内蒙古草原民居外围护结构热惰性研究

2019-01-17金国辉尚琪

新型建筑材料 2018年12期

金国辉，尚琪

（内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古包头 014000）

0 引言

降低采暖能耗、提高室内热舒适性的方法有很多，如：利用新能源、优化空调采暖系统、附加阳光间等，但从可持续发展的角度来看，这些方法并不合理。通过对建筑所在地、使用材料、构造形式等本身特性的研究，使建筑外围护结构热阻和蓄热性能对采暖能耗及室内热舒适产生影响。因此增加围护结构的热阻来提高室内外温度传递的延迟时间、衰减倍数和室内环境的热稳定性，并利用其蓄热性能将冬季白天从太阳辐射得到的热量储存起来减少室内的供热量[1]。

针对建筑的热惰性，国内外已经进行了许多相关的研究。Antonopoulos K A等[2]研究供热量不同时墙体的有效热容、时间常数和热滞后等相关热惰性参数以及不同的外围护结构蓄热部位对延迟时间的影响。Koray Ulgen[3]用实验测量和理论分析的方法对10种不同类型的墙体温度的延迟时间及衰减倍数进行研究，结果表明，在设计时应当注意墙体材料的热物理性质和排列顺序，其中多层保温空心砖墙体的蓄热性能最优。Jose′L Ferna′ndez等[4]对一栋建筑进行实测研究和理论分析，得出表征综合建筑物热惰性的指标Kt，并定义其为综合热传导力与热容量的商，绘制出热延迟和衰减这2个指标与Kt的关系曲线，而且提出根据Kt值的大小对建筑进行分类，从而有效地简化建筑物蓄热问题。Ozel M[5]通过对12种不同保温层的墙体结构进行数值计算，分别计算了冬、夏季不同朝向的建筑围护结构的延迟和衰减倍数，结果表明：从热惰性视角看，保温层的位置比厚度对衰减延迟的影响更大。肖志国[6]根据不同的内外保温形式、保温层厚度、保温层材料种类和主体墙面材料建立了相应模型，采用Fluent软件进行数值模拟。结果表明，外保温比内保温的衰减倍数、延迟时间长蓄热能力和热稳定性都更好，能够更有效地缓解室外温度变化。杜璘[7]通过对围护结构内表面热流的特性进行分析，得出了反映室外气象与围护结构热惰性综合作用的参数，研究了夏季围护结构传热系数的有效性。惠荷[8]利用DeST软件对西安市公共建筑进行建筑动态能耗模拟，得到全年的动态冷、热负荷，研究分析了热惰性指标对冷、热负荷的影响，说明了墙体热惰性指标在墙体传热时的作用。常晨晨[9]通过建筑实测和Energy Plus软件模拟，对内蓄热体与可控内热源在建筑综合热惰性中的影响进行了研究分析。此外，还对蓄热体体积与热惰性指标进行了数学拟合，提出了与建筑热惰性相结合的内热源调控策略。韩莹[10]通过实地测量、e QUEST软件模拟和模型试验方法研究了寒冷地区住宅建筑物的综合热惰性，确定了不同窗墙比、围护结构保温、室内人员活动和室内家具对热惰性的影响。研究结论是：在不考虑太阳辐射的情况下，有无家具对室内温度变化影响最大，人员设备散热次之，窗墙比影响最小。刘建伟[11]通过Energy Plus软件模拟及实地测量的方法，研究了学生公寓楼不同朝向房间在不同采暖条件下的内外壁温度和室内温度，分析总结了围护结构材料、体形系数、朝向与外窗墙比等因素对建筑综合热惰性的影响。

目前，关于建筑物热惰性的研究既有围护结构的热工特性或蓄热特性方面，也有暖通空调与热惰性相结合研究。但，针对于采暖能耗、室内热舒适与综合热惰性关系的研究相对较少。

1 理论分析

热惰性是指在一定时间对某材料加一定量的热，材料表面的温度改变快慢的性质。建筑外围护热惰性（D）表现为其对外界温度波动的抵抗能力，该性能依赖于建筑本体蓄积热量和释放热量的能力[12]。具体的计算如式（1）所示：

式中：R——材料层热阻，m2·℃/W；

S——材料层蓄热系数，W/（m2·℃）。

式中：d——各层材料厚度，m；

λ——各层材料的导热系数，W/（m·K）。

由式（1）、式（2）得式（3）：

由式（3）可以看出，围护结构为单层材料时，D值随材料层厚度的改变而改变；围护结构为多层材料时，D值取决于各层材料的厚度和蓄热系数的共同作用。在研究时将外墙面层的厚度和材料设置为定值，外墙主体材料和保温层的厚度设置为变量，进行研究。

2 建筑模拟分析

2.1 建筑模型

内蒙古达尔罕联合旗位于严寒C区，夏季短暂冬季漫长。夏季早晚寒冷，中午炎热，持续时间为60 d左右。冬季寒冷干燥，持续时间为176 d左右[13]。

本文选取该地区的一草原民居作为研究模拟对象。建筑面积96 m2，高3 m，坐南朝北。东西向不设置窗户，换气次数为0.5次/h，供暖期为10月15日至次年4月15日。建筑平面如图1。

图1 某研究对象建筑模型平面

2.2 建筑物围护结构构造方式（见表1）

表1 围护结构构造方式

2.3 室内热扰设置

客厅设备的最大发热功率为7.2 W/m2，卧室设备的最大发热功率为8 W/m2，厨房设备的最大发热功率为30.28 W/m2。室内热扰作息按照阿尔罕达茂联合旗地区的居民作息时间调整。房间的照明按照表2的数值设置。

表2 房间照明设置

2.4 模拟不同墙体厚度的组合方案

在建筑外围护结构中外墙、屋顶和窗户对采暖能耗大小及室内热舒适都发挥着重要作用，而且外墙和窗户占了外围护结构的50%以上[14]（基于正交试验方法对建筑围护结构能耗的因素分析）。因此选取的外围护结构的主要指标有：南向窗墙比、北向窗墙比、外墙厚度、外墙保温EPS厚度、外墙保温XPS厚度、外墙保温PUR厚度。运用控制变量法，将窗墙比取2个水平，外墙厚度取3个水平，外墙保温取6个水平。其中各因素水平的取值依据JGJ 26—2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》的相关规定。各因素及水平取值如表3所示。

表3 各因素及水平取值

根据表3的取值，采用控制变量法设计96组数据进行试验模拟，只改变单一因素，而其他因素保持不变，消除其余各因素之间的相互作用影响。利用Designbuilder模拟每种方案的采暖能耗和室内热舒适值（PMV值）。

3 试验结果分析

将相同气象条件下的试验结果分为无保温、EPS保温、XPS保温及PUR保温等4种情况，并且区分大窗墙比和小窗墙比时的结果。用最小二乘法将试验数据拟合，分析得出热惰性指标（D）与采暖能耗为一元二次多项式函数，D值与PMV为一元一次多项式函数。对于拟合函数使用均方根误差（SSE）和方程的确定系数（R2）来表示其拟合优度，其中RMSE越趋向0及R2越趋向1就表明方程的变量对y的解释能力越强。

结果使用最小二乘法拟合，无保温时，采暖能耗和PMV拟合公式SSE的均值为5.806×10-28和0.001，R2的均值为1和0.998；120 mm厚有保温时，采暖能耗和PMV拟合公式SSE的均值为 0.202和0.001，R2的均值为0.999和 0.982；240 mm厚有保温时，采暖能耗和PMV拟合公式SSE的均值为0.048和0.0005，R2的均值为0.9997和0.9875；370 mm厚有保温时，采暖能耗和PMV拟合公式SSE的均值为0.0110和0.0001，R2的均值为0.9999和0.9910。根据上述结果可知，数据拟合优度良好。图2～图5是4种情况的拟合曲线。

图2 无保温材料时的拟合曲线

图2中对D值与采暖能耗进行多项式拟合，二次式拟合效果最好，R2值为1。大、小窗墙比时拟合方程分别见式（4）、式（5）。

根据拟合结果得知：大窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时热惰性指标为6.754；小窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时热惰性指标为6.757；由拟合结果和图2可以看出，小窗墙比得到最小能耗和最佳PMV值时的热惰性指标优于大窗墙比时的情况。

图3 120 mm厚墙体有保温材料时的拟合曲线

根据图3拟合结果得知：（1）外保温为EPS、大窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为2.775；小窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为2.839。（2）外保温为XPS、大窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为3.343，小窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为3.341。（3）外保温为PUR，大窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为3.178，小窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为3.175。

图4 240 mm厚墙体有保温材料时的拟合曲线

根据图4拟合结果得知：（1）外保温为EPS、大窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为4.377，小窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为4.375。（2）外保温为XPS、大窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为4.974，小窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为4.969，（3）外保温为PUR、大窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为4.787，小窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为4.783。

图5 370 mm厚墙体有保温材料时的拟合曲线

根据图5拟合结果得知：（1）外保温为EPS，大窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为6.123，小窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为6.122。（2）外保温为XPS，大窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为6.749，小窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为6.747。（3）外保温为PUR，大窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为6.545，小窗墙比时，其采暖能耗值最小时为最佳点，此时D值为6.540。

由图2～图5拟合结果可以看出，小窗墙比得到最小能耗和最佳PMV值时的热惰性指标优于大窗墙比时的情况，且PUR的综合效果优于XPS，XPS的综合效果优于EPS。