的熱量公式為：

(1)

墻體內(nèi)表面熱平衡方程：

外表面向內(nèi)表面的導(dǎo)熱量+室內(nèi)空氣通過對流方式向內(nèi)表面?zhèn)鬟f的熱量=0，即：

qm(n)=λ[tn(n)-tw(n)]/δ

(2)

其中，qm(n)為n時刻墻體外表面向內(nèi)表面?zhèn)鳠崃?，W/m2；λ為墻體導(dǎo)熱系數(shù)；tw(n)為n時刻外壁面溫度；δ為墻體厚度，m。

計算所得的集熱蓄熱墻的瞬時對流傳熱熱流與墻體單位面積的熱損如圖4,圖5所示。

由圖4可知，南墻內(nèi)壁面溫度較為穩(wěn)定，基本維持在15.0 ℃～20.0 ℃之間，而外壁面變化較大，溫度由0 ℃波動至35 ℃。由于墻體保溫材料的優(yōu)良性能，墻體內(nèi)壁面的溫度波動幅度與外壁面相比降低較多。與此同時，墻體單位面積熱損在4 W/m2以內(nèi)。

從圖5中可以看出，每日9:00～19:00時段，室內(nèi)溫度高于墻體內(nèi)壁面溫度，南墻通過對流換熱從室內(nèi)得熱，其最大得熱熱流為：13.05 W/m2，平均得熱熱流為：3.11 W/m2；20:00～8：00時段，南墻向室內(nèi)的最大供熱熱流為：20.10 W/m2，平均供熱熱流為：3.75 W/m2。在測試期間，南墻整體通過對流方式與室內(nèi)空氣的熱傳遞為平衡狀態(tài)。

2.4 圍護結(jié)構(gòu)熱惰性指標(biāo)計算及分析

五方科技館圍護結(jié)構(gòu)均為多層圍護結(jié)構(gòu)，且每層均由一種材料組成，多層圍護結(jié)構(gòu)的D值和各層材料的熱阻與蓄熱系數(shù)可據(jù)GB 50176—2016民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范查得，經(jīng)計算，圍護結(jié)構(gòu)熱惰性指標(biāo)如表1所示。

表1 圍護結(jié)構(gòu)的熱惰性指標(biāo)

熱惰性指標(biāo)D值越大，周期性溫度波在其內(nèi)部的衰減越快，圍護結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性越好。從表1可看出，五方科技館圍護結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性良好，有利于維持墻體內(nèi)壁面溫度的穩(wěn)定性，營造舒適的室內(nèi)熱環(huán)境。

3 墻體動態(tài)蓄放熱分析

3.1 周期內(nèi)各重型墻體蓄、放熱量動態(tài)變化

由于墻體的熱惰性，熱量在墻體中將存在一定的蓄放熱規(guī)律，對各重型墻體的動態(tài)蓄放熱進(jìn)行分析[5]。各朝向墻體蓄放熱情況如圖6所示。

圖6直觀的表示了各重型墻體蓄、放熱量在整個監(jiān)測時段內(nèi)隨時間的變化情況。從圖6可以看出，南墻與西墻的蓄、放熱波動規(guī)律大致相同，21：00～8:00，墻體處于放熱狀態(tài)；白天，由于太陽輻射的作用，墻體處于蓄熱狀態(tài)。西墻蓄、放熱量數(shù)值最大；北向房間接受太陽輻射影響較小，北墻全天大多數(shù)時間都處于放熱狀態(tài)。

3.2 墻體的放蓄比分析

為更好說明墻體蓄放熱特性，引入放蓄比系數(shù)r，表示單位面積墻體在單位時間內(nèi)的放熱量與蓄熱量之比。以24 h的周期作為單位時間，對測試期間各墻體的放蓄比進(jìn)行統(tǒng)計分析，如圖7所示。

由圖7可知，4月6日，北墻的放蓄比遠(yuǎn)大于南墻和西墻，在之后的兩天放蓄比快速下降，至4月8日，放蓄比僅為1.04。相反，南墻的放蓄比在逐步提高?？梢酝茰y墻體中儲存的熱量，以室內(nèi)空氣為媒介存在一定的轉(zhuǎn)移。西墻的放蓄比變化不大，平均值為0.34，說明墻體基本處于蓄熱狀態(tài)。

3.3 夜間墻體蓄放熱量分析

夜間由于缺少太陽輻射，室內(nèi)外溫度均有所下降，此時，墻體的夜間放熱量是維持夜間室溫的關(guān)鍵因素，因此對各墻體的夜間蓄放熱量進(jìn)行統(tǒng)計分析，如圖8所示。

由圖8可知，隨著室外環(huán)境溫度的提高，墻體夜間放熱量總和在逐步下降。其中西墻的夜間放熱量在逐步減少。通過計算發(fā)現(xiàn)，室外環(huán)境溫度每上升1 ℃，夜間放熱量總和減少約2 446 W。而南墻與北墻的夜間放熱量呈現(xiàn)互補的狀態(tài)，兩者的夜間放熱量總和較為穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文以寒冷地區(qū)的一棟典型的超低能耗建筑為對象，通過實測分析在過渡季節(jié)超低能耗建筑的熱工參數(shù)，來評價建筑的蓄放熱能力，得出如下結(jié)論：

1)在測試期間，餐廳的室內(nèi)溫度在15.0 ℃～22.0 ℃范圍內(nèi)波動，室外溫度在5.0 ℃～28.0 ℃之間波動。重質(zhì)墻體房間內(nèi)空氣溫度與室外空氣溫度的波動規(guī)律相同，但室內(nèi)空氣的平均溫度高于室外空氣的平均溫度，差值在6 ℃左右。由此可知五方科技館過渡季重質(zhì)墻對維持室內(nèi)溫度穩(wěn)定的作用十分明顯，體現(xiàn)在重質(zhì)墻體可以有效降低過渡季節(jié)室溫的波動幅度，可有效維持室內(nèi)環(huán)境在適宜的狀態(tài)。

2)南墻外壁面溫度在15.0 ℃～20.0 ℃范圍內(nèi)波動；南墻內(nèi)壁面溫度在0 ℃～35.0 ℃范圍內(nèi)波動，內(nèi)壁面溫度波動幅度遠(yuǎn)小于外壁面溫度波動幅度，且墻體內(nèi)外壁面單位面積的熱損較小，維持在4 W/m2以內(nèi)，說明墻體熱絕緣性能良好。

3)在每日9:00～19:00時段，室內(nèi)溫度高于墻體內(nèi)壁面溫度，南墻通過對流換熱從室內(nèi)得熱，平均得熱熱流為：3.11 W/m2；20:00～8：00時段，平均供熱熱流為：3.75 W/m2。在測試期間，南墻整體通過對流方式與室內(nèi)空氣的熱傳遞為平衡狀態(tài)。在過渡季，場館可實現(xiàn)利用自然通風(fēng)保持舒適的熱環(huán)境，在夏、冬季則需利用主動冷/熱源供應(yīng)，維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定[6]。

4)分析墻體蓄放熱規(guī)律可知，南墻與西墻的蓄、放熱波動規(guī)律大致相同，21：00～8:00，墻體處于放熱狀態(tài)。西墻蓄、放熱量數(shù)值最大；北向房間接受太陽輻射影響較小。從放蓄比的對比可以看出，在4月6日北墻放蓄比遠(yuǎn)大于南墻和西墻，而在4月7日～8日之間，放蓄比不斷下降。而南墻的放蓄比不斷提升，可推測墻體的一部分熱量由空氣從北墻轉(zhuǎn)移到南墻[7]。西墻放蓄比較為穩(wěn)定，平均值為0.34，說明墻體基本處于蓄熱狀態(tài)。