內蒙古草原民居外圍護結構熱惰性研究

金國輝，尚琪

（內蒙古科技大學 土木工程學院，內蒙古 包頭 014000）

0 引 言

降低采暖能耗、提高室內熱舒適性的方法有很多，如：利用新能源、優化空調采暖系統、附加陽光間等，但從可持續發展的角度來看，這些方法并不合理。通過對建筑所在地、使用材料、構造形式等本身特性的研究，使建筑外圍護結構熱阻和蓄熱性能對采暖能耗及室內熱舒適產生影響。因此增加圍護結構的熱阻來提高室內外溫度傳遞的延遲時間、衰減倍數和室內環境的熱穩定性，并利用其蓄熱性能將冬季白天從太陽輻射得到的熱量儲存起來減少室內的供熱量[1]。

針對建筑的熱惰性，國內外已經進行了許多相關的研究。Antonopoulos K A等[2]研究供熱量不同時墻體的有效熱容、時間常數和熱滯后等相關熱惰性參數以及不同的外圍護結構蓄熱部位對延遲時間的影響。Koray Ulgen[3]用實驗測量和理論分析的方法對10種不同類型的墻體溫度的延遲時間及衰減倍數進行研究，結果表明，在設計時應當注意墻體材料的熱物理性質和排列順序，其中多層保溫空心磚墻體的蓄熱性能最優。Jose′L Ferna′ndez等[4]對一棟建筑進行實測研究和理論分析，得出表征綜合建筑物熱惰性的指標Kt，并定義其為綜合熱傳導力與熱容量的商，繪制出熱延遲和衰減這2個指標與Kt的關系曲線，而且提出根據Kt值的大小對建筑進行分類，從而有效地簡化建筑物蓄熱問題。Ozel M[5]通過對12種不同保溫層的墻體結構進行數值計算，分別計算了冬、夏季不同朝向的建筑圍護結構的延遲和衰減倍數，結果表明：從熱惰性視角看，保溫層的位置比厚度對衰減延遲的影響更大。肖志國[6]根據不同的內外保溫形式、保溫層厚度、保溫層材料種類和主體墻面材料建立了相應模型，采用Fluent軟件進行數值模擬。結果表明，外保溫比內保溫的衰減倍數、延遲時間長蓄熱能力和熱穩定性都更好，能夠更有效地緩解室外溫度變化。杜璘[7]通過對圍護結構內表面熱流的特性進行分析，得出了反映室外氣象與圍護結構熱惰性綜合作用的參數，研究了夏季圍護結構傳熱系數的有效性。惠荷[8]利用DeST軟件對西安市公共建筑進行建筑動態能耗模擬，得到全年的動態冷、熱負荷，研究分析了熱惰性指標對冷、熱負荷的影響，說明了墻體熱惰性指標在墻體傳熱時的作用。常晨晨[9]通過建筑實測和Energy Plus軟件模擬，對內蓄熱體與可控內熱源在建筑綜合熱惰性中的影響進行了研究分析。此外，還對蓄熱體體積與熱惰性指標進行了數學擬合，提出了與建筑熱惰性相結合的內熱源調控策略。韓瑩[10]通過實地測量、e QUEST軟件模擬和模型試驗方法研究了寒冷地區住宅建筑物的綜合熱惰性，確定了不同窗墻比、圍護結構保溫、室內人員活動和室內家具對熱惰性的影響。研究結論是：在不考慮太陽輻射的情況下，有無家具對室內溫度變化影響最大，人員設備散熱次之，窗墻比影響最小。劉建偉[11]通過Energy Plus軟件模擬及實地測量的方法，研究了學生公寓樓不同朝向房間在不同采暖條件下的內外壁溫度和室內溫度，分析總結了圍護結構材料、體形系數、朝向與外窗墻比等因素對建筑綜合熱惰性的影響。

目前，關于建筑物熱惰性的研究既有圍護結構的熱工特性或蓄熱特性方面，也有暖通空調與熱惰性相結合研究。但，針對于采暖能耗、室內熱舒適與綜合熱惰性關系的研究相對較少。

1 理論分析

熱惰性是指在一定時間對某材料加一定量的熱，材料表面的溫度改變快慢的性質。建筑外圍護熱惰性（D）表現為其對外界溫度波動的抵抗能力，該性能依賴于建筑本體蓄積熱量和釋放熱量的能力[12]。具體的計算如式（1）所示：

式中：R——材料層熱阻，m2·℃/W；

S——材料層蓄熱系數，W/（m2·℃）。

式中：d——各層材料厚度，m；

λ——各層材料的導熱系數，W/（m·K）。

由式（1）、式（2）得式（3）：

由式（3）可以看出，圍護結構為單層材料時，D值隨材料層厚度的改變而改變；圍護結構為多層材料時，D值取決于各層材料的厚度和蓄熱系數的共同作用。在研究時將外墻面層的厚度和材料設置為定值，外墻主體材料和保溫層的厚度設置為變量，進行研究。

2 建筑模擬分析

2.1 建筑模型

內蒙古達爾罕聯合旗位于嚴寒C區，夏季短暫冬季漫長。夏季早晚寒冷，中午炎熱，持續時間為60 d左右。冬季寒冷干燥，持續時間為176 d左右[13]。

本文選取該地區的一草原民居作為研究模擬對象。建筑面積96 m2，高3 m，坐南朝北。東西向不設置窗戶，換氣次數為0.5次/h，供暖期為10月15日至次年4月15日。建筑平面如圖1。

圖1 某研究對象建筑模型平面

2.2 建筑物圍護結構構造方式（見表1）

表1 圍護結構構造方式

2.3 室內熱擾設置

客廳設備的最大發熱功率為7.2 W/m2，臥室設備的最大發熱功率為8 W/m2，廚房設備的最大發熱功率為30.28 W/m2。室內熱擾作息按照阿爾罕達茂聯合旗地區的居民作息時間調整。房間的照明按照表2的數值設置。

表2 房間照明設置

2.4 模擬不同墻體厚度的組合方案

在建筑外圍護結構中外墻、屋頂和窗戶對采暖能耗大小及室內熱舒適都發揮著重要作用，而且外墻和窗戶占了外圍護結構的50%以上[14]（基于正交試驗方法對建筑圍護結構能耗的因素分析）。因此選取的外圍護結構的主要指標有：南向窗墻比、北向窗墻比、外墻厚度、外墻保溫EPS厚度、外墻保溫XPS厚度、外墻保溫PUR厚度。運用控制變量法，將窗墻比取2個水平，外墻厚度取3個水平，外墻保溫取6個水平。其中各因素水平的取值依據JGJ 26—2010《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》的相關規定。各因素及水平取值如表3所示。

表3 各因素及水平取值

根據表3的取值，采用控制變量法設計96組數據進行試驗模擬，只改變單一因素，而其他因素保持不變，消除其余各因素之間的相互作用影響。利用Designbuilder模擬每種方案的采暖能耗和室內熱舒適值（PMV值）。

3 試驗結果分析

將相同氣象條件下的試驗結果分為無保溫、EPS保溫、XPS保溫及PUR保溫等4種情況，并且區分大窗墻比和小窗墻比時的結果。用最小二乘法將試驗數據擬合，分析得出熱惰性指標（D）與采暖能耗為一元二次多項式函數，D值與PMV為一元一次多項式函數。對于擬合函數使用均方根誤差（SSE）和方程的確定系數（R2）來表示其擬合優度，其中RMSE越趨向0及R2越趨向1就表明方程的變量對y的解釋能力越強。

結果使用最小二乘法擬合，無保溫時，采暖能耗和PMV擬合公式SSE的均值為5.806×10-28和0.001，R2的均值為1和0.998；120 mm厚有保溫時，采暖能耗和PMV擬合公式SSE的均值為 0.202和0.001，R2的均值為0.999和 0.982；240 mm厚有保溫時，采暖能耗和PMV擬合公式SSE的均值為0.048和0.0005，R2的均值為0.9997和0.9875；370 mm厚有保溫時，采暖能耗和PMV擬合公式SSE的均值為0.0110和0.0001，R2的均值為0.9999和0.9910。根據上述結果可知，數據擬合優度良好。圖2～圖5是4種情況的擬合曲線。

圖2 無保溫材料時的擬合曲線

圖2中對D值與采暖能耗進行多項式擬合，二次式擬合效果最好，R2值為1。大、小窗墻比時擬合方程分別見式（4）、式（5）。

根據擬合結果得知：大窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時熱惰性指標為6.754；小窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時熱惰性指標為6.757；由擬合結果和圖2可以看出，小窗墻比得到最小能耗和最佳PMV值時的熱惰性指標優于大窗墻比時的情況。

圖3 120 mm厚墻體有保溫材料時的擬合曲線

根據圖3擬合結果得知：（1）外保溫為EPS、大窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為2.775；小窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為2.839。（2）外保溫為XPS、大窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為3.343，小窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為3.341。（3）外保溫為PUR，大窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為3.178，小窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為3.175。

圖4 240 mm厚墻體有保溫材料時的擬合曲線

根據圖4擬合結果得知：（1）外保溫為EPS、大窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為4.377，小窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為4.375。（2）外保溫為XPS、大窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為4.974，小窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為4.969，（3）外保溫為PUR、大窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為4.787，小窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為4.783。

圖5 370 mm厚墻體有保溫材料時的擬合曲線

根據圖5擬合結果得知：（1）外保溫為EPS，大窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為6.123，小窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為6.122。（2）外保溫為XPS，大窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為6.749，小窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為6.747。（3）外保溫為PUR，大窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為6.545，小窗墻比時，其采暖能耗值最小時為最佳點，此時D值為6.540。

由圖2～圖5擬合結果可以看出，小窗墻比得到最小能耗和最佳PMV值時的熱惰性指標優于大窗墻比時的情況，且PUR的綜合效果優于XPS，XPS的綜合效果優于EPS。

4 結論

通過對草原民居墻厚、保溫層厚度等變量的控制來改變建筑外圍護結構的熱惰性指標，并使用Designbuilder軟件進行模擬，分析了建筑外圍護結構的熱惰性指標對采暖能耗和PMV的關系，并使用最小二乘法擬合出函數曲線。經過MATLAB的擬合分析，得出如下結論。

（1）無保溫時，D值為6.75時建筑采暖能耗最小。

（2）橫向比較，無保溫時，小窗墻比對于采暖能耗的影響明顯優于大窗墻比時的情況，PMV值的結果正好相反；有保溫時，小窗墻比不僅能降低采暖能耗，而且能提高PMV。

（3）縱向比較，有保溫時，墻體越厚能耗越小，PMV越優，此時D值以6.54最佳。

（4）使用PUR時的綜合效果優于XPS，XPS的綜合效果優于EPS。