節(jié)能墻體熱工性能研究

節(jié)能墻體熱工性能研究

主要研究空調(diào)系統(tǒng)。

張自國

(長春工程學(xué)院能源動力工程學(xué)院，長春 130012)

摘要：簡述了墻體節(jié)能單項指標(biāo)傳熱系數(shù)的檢測、計算原理。并對實驗墻體的實際傳熱系數(shù)進(jìn)行了實測，并且與長春地區(qū)墻體傳熱系數(shù)限值對比，滿足設(shè)計要求。通過實測數(shù)據(jù)得出建筑熱工設(shè)計應(yīng)該與采暖系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計結(jié)合起來，才能真正起到建筑節(jié)能的效果。

關(guān)鍵詞：節(jié)能墻體；熱工性能；傳熱系數(shù)；建筑節(jié)能

0引言

建筑節(jié)能是我國節(jié)能減排工作的重要組成部分。目前，我國建筑節(jié)能的工作重點(diǎn)是解決北方城鎮(zhèn)采暖和大型公共建筑能耗大的問題，主要途徑是提高建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，以及提高采暖、空調(diào)和照明系統(tǒng)的能源利用效率[1]。提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能主要以建筑外墻、屋面保溫，增加外窗、外門的氣密性和熱阻為手段。我國的建筑節(jié)能工作是從20世紀(jì)80年代初伴隨著中國實行改革開放政策以后開始的，1986年建設(shè)部頒發(fā)了JGJ26—86《民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》，目標(biāo)是在1980年—1981年當(dāng)?shù)赝ㄓ迷O(shè)計的采暖能耗基礎(chǔ)上節(jié)能30%，也就是第1步節(jié)能，隨后第2步節(jié)能，第3步節(jié)能相繼推出，逐步建立了建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系。到目前為止，我國新建建筑都實現(xiàn)了第3步節(jié)能，并且既有非節(jié)能建筑的節(jié)能改造工作也已經(jīng)全面展開。為了建設(shè)節(jié)約型社會，實現(xiàn)建筑節(jié)能，從而完成國家節(jié)能減排任務(wù)，有必要對節(jié)能建筑墻體的熱工性能進(jìn)行檢測研究。

1墻體熱工性能理論研究

評價建筑節(jié)能效果的常用方法為建筑熱工法[2]。建筑熱工法的關(guān)鍵測量參數(shù)是傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)K作為墻體節(jié)能單項指標(biāo)，是指在穩(wěn)定傳熱條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫差為1 ℃，單位時間內(nèi)通過1 m2面積傳遞的熱量。在進(jìn)行墻體熱工計算時，復(fù)合墻體厚度方向與豎直方向相比很小，可視為熱量僅沿墻體厚度方向傳遞，且可以看作是與時間無關(guān)的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。并且在通常情況下，墻體內(nèi)外表面的溫度都不高，忽略輻射換熱的影響。這時，導(dǎo)熱微分方程可以簡化為

當(dāng)墻體內(nèi)側(cè)的熱流體通過墻體向另一側(cè)的冷流體傳熱時，如圖1所示。已知熱、冷流體的溫度分別為Tf1和Tf2，固體熱、冷表面的溫度分別為Tw1和Tw2，兩邊界層的換熱系數(shù)分別為α1和α2。熱流體通過墻體傳遞給冷流體的熱流密度為

圖1　傳熱模型

則墻體的傳熱系數(shù)為

對于單位面積而言，傳熱總熱阻與傳熱系數(shù)互為倒數(shù)：

上述傳熱計算過程均是將傳熱過程當(dāng)作一維穩(wěn)態(tài)傳熱考慮。二維穩(wěn)態(tài)傳熱，當(dāng)絕熱材料的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且各組成材料的導(dǎo)熱系數(shù)相差較大時，為了計算方便可按表1的修正系數(shù)對熱阻值進(jìn)行修正。

表1　二維穩(wěn)態(tài)傳熱修正系數(shù)

修正計算公式如下：

R二維=γ·R一維。

考查墻體的熱工性能可以重點(diǎn)考核該墻體的傳熱系數(shù)或熱阻是否能夠達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。表2為長春地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值對照表[3]。

表2　不同節(jié)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值

通過表2可以看出對于第3步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)墻體的傳熱系數(shù)只要不大于0.44 W/(m2·℃)就滿足要求。

2墻體熱工性能實驗研究

目前傳熱系數(shù)都是通過測量被測部位的熱流密度然后通過計算求得，通常有2種方法：熱流計法和熱箱法[4]，這2種方法中熱流計法比較常用。在我國東北地區(qū)，冬季室內(nèi)溫度一般在18 ℃左右，且較穩(wěn)定，室外氣溫在零下，因此被測墻體所在房間可以看作是一個大的熱箱，在這樣的環(huán)境條件下用熱流計測量熱流密度誤差不大。本實驗就是在這種條件下進(jìn)行的。實驗對象為長春市某辦公樓，以該辦公樓的北向房間的北側(cè)外墻為實驗?zāi)繕?biāo)。北向房間沒有太陽光的直接照射，可以不考慮太陽直射輻射的影響。此建筑的外墻結(jié)構(gòu)為：內(nèi)抹灰層，400 mm厚空心磚砌體層，80 mm厚EPS板外保溫層，外抹灰層(由內(nèi)至外)。在實驗期間，除實驗人員的例行檢查外，沒有其他人員隨意進(jìn)出，可以避免其他外擾的影響。

實驗主要測量2種參數(shù)：熱流密度和溫度。熱流密度是使用UT71A智能型數(shù)字萬用表間接測量的。當(dāng)熱流沿垂直方向通過熱流傳感器的基準(zhǔn)面時，傳感器內(nèi)測量溫差的元件(熱電堆)可以測量基板2面零點(diǎn)幾度的溫差，而這個溫差可以由熱電堆中熱電偶節(jié)點(diǎn)的熱電勢反映出來，用UT71A智能型數(shù)字萬用表測量出此時的熱電勢數(shù)值乘以熱流傳感器系數(shù)(熱流傳感器的系數(shù)為23.594 w/(m2·mV)，就可以將電信號(mV)轉(zhuǎn)換為熱流密度w/m2。溫度測量采用的是測溫電阻(Pt100)。

圖2　實驗系統(tǒng)圖

將測溫電阻埋設(shè)于墻體內(nèi)，放置于室內(nèi)、外空氣中，將熱流傳感器緊密地粘貼在房間內(nèi)墻面上。用數(shù)據(jù)線將所有的測溫電阻和熱流傳感器與數(shù)據(jù)采集儀相連接。將數(shù)據(jù)采集儀通過數(shù)據(jù)線與計算機(jī)連接，保持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀和計算機(jī)的電源為開啟狀態(tài)，測量數(shù)據(jù)被保存在計算機(jī)中。實驗不僅能夠測量計算得到被測墻體的傳熱系數(shù)，還能夠繪制出墻體內(nèi)的溫度場，從而可以更詳盡地了解被測墻體的熱工性能。以1月16日的數(shù)據(jù)為例繪制出圖3～5。

從圖5中可以看出，墻體外側(cè)加貼EPS保溫層的效果很好，墻體內(nèi)測溫點(diǎn)6的溫度(6 ℃左右)與墻體外表面溫度(-20 ℃左右)二者溫差較大，說明墻體外保溫層起到了良好的保溫性能。從圖3～4可以看出在室外溫度較低的情況下，室內(nèi)空氣溫度波動很小，在0.8 ℃以內(nèi)，室內(nèi)熱環(huán)境較好。但是室溫維持在24 ℃左右，與設(shè)計室內(nèi)計算溫度18～20 ℃相比室內(nèi)溫度偏高，不利于節(jié)能。

圖3　室內(nèi)空氣溫度分布圖

圖4　室外空氣溫度分布圖

圖5　墻體平均溫度分布圖

實測通過墻體的熱流密度平均值為16.8 W/m2。根據(jù)上一節(jié)公式，用實測墻體熱流密度平均值除以被測墻體內(nèi)、外表面溫度平均值之差就可以得出實測墻體的傳熱系數(shù)：16.8/(22.36+20.57)=0.39 W/(m2·℃)。與表2長春地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值進(jìn)行比較，校核傳熱系數(shù)，實測墻體傳熱系數(shù)小于0.44 W/(m2·℃)，已經(jīng)滿足第3步節(jié)能要求。

3結(jié)語

在現(xiàn)有技術(shù)條件下，節(jié)能墻體的熱工性能檢測完全可以通過測量墻體的熱流密度和墻體內(nèi)、外表面溫度，通過傳熱公式計算求得被測墻體的傳熱系數(shù)或熱阻。這種方法測量參數(shù)少，簡單容易操作。

通過實測可以看出EPS保溫層確實起到了較好的保溫效果，在實際施工過程中只要按照圖紙設(shè)計要求施工，墻體的熱工性能都能夠達(dá)到相應(yīng)的規(guī)范要求。通過實測的室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)可以看出：即使是在室外空氣溫度較低的情況下(-20 ℃左右)，室內(nèi)空氣溫度仍能夠達(dá)到24 ℃左右(設(shè)計一般室內(nèi)計算溫度取18~20 ℃)，室內(nèi)氣溫偏高。可見室內(nèi)散熱設(shè)備的散熱能力過大，造成了能源浪費(fèi)。因此，建筑熱工節(jié)能設(shè)計要與供暖節(jié)能設(shè)計相互匹配，否則不能算是真正的建筑節(jié)能。

參考文獻(xiàn)

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doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.015

收稿日期：2015-02-21

作者簡介：張自國(1977-)，男(漢)，吉林敦化，實驗師

中圖分類號：TU111.41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-8984(2015)02-0056-04

The research on the thermal performance to energy-saving wall

ZHANG Zi-guo

(SchoolofEnergy&PowerEngineering，

ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

Abstract：The article sketches the principle of detection and calculation to heat transfer coefficient in the single index of energy-saving wall.It make the real measurement to the heat transfer coefficient in the experimental wall.By comparing with heat transfer coefficient limits in Changchun region，this coefficient meets the design requirements.Through the actual measurement data，the result is that the building thermal design should be combined with the energy saving design of the heating system，to really play the effect of building energy saving.

Key words：energy-saving wall；thermal performance；heat transfer coefficient；building energy saving