建筑外墻熱特性指標計算分析

李麗 李安邦 徐新華

華中科技大學建筑環(huán)境與能源應用工程系

建筑外墻熱特性指標計算分析

李麗 李安邦 徐新華

華中科技大學建筑環(huán)境與能源應用工程系

采用理論計算方法對多種不同建筑外墻的熱特性指標（衰減倍數(shù)與延遲時間）進行了計算，并將計算得到的結(jié)果與相關手冊中推薦的近似公式計算的結(jié)果進行對比，分析了手冊推薦的簡化公式的可靠性。結(jié)果表明，兩種方法在計算衰減倍數(shù)時的偏差較小，而在計算延遲時間時的偏差很大。

建筑墻體 理論計算 簡化公式 衰減倍數(shù) 延遲時間

0 引言

墻體傳熱的衰減倍數(shù)和延遲時間既是評價建筑墻體保溫隔熱性能的重要指標[1]，也是采用諧波反應法計算由墻體傳熱導致的空調(diào)負荷的重要參數(shù)。衰減倍數(shù)反映墻體對溫度波作用的抵抗能力，衰減倍數(shù)越大，其對溫度波作用的抵抗能力就越強，延遲時間反映墻體對溫度波作用的響應速率，延遲時間越大，墻體對溫度波作用的響應速率則越慢。增加墻體的衰減倍數(shù)和延遲時間有利于室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定，并可以減少由墻體傳熱導致的空調(diào)負荷。關于建筑墻體周期性傳熱的衰減倍數(shù)和延遲時間，工程中普遍采用文獻[2]中推薦的簡化公式進行計算，此公式是20世紀50年代由蘇聯(lián)什克洛維爾提出的n層板壁的近似計算公式[3]。

為評價文獻[2]中推薦的簡化公式的可靠性，采用理論計算方法對多種不同建筑外墻的熱特性指標（衰減倍數(shù)和延遲時間）進行了計算，并將計算得到的墻體周期性傳熱的衰減倍數(shù)和延遲時間與手冊中推薦的簡化公式計算結(jié)果進行對比。文獻[2]中的熱特性指標的簡化計算公式是基于周期24 h外擾作用的下得到。

理論計算法是通過對墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱的偏微分方程進行拉氏變換得到墻體熱力系統(tǒng)的傳遞矩陣，并采用傳遞矩陣計算出墻體在某頻率（周期24h）外擾作用下的頻域熱響應，從而得到周期24h的正弦室外溫度波傳至墻體內(nèi)表面的衰減倍數(shù)和延遲時間。

1 簡化公式計算

文獻[2]中，對于不穩(wěn)定傳熱，熱特性指標采用簡化公式計算，建筑墻體的總衰減倍數(shù)按式（1）計算：

圖1 多層圍護結(jié)構(gòu)層次排列示意圖

建筑墻體的延遲時間按式（2）計算：

式中：yk，yk-1分別為空氣間層外表面和空氣間層前一層材料外表面蓄熱系數(shù)，W/(m2·K)；ye為圍護結(jié)構(gòu)外表面蓄熱系數(shù)，W/(m2·K)；Rk為空氣間層熱阻，m2·K/W，Rk=0.16(m2·K)/W；yki為空氣間層內(nèi)表面蓄熱系數(shù)，W/ (m2·K)。

2 理論計算

以室外溫度為墻體熱力系統(tǒng)的輸入，墻體內(nèi)表面溫度為墻體熱力系統(tǒng)的輸出，則單層墻體熱力系統(tǒng)的傳遞矩陣為：

多層墻體熱力系統(tǒng)的傳遞矩陣為:

墻體的傳熱頻率響應是當室溫保持為零時，墻體對室外側(cè)不同頻率正弦波溫度波幅的衰減倍數(shù)和時間延遲。在給定室內(nèi)側(cè)溫度T（l,s）和室外側(cè)溫度T（0,s）的條件下，墻體內(nèi)表面處的溫度可經(jīng)式（4）變換推導得到。當室溫T（l,s）=0，墻體內(nèi)表面溫度如式（5）所示：

考慮不同周期熱擾下的傳熱頻率響應，令S=iω，得到墻體內(nèi)表面對室外溫度擾量的衰減倍數(shù)為：

式中：|B(iωn)|為復數(shù)B(iωn)的模。

墻體內(nèi)表面對室外溫度擾量的延遲時間為:

3 墻體熱工特性

基于上述兩種計算方法，選取四種墻體進行計算分析。選取的墻體來源于文獻[5]中的“Table 19”，表1中墻體2對應文獻中1#墻體，表1中墻體4對應文獻中12#墻體。其中墻體1、3是在墻體2、4的基礎上不含空氣夾層的墻體。各種墻體材料的熱物理性能參數(shù)參見表1。

表1 墻體材料熱物理性能參數(shù)

4 計算結(jié)果與分析

在周期為24 h（ω=π/12）的周期性外擾作用下，采用手冊公式法和理論計算法，計算得到四種墻體的衰減倍數(shù)和延遲時間如表2所示。

表2 墻體熱特性指標

文獻[5]中，1#墻體（即本文墻體2）的延遲時間為1.3h，12#墻體（即本文墻體4）的延遲時間為7.25h。理論計算法得到的1#墻體的延遲時間為1.36h，12#墻體的延遲時間為7.23h，與文獻[5]中給出的延遲時間數(shù)值非常相近。

兩種計算方法計算的四種墻體的衰減倍數(shù)存在一定的差異，但相差不大，最大相對偏差為6.32%。兩種方法計算墻體1的延遲時間相差3.12%，而墻體2（含空氣夾層）的延遲時間相差12.26%；兩種方法計算的墻體3和墻體4（含空氣夾層）的延遲時間都存在較大差異，分別相差142.92%和125.68%。

5 結(jié)論

由計算結(jié)果可知，手冊公式法計算得到的衰減倍數(shù)、延遲時間與理論計算法的數(shù)據(jù)存在一定的差異，雖然兩種方法計算的衰減倍數(shù)差異不大，但是在延遲時間上存在較大差異，最大相差142.92%。墻體的衰減倍數(shù)與延遲時間是采用諧波反應法計算通過建筑墻體逐時傳熱量時的重要參數(shù)，所以衰減倍數(shù)和延遲時間的計算選取會影響由建筑墻體傳熱導致的空調(diào)負荷的計算。由于采用手冊推薦的公式法計算墻體延遲時間會產(chǎn)生較大的偏差，因此建議在墻體延遲時間計算時采用理論計算法。

[1]王厚華,莊燕燕,吳偉偉.幾種復合墻體構(gòu)造的熱工性能數(shù)值分析[J].重慶大學學報,2010,33(5):126-132

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[3]A M什克洛維爾.周期性熱作用下的傳熱[M].北京:中國工業(yè)出版社,1964

[4]彥啟森,趙慶珠.建筑熱過程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1986

[5]ASHRAE.ASHRAE Handbook-Fundamentals 1997[M].Atlanta:American Society of Heating,Refrigerating and Air-Condition--ing Engineers,1997

[6]桑國臣,朱軼韻.拉薩地區(qū)節(jié)能墻體對室外綜合溫度擾量的頻率響應[J].西安理工大學學報,2011,27(2):177-184

[7]龍激波,張磊.室外氣候作用下建筑外墻含濕量對熱工性能的影響[J].湘潭大學自然科學學報,2009,31(4):73-77

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Study of the The rm a l Cha ra c te ris tic Indic e s of Building Exte rna l Wa ll

LI Li,LI An-bang,XU Xin-hua
Department of Building Environment and Energy Application Engineering, Huazhong University of Science and Technology

The thermal characteristic in different building external wall are calculated by using the theoretical method. The calculated decay factor and time lags are then compared with that calculated by using the simplified formula presented by a related manual.The reliability of the simplified formula is analyzed.The results indicate that the deviations between the two methods are not obvious in calculating the decay rates while very great in calculating the time lags.

building envelope,theoretical method,simplified formula,decay factor,time lags

1003-0344（2015）05-006-3

2014-5-22

李安邦（1989～），男，博士研究生；湖北省武漢市洪山區(qū)珞喻路1037號華中科技大學環(huán)境科學與工程學院（430074）；E-mail:LiAnbang@hust.edu.cn

國家自然科學基金（51178201）；新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目（NCET110189）；

教育部高等學校博士點專項基金（20120142110078）