干熱干冷地區圍護結構熱工設計對內表面溫度及室內熱舒適的影響*

西安建筑科技大學 陳 潔 羅智星 楊 柳

0 引言

寒冷地區建筑供暖能耗在建筑總能耗中占有很大的比例，但在建筑能耗中增長最快的是空調制

冷能耗，特別是干熱干冷氣候地區，降溫需求要比其他寒冷地區大得多[1]。寒冷地區建筑節能設計旨在通過圍護結構減少建筑物的熱損失，以此為目標對最小熱阻進行控制，但是提高熱阻的高保溫設計顯然會對夏季散熱產生不利影響[2]。而針對炎熱地區的防熱降溫技術，如蓄熱通風和優化太陽能增益對圍護結構保溫不作要求[3-4]。為達到改善建筑全年室內熱舒適的最終目的，對同一圍護結構在不同季節的熱工性能研究主要集中在以下2個方面：

1) 構造方式對圍護結構熱工性能的影響。墻體熱物性與絕熱材料和蓄熱材料密切相關。蓄熱材料是指能夠吸收熱量、儲存熱量和釋放熱量的高熱容材料，可以延遲和減少室內負荷峰值并降低平均輻射溫度。由于絕熱材料的高熱阻減緩熱流的速率，應用絕熱材料可有效減少建筑熱量的流入或流出，許多學者從熱舒適及經濟性方面建立模型，用于確定外圍護結構的最佳保溫隔熱厚度及相對位置，用來考慮保溫材料對建筑能耗的影響[5-7]。在蓄熱和絕熱技術可能導致熱性能沖突問題上，許多學者提出平衡增加冬季熱量儲存、消除夏季過熱、增加延遲的優化熱工設計[8-10]。在不同材料層組成的復合墻體的蓄熱和傳熱研究上，Asan采用數值模擬的方法，發現保溫隔熱厚度和相對位置對材料的延遲和衰減作用有很大的影響[11]。楊柳等人采用數值模擬方法分析了不同蓄熱體對建筑能耗的影響，提出寒冷地區的蓄熱性能對建筑負荷的相對影響問題,但在改變墻體蓄熱性能時其絕熱部分的蓄熱作用也發生了改變[12]。

2) 室外氣候差異下蓄熱絕熱技術適用性分析。Yilmaz通過對不同干熱和濕熱氣候下相同建筑熱環境的比較分析，提出在干熱氣候下，蓄熱節能技術優于隔熱技術[13]。Zhang等人根據特定區域的給定房間實驗，強調了存在建筑圍護結構材料的理想熱物理性質傳熱和蓄熱的臨界值[14]。王建輝等人通過對不同傳熱系數與建筑能耗的變化規律進行模擬計算，提出室內外溫差較小氣候區域內，圍護結構的保溫性能與建筑空調能耗相關性較小[15]。Kossecka等人研究了6種不同墻體配置用于6種不同氣候地區，結果表明墻體性能和氣候類型會造成11.3%的建筑能耗差異，并且對冷負荷的影響比對熱負荷的影響更明顯[16]。

上述研究表明，圍護結構蓄熱和絕熱層調節熱環境作用機理不同，并且在不同氣候條件下的熱工效果也差異較大。因此，為了探究干熱干冷地區墻體熱工性能對室內熱環境的影響，有必要針對干熱干冷地區氣候特征，尤其是太陽輻射季節差異，對圍護結構蓄熱和絕熱作用在不同得熱需求條件下分別討論，以期對該地區建筑節能設計起到一定的借鑒意義。

1 干熱干冷地區建筑得熱分析

影響氣候的因素很多，海拔、地形、地貌、大氣環流等對局地氣候影響顯著[1]，干冷干熱地區氣候特征表現在太陽短波輻射具有較強的季節差異規律。氣溫年較差、日較差均高于其他寒冷地區，具有冬季寒冷、夏季極端炎熱，并且晝夜溫差顯著的氣候特征，適用蓄熱降溫技術達到建筑防熱目標。當采用累年1、7月的平均溫度和供暖度日數HDD18、供冷度日數CDD26指標進行熱工分區并指導熱工設計時，一方面平均溫度指標無法體現高日較差條件下蓄熱降溫的潛力，另一方面以室外空氣溫度作為判斷指標，忽略了太陽輻射差異對室外綜合溫度的影響。如果采用寒冷地區降低傳熱系數進行建筑保溫和防熱設計的方法，干冷干熱氣候條件下會出現較大差異，因此有必要針對干熱干冷地區氣候特征進行圍護結構熱工設計。

圍護結構在夏季的受熱和傳熱特征與冬季保溫性能以阻抗為主的特點不同,是太陽輻射引起的綜合溫度波動作用下的雙向非穩態傳熱，當室外溫度低于室內溫度時，存在圍護結構內側向室外散熱的過程。外圍護結構的隔熱性能指標,包含結構本身和兩側空氣邊界層抵抗穩態與非穩態兩部分受熱和傳熱的能力。同時,還與冬季供暖時節能要求的保溫性能指標協調一致，在穩定傳熱中，傳熱量的多少和表面溫度、內部溫度的高低與材料的導熱系數和結構的傳熱熱阻密切相關。在諧波熱作用下的周期性傳熱過程中，則與材料層的蓄熱系數及熱惰性有關。優化設計中考慮材料層順序、傳熱和蓄熱性能相互影響作用成為解決圍護結構冬季保溫和夏季散熱矛盾的關鍵。

在夏季條件下，室外空氣溫度和太陽輻射的綜合作用晝夜變化大，將圍護結構外表面受到的室外綜合溫度用tsa來表示，計算公式為

(1)

式中te為室外空氣溫度，℃；ρs為外表面的太陽輻射吸收比；I為投射到圍護結構外表面的太陽輻照度，W/m2；αe為外表面換熱比，W/(m2·℃)。

投射到圍護結構外表面的太陽輻照度I冬夏季節變化不可控制，可以通過控制太陽輻射吸收比ρs來調節圍護結構得熱量，在冬季得熱與夏季防熱之間獲得最優利用效果。

在研究溫差或者熱流量變化時，延遲時間的增加及熱流振幅的衰減與結構的蓄熱作用即結構的熱容量有關。如果綜合溫度不變，即穩態條件，或者當綜合溫度有波動，但外圍護結構的蓄熱相當大導致熱流對于平均值的波動振幅為零，即圍護結構內沒有對應的熱流波動時，通過圍護結構的平均熱流量可以由下式計算：

(2)

在另一種情況下，如綜合溫度有波動而圍護結構無熱容量，則熱流波動與綜合溫度的波動形式相同，且為瞬時波動。在此情況下，任意給定時間θ內通過圍護結構的熱流量為

(3)

式中Q′f為通過圍護結構的瞬時熱量，W；teo為在時間θ內的綜合溫度，℃。

(4)

式中Qf為通過圍護結構的實際熱量，W。

將式(2)、(3)代入式(4)，可得

(5)

構成圍護結構的建筑材料存在一定蓄熱性能，并且建筑受室外周期性非穩定熱作用，實際建筑全年傳熱過程為穩態傳熱及周期性非穩態傳熱交替作用。

2 建筑室內熱環境模擬

根據蓄熱性能高低選取3種蓄熱材料，熱工性能見表1。同時設定滿足寒冷地區節能標準最低熱阻為絕熱層組別1[2]，相對提高絕熱層厚度為組別2，計算不同蓄熱體在2種絕熱條件下的內表面溫度，圍護結構構造方式見表2。

表1 建筑材料熱物性

表2 建筑外墻構造

利用集成化建筑性能分析軟件IES模擬計算典型建筑冬夏季內表面逐時溫度，并對不同外表面太陽輻射吸收比下圍護結構冬夏季得熱量進行計算。

2.1 模型設置

IES利用有限差分傳熱數學模型進行動態傳熱分析，采用ASHRAE標準55中的計算方法分析室內熱舒適，所用逐時氣象數據為典型年氣象數據(CSWD氣象文件)。外部對流換熱模型選取McAdams，太陽輻射模型選取Anisotropic。

干熱干冷地區冬季寒冷、夏季炎熱，太陽輻射強度季節差異性明顯。本文以吐魯番地區(東經89.20°，北緯42.93°)的氣候條件為模擬和討論的背景。選取1棟2層居住建筑為研究對象，地下1層、地上2層。室內熱環境計算參數依據JGJ 26—2010《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》的要求進行設定，冬季供暖室內計算溫度取18 ℃，換氣次數取0.5 h-1，建筑模型如圖1所示。模擬工況設置見表3。

圖1 建筑模型

2.2 熱環境實測與模型驗證

依據實際建筑建立數值模擬模型(傳熱系數K=0.60 W/(m2·K)，熱惰性指標D=5.60)，對數值模擬結果與實測結果進行對比驗證。測試時間選取夏季最熱時段7月26日至8月3日。為了模擬驗證的準確性，測試對象處于自然運行狀態，無主動式調溫措施。

現場采集數據主要包括室內空氣溫度、圍護結構內表面溫度。測試儀器的布置依據JGJ/T 347—2014《建筑熱環境測試方法標準》[17]，如圖2所示。室內環境測試儀器有溫濕度測試儀、自記式四通道溫度計，室外測試儀器有溫濕度測試儀，測試儀器性能見表4。

表3 建筑圍護結構性能

圖2 測點布置圖

表4 測試儀器性能參數

為了保證比較分析的準確性，采用室外溫度和太陽輻射等數據作為模擬邊界條件，選取8月1—2日作為驗證時間，室內空氣溫度和內表面溫度模擬與實測的對比如圖3所示。

圖3 室內空氣溫度和內表面溫度模擬與實測的對比

夏季典型日實測數據表明：室內平均溫度為37.1 ℃，室外平均溫度為37.9 ℃，室內外最大溫差達到8.9 ℃，出現在17：00；室外空氣溫度波幅為16.1 ℃，室內空氣溫度波幅為3.7 ℃，內表面溫度波幅為1.7 ℃，在23：00至次日09：00時間段平均室外空氣溫度低于室內空氣溫度3.25 ℃，低于內表面溫度2.34 ℃，存在室內向室外散熱的邊界條件。實測與模擬值對比可見，在房間自然運行狀態下，室內空氣溫度、內表面溫度模擬值與實測值變化趨勢基本一致，內表面溫度絕對誤差為1.38 ℃，相對誤差為3.73%，室內空氣溫度平均絕對誤差為0.78 ℃，相對誤差為2.09%，模擬值與實測值吻合較好，證明了模擬方法及模型的準確性。

3 保溫與蓄熱對內表面溫度的影響

3.1 夏季典型日內表面溫度

在圍護結構中，由于西墻對室內熱環境影響最大，以西墻為研究對象，選取最熱時段(8月1—3日)進行典型日內表面溫度分析，如圖4所示。

圖4 8月1—3日外墻內表面溫度

由圖4可以看出：隨著蓄熱性能提高，內表面溫度最高值和波幅均顯著降低；蓄熱層對夏季熱量的衰減和延遲作用明顯好于絕熱層；也就是說，在日較差強烈的干熱地區，相對于絕熱降溫，重質圍護結構具有更好的夏季熱環境調節作用。模擬結果與文獻[13]相符合。值得注意的是，在高溫時段，高熱阻內表面溫度明顯降低，夜晚低溫時段熱阻降溫作用減小，也就是說，高熱阻絕熱作用能夠降低由太陽輻射引起的室外綜合溫度波峰值，而針對室內溫度較高但室外綜合溫度相對較低的降溫作用有限。

3.2 冬夏季溫度變化分析

計算6種構造夏季(6—8月)和冬季(12至次年2月)內表面溫度累計值，在此基礎上，為了描述圍護結構保溫和隔熱作用效果，以輕質低保溫結構為對比值，通過下式計算累計溫差變化率。

(6)

式中V0為累計溫差變化率；t0為對比值，℃；ti為內表面溫度累計值，℃。

圖5顯示了冬夏季內表面累計溫差。從圖5可以看出，在相同蓄熱條件下，熱阻增大0.476 m2·K/W，冬季內表面溫度提高4.10%～4.15%，夏季內表面溫度提高0.33%～0.42%。這是因為當室外溫度低于室內溫度時，建筑散熱量受表面溫度和接觸面空氣溫度影響，高熱阻對圍護結構散熱產生不利作用，而干熱地區夏季日較差相對較高。因此，受日較差引起的室內外溫差動態變化影響，干熱干冷地區建筑節能設計存在理論熱阻最大臨界值。熱惰性指標由2.04分別提高到2.92、3.62，冬季內表面溫度總溫差變化率分別為0.1%、0.06%，夏季為0.4%、0.5%，圍護結構蓄熱性能調節室內熱環境作用存在季節差異，夏季影響幅度明顯大于冬季。

圖5 冬夏季內表面累計溫差

4 太陽輻射吸收比對室內熱環境的影響

4.1 全年太陽輻射得熱模擬

減小圍護結構外表面太陽輻射吸收比是夏季防熱的重要措施[18]，適當提高太陽輻射的反射比可有效降低太陽輻射作用下的表面溫度，但會減少圍護結構冬季得熱，對冬季室內熱環境產生不利影響。為分析干熱干冷地區太陽輻射得熱對室內熱環境冬夏季的影響，以輕質低保溫結構(A1)作為外圍護結構，在夏季夜間自然通風(23:00—08:00，15 h-1)工況下，設置外表面分別為涂覆反射隔熱涂料(太陽輻射吸收比β=0.48)、涂覆普通白色涂料(β=0.65)和未涂覆涂料(β=0.73)[19]，模擬冬季和夏季在外墻不同太陽輻射吸收比下圍護結構得熱量的變化情況，計算結果如圖6所示。

圖6 全年太陽輻射量與圍護結構得熱量

夏季平均太陽輻射月累計值為657.0 MJ/m2，冬季平均太陽輻射月累計值為212.3 MJ/m2，太陽輻射季節差異較大，冬季明顯低于夏季。隨著外表面太陽輻射吸收比的增大，夏季圍護結構平均得熱量分別為0.11、0.16、0.18 MW·h，冬季圍護結構平均得熱量分別為-0.74、-0.72、-0.71 MW·h，變化較小，外表面輻射吸收比對夏季得熱量影響大于冬季。研究由太陽輻射引起的周期性熱輸入，建立不同太陽輻射吸收比下圍護結構月平均得熱量差值與太陽輻射月累計值的回歸方程，如圖7所示。太陽輻射吸收比變化對太陽輻射得熱具有顯著影響，降低外表面吸收比可以有效優化該地區圍護結構的全年得熱。

圖7 太陽輻射量與外圍護結構得熱量的關系

4.2 太陽輻射吸收比對室內熱環境的影響

為比較太陽輻射吸收比對室內熱環境的直接影響，采用GB/T 50785—2012《民用建筑室內熱濕環境評價標準》[20]中的計算方法，對不同外表面輻射吸收比下的夏季室內熱環境進行評價。標準中將室內熱環境分為3級：Ⅰ級為90%人可以接受，Ⅱ級為75%的人可以接受，Ⅲ級為少于75%的人可以接受。以預計適應性平均熱感覺指標(APMV)作為評價依據，APMV=-0.5～0.5時為Ⅰ級，APMV=-1～-0.5和APMV=0.5～1時為Ⅱ級，APMV<-1和APMV>1時為Ⅲ級。APMV按下式計算：

(7)

式中PMV為預計平均熱感覺指數；λ為自適應系數，根據不同建筑類型和PMV值確定取值，寒冷地區居住建筑PMV≥0時取0.24，PMV<0時取-0.50。

參考GB/T 50785—2012《民用建筑室內熱濕環境評價標準》對PMV進行取值。夏季服裝熱阻0.50 clo，室內風速0.10 m/s，代謝率1.2 met；冬季服裝熱阻1.50 clo，室內風速0.10 m/s，代謝率1.2 met。選擇7—9月計算夏季室內APMV，各吸收比達到不同等級的總時間見圖8。

圖8 夏季室內ⅠⅢ級熱環境達標總時間

干熱干冷地區輕質低保溫圍護結構建筑夏季室內熱環境較差，Ⅲ級時間占89%～97%。太陽輻射吸收比由0.73降至0.65，Ⅰ級熱環境時長增幅為2.4%，Ⅱ級熱環境時長增幅為4.4%；當吸收比降至0.48時，Ⅰ級熱環境時長增幅為2.9%，Ⅱ級熱環境時長增幅為5.2%。

冬季工況計算結果顯示，3種吸收比條件下室內熱環境APMV均處于-1～0之間，即達到Ⅱ級標準，這是因為太陽輻射強度及室內熱源條件發生改變，冬季外表面輻射吸收比對室內熱環境作用不大。當圍護結構提高蓄熱保溫性能時，太陽輻射吸收比對室內熱環境的影響規律與輕質低保溫條件下相似，但總體夏季熱環境偏好，太陽輻射吸收比引起的室內熱環境差異減小。當外表面輻射吸收比降至0.65時，室內熱舒適時長變化不大，圍護結構外表面適宜的輻射吸收比為0.65。

5 結論

1) 夏季高溫時段，蓄熱層對建筑得熱的衰減和延遲作用明顯高于絕熱層。提高圍護結構蓄熱性能能夠降低夏季內表面溫度，對冬季內表面溫度影響不大，干熱干冷地區建筑降溫設計應優先考慮圍護結構蓄熱作用。

2) 提高圍護結構保溫性能可以提升冬季內表面溫度，同時引起夏季內表面溫度升高，對夏季降溫產生不利影響，干熱干冷地區建筑節能設計存在理論熱阻最高臨界值。

3) 太陽輻射吸收比變化對太陽輻射得熱具有顯著影響，圍護結構月平均得熱量差值與太陽輻射月累計值的回歸方程為y=0.014 75+17.956x，R2=0.916，降低外表面吸收比可以有效優化干熱干冷地區圍護結構全年得熱。夏季吸收比降低0.08～0.25，室內熱環境達標總時間增加6.8%～8.1%。以吐魯番地區為例，圍護結構外表面輻射吸收比適宜值為0.65。