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摘要:重質(zhì)墻體通過其內(nèi)壁面與空氣間熱傳遞過程對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境造成直接影響，因墻體具有蓄放熱特性，對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的分布規(guī)律具有重要影響。選取鄭州五方科技館為研究對(duì)象，對(duì)過渡季節(jié)重質(zhì)墻體的內(nèi)外壁溫、熱流密度等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，定量分析重質(zhì)墻體過渡季條件下的熱工特性與蓄放熱過程。所得結(jié)論可為中原地區(qū)超低能耗建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:超低能耗建筑;蓄放熱特性;圍護(hù)結(jié)構(gòu);熱惰性

如何維持適宜的室內(nèi)環(huán)境，以及降低建筑能耗是全球建筑業(yè)發(fā)展的重要課題。能源問題將成為社會(huì)發(fā)展乃至人類生存所面臨的挑戰(zhàn)之一［1］。提高超低能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能是建筑節(jié)能的重要方向之一。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)重質(zhì)墻體開展了相關(guān)研究，得出墻體材料對(duì)吸放熱特性及室內(nèi)溫差變化具有重要影響。張春芳［2］提出不同蓄熱材料的熱惰性不同，吸放熱特性不同，對(duì)室內(nèi)溫度的影響也不同。陳瀟囡［3］提出加入相變材料使墻體內(nèi)部溫度波動(dòng)平緩，相變材料的使用明顯提高了墻體蓄熱能力。熱惰性指標(biāo)、衰減倍數(shù)等表征參數(shù)在一定程度上表明墻體的蓄放熱特性［4］。因此本文以中原地區(qū)首個(gè)超低能耗建筑———五方科技館為研究對(duì)象，實(shí)測(cè)分析過渡季氣候條件下墻體的熱工性能。通過測(cè)試墻體內(nèi)外表面溫度、室內(nèi)空氣溫度等參數(shù)，研究墻體內(nèi)外壁溫的延遲時(shí)間以及衰減倍數(shù)等，以此評(píng)價(jià)墻體的蓄放熱能力。所得結(jié)論可為超低能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1測(cè)試概況

研究對(duì)象為坐落于河南鄭州的首個(gè)首棟超低能耗建筑———五方科技館。該建筑地上3層，總建筑面積1515．68m2。測(cè)試的主要參數(shù)包括內(nèi)外壁溫、近壁面溫度、各柱子內(nèi)外壁面溫度、樓板以及屋頂壁面溫度、近壁面熱流密度等。為研究超低能耗建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，分別在四面外墻和窗戶內(nèi)外壁面設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)。在2層地面和3層屋頂設(shè)置內(nèi)外壁溫測(cè)點(diǎn)和熱流密度測(cè)點(diǎn)，測(cè)試樓板和屋頂?shù)臒峁ば阅?。室?nèi)具體儀器布置位置如圖1所示。

2重質(zhì)墻體的蓄放熱特性

2．1南墻對(duì)溫度波的削減作用

墻體對(duì)溫濕度波的衰減作用可從室內(nèi)外溫度的變化對(duì)比看出，餐廳的室內(nèi)外空氣溫度變化如圖2所示。從圖2可知，室內(nèi)溫度基本不隨時(shí)間變化而變化，基本維持在15．0℃～22．0℃，而室外溫度則隨時(shí)間變化較大，在5．0℃～28．0℃之間波動(dòng)。室內(nèi)外平均溫度相差6℃左右。室內(nèi)空氣溫度存在一定的波動(dòng)，這是由于餐廳人員就餐等室內(nèi)環(huán)境變化所引起的。同時(shí)，由圖可知在4月6日～4月9日之間室內(nèi)溫度變化很小，保溫材料維持室內(nèi)溫度的效果較為明顯。

2．2南墻導(dǎo)熱動(dòng)態(tài)規(guī)律分析

本次測(cè)試主要對(duì)展廳的壁面溫度以及熱流密度的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，南墻內(nèi)壁面溫度波動(dòng)在15．0℃～20．0℃之間，平均氣溫在18．57℃，室內(nèi)溫度15．0℃～21．0℃范圍內(nèi)波動(dòng)，平均氣溫在18．71℃。在9:00～19:00時(shí)，室內(nèi)空氣溫度大于南墻體內(nèi)表面溫度，室內(nèi)空氣向重質(zhì)墻體傳遞熱量;20:00～8:00時(shí)，重質(zhì)墻體向室內(nèi)傳遞部分熱量，維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。墻體的逐時(shí)導(dǎo)熱熱流變化如圖3所示，其中，數(shù)據(jù)正值表示室內(nèi)空氣以導(dǎo)熱的形式將熱量傳遞給墻體，負(fù)值表示墻體以導(dǎo)熱的形式將熱量傳遞給室內(nèi)空氣。

2．3墻體對(duì)流傳熱過程分析

室內(nèi)通過空氣對(duì)流方式向內(nèi)壁面?zhèn)鬟f/吸收的熱量公式為:qi=αcin［tr(n)－tn(n)］(1)其中，qi為n時(shí)刻內(nèi)室內(nèi)通過空氣對(duì)流方式向內(nèi)壁面?zhèn)鬟f/吸收的熱量，W/m2;αcin為內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)，取8．7W/(m2·℃);tr(n)為n時(shí)刻室內(nèi)溫度;tn(n)為n時(shí)刻內(nèi)壁面溫度。墻體內(nèi)表面熱平衡方程:外表面向內(nèi)表面的導(dǎo)熱量+室內(nèi)空氣通過對(duì)流方式向內(nèi)表面?zhèn)鬟f的熱量=0，即:qm(n)=λ［tn(n)－tw(n)］/δ(2)其中，qm(n)為n時(shí)刻墻體外表面向內(nèi)表面?zhèn)鳠崃浚琖/m2;λ為墻體導(dǎo)熱系數(shù);tw(n)為n時(shí)刻外壁面溫度;δ為墻體厚度，m。計(jì)算所得的集熱蓄熱墻的瞬時(shí)對(duì)流傳熱熱流與墻體單位面積的熱損如圖4，圖5所示。由圖4可知，南墻內(nèi)壁面溫度較為穩(wěn)定，基本維持在15．0℃～20．0℃之間，而外壁面變化較大，溫度由0℃波動(dòng)至35℃。由于墻體保溫材料的優(yōu)良性能，墻體內(nèi)壁面的溫度波動(dòng)幅度與外壁面相比降低較多。與此同時(shí)，墻體單位面積熱損在4W/m2以內(nèi)。從圖5中可以看出，每日9:00～19:00時(shí)段，室內(nèi)溫度高于墻體內(nèi)壁面溫度，南墻通過對(duì)流換熱從室內(nèi)得熱，其最大得熱熱流為:13．05W/m2，平均得熱熱流為:3．11W/m2;20:00～8:00時(shí)段，南墻向室內(nèi)的最大供熱熱流為:20．10W/m2，平均供熱熱流為:3．75W/m2。在測(cè)試期間，南墻整體通過對(duì)流方式與室內(nèi)空氣的熱傳遞為平衡狀態(tài)。

2．4圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性指標(biāo)計(jì)算及分析

五方科技館圍護(hù)結(jié)構(gòu)均為多層圍護(hù)結(jié)構(gòu)，且每層均由一種材料組成，多層圍護(hù)結(jié)構(gòu)的D值和各層材料的熱阻與蓄熱系數(shù)可據(jù)GB50176—2016民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范查得，經(jīng)計(jì)算，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性指標(biāo)如表1所示。熱惰性指標(biāo)D值越大，周期性溫度波在其內(nèi)部的衰減越快，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性越好。從表1可看出，五方科技館圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性良好，有利于維持墻體內(nèi)壁面溫度的穩(wěn)定性，營(yíng)造舒適的室內(nèi)熱環(huán)境。

3墻體動(dòng)態(tài)蓄放熱分析

3．1周期內(nèi)各重型墻體蓄、放熱量動(dòng)態(tài)變化

由于墻體的熱惰性，熱量在墻體中將存在一定的蓄放熱規(guī)律，對(duì)各重型墻體的動(dòng)態(tài)蓄放熱進(jìn)行分析［5］。各朝向墻體蓄放熱情況如圖6所示。圖6直觀的表示了各重型墻體蓄、放熱量在整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)隨時(shí)間的變化情況。從圖6可以看出，南墻與西墻的蓄、放熱波動(dòng)規(guī)律大致相同，21:00～8:00，墻體處于放熱狀態(tài);白天，由于太陽(yáng)輻射的作用，墻體處于蓄熱狀態(tài)。西墻蓄、放熱量數(shù)值最大;北向房間接受太陽(yáng)輻射影響較小，北墻全天大多數(shù)時(shí)間都處于放熱狀態(tài)。

3．2墻體的放蓄比分析

為更好說明墻體蓄放熱特性，引入放蓄比系數(shù)r，表示單位面積墻體在單位時(shí)間內(nèi)的放熱量與蓄熱量之比。以24h的周期作為單位時(shí)間，對(duì)測(cè)試期間各墻體的放蓄比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖7所示。由圖7可知，4月6日，北墻的放蓄比遠(yuǎn)大于南墻和西墻，在之后的兩天放蓄比快速下降，至4月8日，放蓄比僅為1．04。相反，南墻的放蓄比在逐步提高。可以推測(cè)墻體中儲(chǔ)存的熱量，以室內(nèi)空氣為媒介存在一定的轉(zhuǎn)移。西墻的放蓄比變化不大，平均值為0．34，說明墻體基本處于蓄熱狀態(tài)。

3．3夜間墻體蓄放熱量分析

夜間由于缺少太陽(yáng)輻射，室內(nèi)外溫度均有所下降，此時(shí)，墻體的夜間放熱量是維持夜間室溫的關(guān)鍵因素，因此對(duì)各墻體的夜間蓄放熱量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖8所示。由圖8可知，隨著室外環(huán)境溫度的提高，墻體夜間放熱量總和在逐步下降。其中西墻的夜間放熱量在逐步減少。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，室外環(huán)境溫度每上升1℃，夜間放熱量總和減少約2446W。而南墻與北墻的夜間放熱量呈現(xiàn)互補(bǔ)的狀態(tài)，兩者的夜間放熱量總和較為穩(wěn)定。

4結(jié)語

本文以寒冷地區(qū)的一棟典型的超低能耗建筑為對(duì)象，通過實(shí)測(cè)分析在過渡季節(jié)超低能耗建筑的熱工參數(shù)，來評(píng)價(jià)建筑的蓄放熱能力，得出如下結(jié)論:1)在測(cè)試期間，餐廳的室內(nèi)溫度在15．0℃～22．0℃范圍內(nèi)波動(dòng)，室外溫度在5．0℃～28．0℃之間波動(dòng)。重質(zhì)墻體房間內(nèi)空氣溫度與室外空氣溫度的波動(dòng)規(guī)律相同，但室內(nèi)空氣的平均溫度高于室外空氣的平均溫度，差值在6℃左右。由此可知五方科技館過渡季重質(zhì)墻對(duì)維持室內(nèi)溫度穩(wěn)定的作用十分明顯，體現(xiàn)在重質(zhì)墻體可以有效降低過渡季節(jié)室溫的波動(dòng)幅度，可有效維持室內(nèi)環(huán)境在適宜的狀態(tài)。2)南墻外壁面溫度在15．0℃～20．0℃范圍內(nèi)波動(dòng);南墻內(nèi)壁面溫度在0℃～35．0℃范圍內(nèi)波動(dòng)，內(nèi)壁面溫度波動(dòng)幅度遠(yuǎn)小于外壁面溫度波動(dòng)幅度，且墻體內(nèi)外壁面單位面積的熱損較小，維持在4W/m2以內(nèi)，說明墻體熱絕緣性能良好。3)在每日9:00～19:00時(shí)段，室內(nèi)溫度高于墻體內(nèi)壁面溫度，南墻通過對(duì)流換熱從室內(nèi)得熱，平均得熱熱流為:3．11W/m2;20:00～8:00時(shí)段，平均供熱熱流為:3．75W/m2。在測(cè)試期間，南墻整體通過對(duì)流方式與室內(nèi)空氣的熱傳遞為平衡狀態(tài)。在過渡季，場(chǎng)館可實(shí)現(xiàn)利用自然通風(fēng)保持舒適的熱環(huán)境，在夏、冬季則需利用主動(dòng)冷/熱源供應(yīng)，維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定［6］。4)分析墻體蓄放熱規(guī)律可知，南墻與西墻的蓄、放熱波動(dòng)規(guī)律大致相同，21:00～8:00，墻體處于放熱狀態(tài)。西墻蓄、放熱量數(shù)值最大;北向房間接受太陽(yáng)輻射影響較小。從放蓄比的對(duì)比可以看出，在4月6日北墻放蓄比遠(yuǎn)大于南墻和西墻，而在4月7日～8日之間，放蓄比不斷下降。而南墻的放蓄比不斷提升，可推測(cè)墻體的一部分熱量由空氣從北墻轉(zhuǎn)移到南墻［7］。西墻放蓄比較為穩(wěn)定，平均值為0．34，說明墻體基本處于蓄熱狀態(tài)。

參考文獻(xiàn):

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［5］陳翠英．墻體的蓄放熱特性對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)作用的研究［D］．大連:大連理工大學(xué)，2006．

［6］王舒寒，鐘珂，劉鑫，等．不同供暖時(shí)間比對(duì)間歇供暖房間內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗的影響［J］．建筑科學(xué)，2018，34(4):41－47．

［7］王厚華，季文慧，張真真．貴州省居住建筑復(fù)合墻體動(dòng)態(tài)蓄放熱特性分析［J］．暖通空調(diào)，2016，46(8):29，107－112．

作者:陳先志 張幸濤2 崔國(guó)游 宋文軒 贠清華 朱佳音 單位:河南五方合創(chuàng)建筑設(shè)計(jì)有限公司 鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院