空調間歇運行模式下典型飾面內墻節能率研究

王索，毛偉，胡勇兵，2，陳泳帆，宋曉東，龍恩深

（1.中機中聯工程有限公司，重慶 400039；2.重慶富源人力資源管理服務有限公司，重慶 400039；3.四川大學 建筑與環境學院，四川 成都 610065）

0 引言

自行打開或關閉室內空調設備來調節室內熱濕環境的節能運行方式稱為空調間歇運行模式。這種空調控制方式在夏熱冬冷及夏熱冬暖地區的居住建筑中非常普遍（占90%以上），而且在賓館、辦公樓、教學實驗大樓等非集中空調的公共建筑中也大量存在[1]。與現行規范[2-5]“全部時間，全部空間”的計算模式不同，間歇運行模式具有“部分空間、部分時間”的特點。

在該種模式下，建筑內圍護結構（內墻、內門、內窗、樓板等）變成了“準外圍護結構”。相較于建筑的外圍護結構，建筑的內圍護結構的面積更大，影響因素也更多（如人員活動、照明、設備、空調運行模式等）。有研究表明[6-8]，內圍護結構的能耗遠大于外圍護結構，如果建筑內墻全部設置內保溫，節能率將提高40.2%～77.5%。

對此，筆者就間歇空調條件下勻質建筑內墻的蓄熱特性進行研究[9]，發現在4～6 h 以內的間歇運行條件下，建筑內墻主要處于蓄熱狀態，熱量主要蓄存在墻體的表層（蓄冷量占傳入總量的60%），如擾動側（空調側）墻面的飾面材料的導熱系數、體積比熱容小于墻體則可以有效降低墻體的表面熱流，進而實現節能。作為該問題的延續性探究，本文結合實際工程中建筑內墻的構造特點——基層（實心/空心）+找平層+裝飾面層構成的多層非勻質材料，遴選出典型的建筑內墻構造，研究其在典型的空調間歇運行模式時的蓄放熱特性。基于此，定量分析墻體輕質表層材料（本文選用木飾面材料）對于墻體蓄放熱及節能的影響，為建筑節能工程實踐提供參考。

1 典型建筑內墻物理模型的建立

1.1 典型建筑內墻

本文遴選的5種典型內墻構造：混凝土墻體（HNT）；發泡混凝土墻體（FPHNT）；飾面發泡混凝土墻體（SM-FPHNT）；空心磚墻體（KXZ）；飾面空心磚墻體（SM-KXZ）。如圖1所示。

圖1 5種典型內墻構造示意

本文將以上墻體分為實心墻體對照組：混凝土墻體、發泡混凝土墻體、飾面發泡混凝土墻；空心磚墻體對照組：混凝土墻體、空心磚墻體、飾面空心磚墻體。對2 組進行比較分析。

1.2 墻體非穩態傳熱物理模型建立

墻體基本傳熱模型如圖2所示，墻體兩側為第3 類邊界條件，對流換熱系數為8.7 W/（m2·K），上下為絕熱邊界條件。基墻設置為勻質墻體或空心磚墻體，其中空心磚空腔內的空氣滿足Boussinseq 假設，輻射模型采用DO 模型。空心磚模型設置62293 個網格并在空腔區域加密，有較好的網格獨立性。兩側的氣流溫度值以實驗室的實測溫度作為輸入條件，計算時間步長為5 min，共計算4 d，取最后1 d 的數據進行分析以消除初始溫度的影響。表1所示為以上5種典型墻體所涉及材料的物性參數。

圖2 簡化二維物理模型示意

表1 墻體材料物理參數

2 典型空調間歇模式及其實驗

李彥儒等[10]采用問卷調查的方法研究了居住建筑和辦公建筑空調間歇運行的典型模式，通過對全國210 份調查問卷間歇分析得出了4種典型間歇模式：辦公10 h 模式、辦公4+4 h 模式、居家1+2+3 h 模式、居家2+2 h 模式（如圖3 灰色區域所示）。

針對這4種間歇運行模式，筆者于2015年8月利用鄰室傳熱實驗平臺間歇模擬運行（如圖4所示），其中本室側分體式空調設置20 ℃，鄰室側自然狀態。該兩處房間僅一層公用一面墻，其余墻體均為外墻且無窗，兩側的氣溫波動情況如圖3所示，該溫度值作為前述墻體計算模型的計算邊界條件。

圖3 間歇啟停模式及模擬運行溫度

圖4 建筑內墻蓄放熱實驗照片及簡化示意

3 分析與討論

本室空調開啟后，氣溫降低，空調冷量通過墻體向鄰室傳遞（文中以負值表示傳冷）。針對空調啟動時段內，本室側累積向墻體內傳遞的冷量作為表征，以分析墻體構造、飾面材料的節能效果。節能率均以混凝土墻體為基準參考，表征本室空調冷量節約量的百分比。

3.1 辦公10 h 啟停模式

辦公10 h 啟停模式典型墻體傳熱量的統計見表2。

表2 辦公10 h 啟停模式典型墻體傳熱量的統計

從表2 可以看出，在實心對照組中，發泡混凝土墻體與飾面發泡混凝土墻體全天節能率分別為61.0%和60.2%，在該種工況下，發泡混凝土墻體飾面與否節能率差異不大。在空心墻材對照組中，空心磚墻體與飾面空心磚墻體全天節能率分別為32.3%和38.4%，復合飾面材料后節能率提高6.1 個百分點。飾面發泡混凝土墻體比飾面空心磚墻體節能率提升21.8 個百分點。

3.2 辦公4+4 h 啟停模式

辦公4+4 h 啟停模式典型墻體的傳熱量的統計見表3。

從表3 可以看出，在實心墻體對照組中，發泡混凝土墻體與飾面發泡混凝土墻體全天節能率分別為47.5%和51.9%，復合飾面材料后節能率提高4.4 個百分點。在空心墻體對照組中，空心磚墻體與飾面空心磚墻體全天節能率分別為26.0%和34.7%，復合飾面材料后節能率提升8.7 個百分點。在2 個對照組中，14：00～18：00 時間段內的的節能率要高于08：00～12：00 時段。飾面發泡混凝土墻體比飾面空心磚墻體全天節能率提升17.2 個百分點。

表3 辦公4+4 h 啟停模式典型墻體的傳熱量的統計

3.3 居家1+2+3 h 啟停模式

居家1+2+3 h 模式典型墻體的傳熱量的統計見表4。

表4 居家1+2+3 h 模式典型墻體的傳熱量的統計

從表4 可以看出，在實心墻體對照組中，發泡混凝土墻體與飾面發泡混凝土墻體全天節能率分別為30.3%和39.5%，復合飾面材料后節能率提升9.2 個百分點。在空心墻體對照組中，空心磚墻體與復合飾面材料的空心磚墻體全天節能率分別為18.9%和31.0%，復合飾面材料后節能率提升12.1 個百分點。在2 組對照組中，07：00～8：00 時段的節能率最低。飾面發泡混凝土墻體比飾面空心磚墻體全天節能率提升8.5 個百分點。

3.4 居家2+2 h 啟停模式

居家2+2 h 模式墻體的傳熱量的統計見表5。

表5 居家2+2 h 模式墻體的傳熱量的統計

從表5 可以看出，在實心墻體對照組中，發泡混凝土墻體與飾面發泡混凝土墻體全天節能率分別為25.2%和34.6%，復合飾面材料后節能率提升9.4 個百分點。在空心墻體對照組中，空心磚墻體與飾面空心磚墻體全天節能率分別為15.4%和28.3%，復合飾面材料后節能率提升12.9 個百分點。飾面發泡混凝土墻體比飾面空心磚墻體節能率提升6.3 個百分點。

4 結論與展望

建立了5種典型建筑內墻物理數學模型，在4種間歇空調運行氣溫數據下模擬計算，針對其節能特性得出如下結論：

（1）在文中所述的4種間歇模式下，發泡混凝土和空心磚墻體較混凝土墻體都能較好地降低室內能耗。此外，在辦公4+4 h 模式、居家1+2+3 h 模式、居家2+2 h 下，復合輕質的飾面材料后都可以進一步的提升節能率。

（2）飾面材料的厚度占墻體厚度不足4%，熱阻提升量不到0.5%（根據表1 折算），但對于實心墻體，復合輕質的飾面材料后，可以進一步提升節能率；對于空心磚墻體，提升效果更為明顯。

（3）復合輕質的飾面材料在壁面的這種做法對于提升節能率，居家1+2+3 h 模式>居家2+2 h 模式>辦公4+4 h 模式>辦公10 h 模式。間歇頻次越高、間隙時間越短，飾面材料的節能效果越明顯。

（4）間歇采暖空調運行尤其是短間歇運行的的建筑裝飾工程中，僅需選用飾面、軟包、墻紙等輕質的內墻飾面材料墻，就可以起到一定的節能效果，而且幾乎不增加成本造價，對于建筑節能工作具有一定的實際意義。