空調(diào)間歇運行模式下外墻內(nèi)外保溫的能耗特性對比

程 飛， 張 旭， 蘇 醒

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 201804)

外墻傳熱是住宅、小型辦公建筑等建筑物的空調(diào)能耗的主要來源之一，改善外墻的熱工性能是降低建筑空調(diào)能耗的主要手段之一.但對于我國夏熱冬冷地區(qū)而言，一方面其特殊的氣候條件決定了該地區(qū)的空調(diào)用能以供冷能耗為主導(dǎo)；另一方面，分體式房間空調(diào)器是該地區(qū)住宅、小型辦公建筑等建筑物的主要空調(diào)設(shè)備類型，而間歇運行是分體式房間空調(diào)器運行的主要特征之一.在空調(diào)器間歇運行的模式下，建筑物使用時間段的差異、空調(diào)器運行方式的差異均會導(dǎo)致建筑物外墻保溫節(jié)能效果的差異.因此，對于該地區(qū)住宅及小型辦公建筑的外墻保溫形式一直存在較大的爭議.外墻保溫形式按其保溫層所在位置，可分為自保溫外墻系統(tǒng)、外墻外保溫系統(tǒng)、外墻內(nèi)保溫系統(tǒng)和外墻夾芯保溫系統(tǒng)4種類型.在這4種類型中，外墻外保溫系統(tǒng)和外墻內(nèi)保溫系統(tǒng)是目前應(yīng)用最普遍也是相對比較成熟的外墻保溫形式，因此，目前爭議的焦點主要集中在外墻外保溫系統(tǒng)和外墻內(nèi)保溫系統(tǒng)在我國夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用的適宜性.

對于兩種保溫形式在空調(diào)間歇運行模式下的節(jié)能效果，Bojic等[1]的計算得出，當(dāng)建筑物的空調(diào)能耗是以夜間臥室的能耗為主時，在間歇運行模式下，采用外墻內(nèi)保溫形式的香港高層住宅制冷能耗更低.阮方等[2]采用二維模型比較了間歇運行模式下某住宅臥室分別采用外墻外保溫、內(nèi)墻不保溫和所有墻體內(nèi)保溫兩種圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)型下夜間的空調(diào)能耗.結(jié)果顯示，采用所有墻體內(nèi)保溫的方式更有利于降低臥室夜間空調(diào)能耗.劉曉慶[3]通過實測得出，綜合考慮客廳以及臥室空調(diào)能耗，從住宅整體空調(diào)能耗而言，采用外墻外保溫更有利于降低夏熱冬冷地區(qū)的住宅空調(diào)能耗.因此，對于使用時間段不同的建筑物，采用內(nèi)外保溫所帶來的節(jié)能效果往往是不同的.然而，現(xiàn)階段對于建筑物使用時間段不同所造成的外墻保溫形式節(jié)能效果的差異，相關(guān)研究比較少，大多數(shù)研究只是針對特定的建筑物，故而得出的結(jié)論往往差別很大.

Kolaitis 等[4]基于TRNSYS軟件計算得出，夜間無通風(fēng)時，對于臥室空調(diào)能耗而言，采用外墻內(nèi)保溫的節(jié)能效果要優(yōu)于外墻外保溫.而當(dāng)利用夜間通風(fēng)時，采用外墻外保溫更有利于降低臥室空調(diào)能耗.在不考慮潛熱的情況下，夜間是否通風(fēng)相當(dāng)于附加給室內(nèi)空氣不同大小的冷熱源，因此可以看出，不同的熱源強(qiáng)度也會導(dǎo)致不同保溫形式的選擇.Barrios等[5]建立了墻體-室內(nèi)空氣的一維模型，將人員的適應(yīng)性舒適溫度與空調(diào)開關(guān)行為相結(jié)合，通過數(shù)值計算得出，采用外墻外保溫方式，建筑物的空調(diào)能耗低于采用外墻內(nèi)保溫方式建筑物的空調(diào)能耗.潘黎等[6]以外墻-空氣二元系統(tǒng)作為研究對象，通過實驗得出，如果在建筑使用時間段內(nèi)空調(diào)持續(xù)運行，采用外墻內(nèi)保溫的形式更有利于降低建筑物的空調(diào)能耗.從以上的研究結(jié)論中可以看出，建筑物在使用時間段內(nèi)空調(diào)器的具體運行方式也會造成所選擇的適宜的保溫形式的不同.

針對這種情況，本文采用數(shù)值計算的方法，分析了建筑物使用時間段、空調(diào)器運行方式以及建筑物熱源的大小對外墻內(nèi)外保溫相對優(yōu)劣特性的影響.

1 數(shù)值計算模型

1.1 建筑物模型

為排除其他因素的干擾，更加直接地反映外墻的熱工性能對空調(diào)能耗的影響，假設(shè)所研究的建筑只有一面非絕熱外墻，其余外表面均為絕熱材質(zhì)，外墻長為4.5 m，高度為3.0 m，房間體積為54 m3.房間內(nèi)蓄熱平板的厚度為0.2 m，蓄熱平板與室內(nèi)空氣相接觸的總表面積為外墻表面積的4倍.本文主要考慮2種不同的外墻構(gòu)造，分別為：①外墻外保溫，即外墻基層靠近室外一側(cè)加貼保溫板；②外墻內(nèi)保溫，即外墻基層靠近室內(nèi)一側(cè)加貼保溫板.建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)如表1所示.根據(jù)研究內(nèi)容，保溫層的厚度取0、15、30、45、 60、75、90 mm七種工況.

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)Tab.1 Thermal parameters for building envelopes

1.2 建筑熱過程數(shù)學(xué)方程

本研究對墻體以及蓄熱平板均采用一維瞬態(tài)模型進(jìn)行計算，在本研究中假設(shè)室內(nèi)空氣溫度場是均勻的，建筑物的熱過程如圖1所示.對于外墻，其導(dǎo)熱微分方程為

(1)

式中：下標(biāo)e代表外墻；x為導(dǎo)熱傳遞方向；Te,j為外墻第j層墻體的溫度，℃；τ為時間，s；ρe,j為外墻第j層墻體的密度，kg·m-3；ce,j為外墻第j層墻體的比熱容，J·(kg·℃)-1；λe, j為外墻第j層墻體的導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·℃)-1.

圖1 建筑物熱過程示意圖 Fig.1 Heat transfer process of building

墻體層與層之間采用溫度及熱流連續(xù)分布處理，即

Te,j=Te,(j+1)

(2)

(3)

外墻外表面與內(nèi)表面均為第三類邊界條件，即

(4)

(5)

式(4)、(5)中：δe,j為外墻第j層的厚度；Te,in和Te,out分別為外墻內(nèi)外表面的溫度，℃；hin和hout分別為外墻內(nèi)外表面的對流傳熱系數(shù)，hin=8.7 W·(m2·℃)-1，hout=20 W·(m2·℃)-1 [7]；Tin為室內(nèi)空氣溫度，℃；Tsa為逐時室外綜合溫度，℃.

對于內(nèi)部蓄熱體，其控制方程為

(6)

式中：下標(biāo)i代表內(nèi)部蓄熱體；y為導(dǎo)熱傳遞方向；Ti為內(nèi)部蓄熱體的溫度，℃；ρi內(nèi)部蓄熱體材料的密度，kg·m-3；ci為內(nèi)部蓄熱體材料的比熱容，J·(kg·℃)-1；λi為內(nèi)部蓄熱體材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·℃)-1.

內(nèi)部蓄熱體表面與室內(nèi)空氣之間的換熱方程為

(7)

(8)

式(7)、(8)中：Ti,δ/2和Ti,-δ/2分別為內(nèi)部蓄熱體平板兩側(cè)的表面溫度，℃.

由于對稱性，有

(9)

則房間的熱平衡方程為

∑2hinAi(Ti,δ/2-Tin)+QAC+QE

(10)

式中：ρin為空氣的密度，kg·m-3；cin為空氣的比熱容，J·(kg·℃)-1；Vin為房間的體積，m3;Ae為外墻的內(nèi)壁面面積，m2;Ai為內(nèi)部蓄熱體壁面的面積，m2;QAC為分體式空調(diào)提供的顯熱量，W；QE為一虛擬的集中熱源，包括滲透引起的顯熱交換、玻璃窗的瞬變得熱量、室內(nèi)人員散熱、設(shè)備散熱以及進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射等,W.

式(1)～(10)共同構(gòu)成了房間熱過程的數(shù)學(xué)方程.本研究所有的數(shù)值計算均基于多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics 5.0.

1.3 建筑物使用時間段及空調(diào)器運行方式的設(shè)置

本文主要考慮兩種不同使用時間段的建筑：一種是小型辦公建筑、人員長期在室的住宅，如書房、客廳等，主要使用時間段在白天，本文假設(shè)此類建筑物的使用時間為每天的8:00—18:00；另一種是以臥室等為代表的主要使用時間段為夜間的建筑，在本文中假設(shè)該類建筑物的使用時間為每天22:00—次日6:00.

人員使用空調(diào)器的方式多種多樣，其中比較有代表性的有：在建筑物使用階段內(nèi)保持空調(diào)器持續(xù)運行；在建筑物使用階段內(nèi)人員感到不舒適時開啟空調(diào)，運行一段時間后關(guān)閉空調(diào)器直至室內(nèi)溫度恢復(fù)到不舒適狀態(tài)時再開啟空調(diào)器.相關(guān)規(guī)范給出的舒適性空調(diào)室內(nèi)溫度的設(shè)計區(qū)間為24～28 ℃[8].基于此，本文設(shè)計兩種空調(diào)運行方式：①建筑物使用階段內(nèi)空調(diào)持續(xù)運行，空調(diào)設(shè)定溫度為24 ℃；②空調(diào)設(shè)定溫度為24 ℃，人員進(jìn)入室內(nèi)后空調(diào)器運行1 h后停機(jī)，直至室內(nèi)溫度恢復(fù)至28 ℃再開機(jī)，空調(diào)器運行時間1 h后關(guān)機(jī)，待溫度恢復(fù)至28 ℃時再開機(jī)并重復(fù)上述過程直至建筑物使用階段結(jié)束.

1.4 室外綜合溫度及內(nèi)熱源的設(shè)定

外墻的室外綜合溫度在1 d內(nèi)近似余弦分布，可以表示成

(11)

Tsa=32.5+6.0cos (ω(t-12))

(12)

對于使用時間段為白天的建筑物，設(shè)備、人員等得熱與進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射得熱量相疊加，而夜間室內(nèi)的得熱量很小，相較于白天建筑物的得熱量可以忽略.而對于臥室等主要在夜間使用的建筑物，白天進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射得熱與使用階段人員、設(shè)備的散熱均不可忽略，一天中室內(nèi)的得熱量相對分布較為均勻.因此，熱源QE的分布特征與建筑物的使用時間段是彼此互相關(guān)聯(lián)的.在本文中采用平均熱源強(qiáng)度描述給定時間段內(nèi)的建筑物熱源的分布情況.具體熱源QE的大小及分布如表2所示.

在本研究中，采用變頻空調(diào)器的原理對室內(nèi)溫度進(jìn)行控制，空調(diào)器供給的顯熱量為

QAC=-0.7×(0.001 5fτ3-0.494 2fτ2+

68.477 0fτ-583.490 0)

(13)

式中:fτ為空調(diào)器在τ時刻的量綱—頻率；fτ可由下式進(jìn)行計算：

(14)

式中：f0為空調(diào)器啟動時刻的量鋼—頻率，取45.

表2 QE的大小及分布Tab.2 Power and distribution of QE

2 結(jié)果及分析

為了更直觀地比較墻體保溫的節(jié)能效果以及內(nèi)外保溫能耗特性的差異，定義

RL=

100%

(15)

式中：RL為保溫層厚度為L時的節(jié)能率.

定義

(16)

式中：Qw1,d為當(dāng)建筑物使用時段為8:00—18:00時，采用外墻外保溫時對所研究建筑物的總供冷量，MJ·d-1；Qw2,d為當(dāng)建筑物使用時段為8:00—18:00時，采用外墻內(nèi)保溫時對所研究建筑物的總供冷量，MJ·d-1.

(17)

式中：Qw1,n為當(dāng)建筑物使用時段為22:00—次日6:00時，采用外墻外保溫時對所研究建筑物的總供冷量，MJ·d-1；Qw2,n為當(dāng)建筑物使用時段為22:00—次日06:00時，采用外墻內(nèi)保溫時對所研究建筑物的總供冷量，MJ·d-1.

2.1 空調(diào)器使用方式對外墻內(nèi)外保溫節(jié)能效果的影響

圖2為當(dāng)QE=405.0 W，建筑物使用時間段為8:00—18:00時，在兩種空調(diào)運行方式下外墻內(nèi)外保溫的節(jié)能效果對比.從圖2中可以看出，對于使用時間段為白天的建筑物，在兩種空調(diào)運行方式下，采用外墻外保溫的節(jié)能效果均優(yōu)于外墻內(nèi)保溫.

圖3為當(dāng)QE=270.0 W，建筑物使用時間段為22:00—次日6:00時，在兩種空調(diào)運行方式下外墻內(nèi)外保溫的節(jié)能效果對比.從圖3a可以看出，當(dāng)空調(diào)器采用運行方式①運行時，采用外墻內(nèi)保溫的節(jié)能效果要優(yōu)于外墻外保溫.從圖3b可以看出，當(dāng)空調(diào)器采用運行方式②運行時，采用外墻外保溫的節(jié)能效果要優(yōu)于外墻內(nèi)保溫.因此，當(dāng)利用墻體的蓄冷能力以降低空調(diào)運行時間從而達(dá)到節(jié)能的目的時，宜采用外墻外保溫的保溫形式.

此外，從圖2和圖3可以看出，建筑物使用時間段的差異以及空調(diào)器運行方式的不同均可能導(dǎo)致產(chǎn)生不同的相對優(yōu)勢保溫形式，在考慮外墻保溫形式時應(yīng)當(dāng)充分考慮建筑物的使用時間以及空調(diào)器的運行方式.

a 運行方式①下外墻內(nèi)外保溫節(jié)能率隨保溫層厚度的變化

b 運行方式②下外墻內(nèi)外保溫節(jié)能率隨保溫層厚度的變化 圖2 白天使用的建筑物的供冷能耗隨保溫層厚度的 變化特性Fig.2 Variation of energy conservation rate at different thicknesses of insulation layer of building at daytime

2.2 熱源大小對外墻內(nèi)外保溫節(jié)能效果的影響

圖4為當(dāng)建筑物的使用時段為8:00—18:00時，基于能耗的兩種保溫形式的相對優(yōu)劣特性隨熱源QE的變化.從圖4中可以看出，當(dāng)建筑物的使用時段為8:00—18:00時，在兩種運行方式下，隨著熱源強(qiáng)度的增大，外保溫的相對優(yōu)勢均逐漸減小，兩種保溫形式下的能耗差異逐漸減小.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：一方面，隨著熱源強(qiáng)度的增大，內(nèi)熱源成為影響空調(diào)能耗的主要來源，而由墻體傳熱形成的負(fù)荷相對比例減小，使得兩種保溫形式下的能耗差異逐漸減小；而在空調(diào)采用運行方式②運行時，隨著熱源強(qiáng)度增大，利用建筑物的蓄冷量來維持室內(nèi)溫度在要求的范圍內(nèi)的時間越短，最終趨向于連續(xù)運行，兩者之間的差異趨近于連續(xù)運行時的差異.

a 運行方式①下外墻內(nèi)外保溫節(jié)能率隨保溫層厚度的變化

b 運行方式②下外墻內(nèi)外保溫節(jié)能率隨保溫層厚度的變化 圖3 夜間使用的建筑物的供冷能耗隨保溫層厚度的 變化特性Fig.3 Variation of the energy conservation rate for different thicknesses of the insulation layer of the building which occupied during the night time

圖4 白天使用建筑物兩種保溫形式的能耗相對差異特性 隨熱源的變化Fig.4 Variation of performance difference between external and internal insulation at different powers of the heat source of building at daytime

圖5為當(dāng)建筑物的使用時段為22:00—次日6:00時，基于能耗的兩種保溫形式的相對優(yōu)劣特性隨熱源QE的變化.從圖5中可以看出，當(dāng)建筑物的使用時段為22:00—次日06:00時，空調(diào)器采用運行方式①運行時，隨著內(nèi)熱源強(qiáng)度的增大，采用內(nèi)保溫的節(jié)能優(yōu)勢逐漸增大.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于采用內(nèi)保溫的建筑外墻的蓄熱能力小，故而在非空調(diào)階段室內(nèi)溫度較高，從而導(dǎo)致室內(nèi)外溫差較小，由外墻傳熱進(jìn)入室內(nèi)的熱量較少，因此相對于采用外保溫的建筑物而言節(jié)能效果較好.空調(diào)器采用運行方式②運行時，隨著熱源強(qiáng)度增大，利用建筑物的蓄冷量來維持室內(nèi)溫度在要求的范圍內(nèi)的時間越短，外保溫的相對優(yōu)勢逐漸減小，當(dāng)QE=405.0 W時，在兩種空調(diào)運行方式下，采用外墻內(nèi)保溫均要優(yōu)于外墻外保溫.因此，在選擇外墻的保溫形式時，應(yīng)當(dāng)充分考慮室內(nèi)熱源的大小.

圖5 夜間用能建筑物兩種保溫形式的能耗相對差異 特性隨熱源的變化Fig.5 Variation of performance difference between external and internal insulation at different powers of heat source of building at night

3 結(jié)論

(1) 建筑物外墻內(nèi)外保溫的相對優(yōu)劣特性與建筑物的使用時段、空調(diào)的運行方式以及建筑物熱源的大小有著密切的關(guān)聯(lián).

(2) 對于使用時段在白天的建筑物，采用外墻外保溫更有利于降低建筑物的空調(diào)能耗.

(3) 對于使用時段在夜間的建筑物，如果在使用時段內(nèi)空調(diào)器持續(xù)運行，采用外墻內(nèi)保溫的形式更有利于降低建筑物的空調(diào)能耗；如果利用建筑物的蓄冷量，使空調(diào)器在使用時段內(nèi)間歇運行則應(yīng)當(dāng)評估建筑物熱源的大小以確定適宜的外墻保溫形式.