模塊化熱激活墻體性能優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)性分析

摘要：針對制約熱激活類墻體注熱效率提升的低品位熱量集中堆積問題，提出了一種內(nèi)部設(shè)有特定孔道并用于填充熱擴(kuò)散性填料的模塊化熱激活墻體（modular thermo-activated wall， MTAW）。建立了MTAW動態(tài)傳熱模型，基于寒冷地區(qū)冬季氣象條件對比分析了MTAW與2 種參考墻體性能差異，探討了填料腔傾角（θ 值）、填料腔幾何尺寸（a∶b 值）和填料導(dǎo)熱系數(shù)（λf值）對節(jié)能潛力與經(jīng)濟(jì)性的影響。結(jié)果表明：墻體內(nèi)部增設(shè)填料腔并填充熱擴(kuò)散性材料對于總運行能耗和運行費用節(jié)省效果顯著，相比2 種參考墻體，當(dāng)MTAW填料腔長軸橫置且a∶b 為1∶2 時，總運行能耗分別減少2.60%和14.13%；相比2 種參考墻體，MTAW總運行費用分別平均減少12.41%和50.04%；填料腔長軸傾向室內(nèi)側(cè)時，供熱能耗隨θ 值增大呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，各項性能指標(biāo)在θL為60°時更優(yōu)；a∶b 值和λf值與總運行能耗和運行費用成反比，供熱能耗和運行燃?xì)赓M用降低率在λf為12λc時分別為3.03%和34.53%。

關(guān)鍵詞：熱激活建筑系統(tǒng)；模塊化構(gòu)造；模擬仿真；能源效率；經(jīng)濟(jì)性分析

中圖分類號：TU86 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1000-582X（2025）02-074-12

建筑部門約占全球能源消耗的32%，建筑節(jié)能設(shè)計在雙碳背景下愈發(fā)受到關(guān)注[1]。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能與建筑能耗之間存在密切關(guān)系，減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失是實現(xiàn)低碳節(jié)能建筑的重要途徑[2?5]。針對傳統(tǒng)建筑保溫材料使用中存在空間占用、火災(zāi)隱患、性能衰減以及高隱含碳排放等弊端，近年來研究人員開始關(guān)注熱激活建筑系統(tǒng)（thermally activated building system，TABS）[6]。Jiang 等[7]提出了一種可利用低溫?zé)崴疁p少冬季房間熱損失甚至提供輔助供熱的雙層埋管外墻（double-layer pipe-embedded external wall，DPEW），并且研究了水溫和環(huán)境溫度等對DPEW傳熱性能的影響。張志剛等[8]研究了熱管置入式墻體（the wall implanted withheat pipes，WIHP）應(yīng)用于寒冷地區(qū)建筑時對室內(nèi)熱環(huán)境和熱舒適的影響，結(jié)果表明：采用充液率為28.1% 的WIHP 在冬季工作時長內(nèi)可將室內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度升高了1.1 °C，預(yù)測平均熱感覺指數(shù)（predictedmean vote，PMV）指標(biāo)提高32.54%。Romani 等[9]基于短注熱周期運行控制策略研究了熱激活墻體的性能提升方法，結(jié)果表明：管間距和布置深度對內(nèi)墻面溫度和熱流密度影響較大，縮短注熱周期可有效提高墻體效率。為強化熱激活墻體縱向熱擴(kuò)散能力，進(jìn)而在墻體內(nèi)部形成連續(xù)穩(wěn)定的熱屏障層，Shen 等[10]和Biswas 等[11]將流體管道與金屬薄板集成入預(yù)制保溫板中進(jìn)而提出了熱各向異性復(fù)合保溫板，結(jié)果表明：采用縱向強化傳熱措施后可降低空調(diào)年運行費用約30%，證實了熱各向異性建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的技術(shù)可行性。

普通熱激活墻體（conventional thermo-activated wall，CTAW）在運行過程中會在嵌管周邊區(qū)域形成橢圓形溫度堆積場，這些孤島狀溫度堆積所形成的不連續(xù)熱屏障是制約該類墻體能效提升的主要原因[12]。為解決CTAW 嵌管注熱速率與墻體熱擴(kuò)散率不匹配所導(dǎo)致的內(nèi)部熱堆積問題，提出了模塊化熱激活墻體（modular thermo-activated wall，MTAW），其內(nèi)部設(shè)有特定孔道用于填充熱擴(kuò)散性填料。為研究室外諧波熱擾、室內(nèi)溫控?zé)釘_及注熱熱擾疊加作用下的MTAW熱屏障形成特征、規(guī)律及節(jié)能潛力，基于ANSYS Fluent 構(gòu)建并驗證了MTAW 動態(tài)傳熱模型。在此基礎(chǔ)上，對比分析了MTAW、CTAW 及普通高效節(jié)能墻體（conventional high-performance energy-saving wall，CHEW）的節(jié)能潛力和經(jīng)濟(jì)性差異，探索了填料腔傾斜角度（θ 值）、幾何尺寸（a∶b 值）和填料導(dǎo)熱系數(shù)（λf值）對MTAW性能的影響。

1 模塊化熱激活墻體工作模式

圖1 為冬季條件下CHEW、CTAW及MTAW的溫度與熱流分布，不同運行模式下的墻體熱流用不同顏色標(biāo)記。MTAW預(yù)期性能提升如下：顯著優(yōu)化嵌管周邊徑向熱阻，在平行于壁面方向上傳遞更多低品位熱量，墻體內(nèi)部形成的熱屏障層更加連續(xù)穩(wěn)定，墻體綜合能量性能有效提升且額外熱損失控制在較低水平。根據(jù)注入熱源溫度不同，MTAW有3 種典型運行模式：當(dāng)注入水溫低于室溫時（16～22 °C），可降低室內(nèi)供熱能耗并提升墻體內(nèi)表面溫度，為主動保溫模式（見圖1（b））；當(dāng)注入水溫與室溫接近一致時（22 °C），MTAW內(nèi)墻面與室內(nèi)環(huán)境間的傳熱溫差可忽略不計，消除由圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失引起的供熱能耗，為中性模式（見圖1（c））；當(dāng)注入水溫高于室溫時（22～35 °C），MTAW內(nèi)墻面可為室內(nèi)提供輔助供熱甚至直接供熱，為輔助供熱模式（見圖1（d））。