西安建筑科技大学 陈 洁 罗智星 杨 柳

0 引言

寒冷地区建筑供暖能耗在建筑总能耗中占有很大的比例，但在建筑能耗中增长最快的是空调制

冷能耗，特别是干热干冷气候地区，降温需求要比其他寒冷地区大得多[1]。寒冷地区建筑节能设计旨在通过围护结构减少建筑物的热损失，以此为目标对最小热阻进行控制，但是提高热阻的高保温设计显然会对夏季散热产生不利影响[2]。而针对炎热地区的防热降温技术，如蓄热通风和优化太阳能增益对围护结构保温不作要求[3-4]。为达到改善建筑全年室内热舒适的最终目的，对同一围护结构在不同季节的热工性能研究主要集中在以下2个方面：

1) 构造方式对围护结构热工性能的影响。墙体热物性与绝热材料和蓄热材料密切相关。蓄热材料是指能够吸收热量、储存热量和释放热量的高热容材料，可以延迟和减少室内负荷峰值并降低平均辐射温度。由于绝热材料的高热阻减缓热流的速率，应用绝热材料可有效减少建筑热量的流入或流出，许多学者从热舒适及经济性方面建立模型，用于确定外围护结构的最佳保温隔热厚度及相对位置，用来考虑保温材料对建筑能耗的影响[5-7]。在蓄热和绝热技术可能导致热性能冲突问题上，许多学者提出平衡增加冬季热量储存、消除夏季过热、增加延迟的优化热工设计[8-10]。在不同材料层组成的复合墙体的蓄热和传热研究上，Asan采用数值模拟的方法，发现保温隔热厚度和相对位置对材料的延迟和衰减作用有很大的影响[11]。杨柳等人采用数值模拟方法分析了不同蓄热体对建筑能耗的影响，提出寒冷地区的蓄热性能对建筑负荷的相对影响问题,但在改变墙体蓄热性能时其绝热部分的蓄热作用也发生了改变[12]。

2) 室外气候差异下蓄热绝热技术适用性分析。Yilmaz通过对不同干热和湿热气候下相同建筑热环境的比较分析，提出在干热气候下，蓄热节能技术优于隔热技术[13]。Zhang等人根据特定区域的给定房间实验，强调了存在建筑围护结构材料的理想热物理性质传热和蓄热的临界值[14]。王建辉等人通过对不同传热系数与建筑能耗的变化规律进行模拟计算，提出室内外温差较小气候区域内，围护结构的保温性能与建筑空调能耗相关性较小[15]。Kossecka等人研究了6种不同墙体配置用于6种不同气候地区，结果表明墙体性能和气候类型会造成11.3%的建筑能耗差异，并且对冷负荷的影响比对热负荷的影响更明显[16]。

上述研究表明，围护结构蓄热和绝热层调节热环境作用机理不同，并且在不同气候条件下的热工效果也差异较大。因此，为了探究干热干冷地区墙体热工性能对室内热环境的影响，有必要针对干热干冷地区气候特征，尤其是太阳辐射季节差异，对围护结构蓄热和绝热作用在不同得热需求条件下分别讨论，以期对该地区建筑节能设计起到一定的借鉴意义。

1 干热干冷地区建筑得热分析

影响气候的因素很多，海拔、地形、地貌、大气环流等对局地气候影响显著[1]，干冷干热地区气候特征表现在太阳短波辐射具有较强的季节差异规律。气温年较差、日较差均高于其他寒冷地区，具有冬季寒冷、夏季极端炎热，并且昼夜温差显著的气候特征，适用蓄热降温技术达到建筑防热目标。当采用累年1、7月的平均温度和供暖度日数HDD18、供冷度日数CDD26指标进行热工分区并指导热工设计时，一方面平均温度指标无法体现高日较差条件下蓄热降温的潜力，另一方面以室外空气温度作为判断指标，忽略了太阳辐射差异对室外综合温度的影响。如果采用寒冷地区降低传热系数进行建筑保温和防热设计的方法，干冷干热气候条件下会出现较大差异，因此有必要针对干热干冷地区气候特征进行围护结构热工设计。

围护结构在夏季的受热和传热特征与冬季保温性能以阻抗为主的特点不同,是太阳辐射引起的综合温度波动作用下的双向非稳态传热，当室外温度低于室内温度时，存在围护结构内侧向室外散热的过程。外围护结构的隔热性能指标,包含结构本身和两侧空气边界层抵抗稳态与非稳态两部分受热和传热的能力。同时,还与冬季供暖时节能要求的保温性能指标协调一致，在稳定传热中，传热量的多少和表面温度、内部温度的高低与材料的导热系数和结构的传热热阻密切相关。在谐波热作用下的周期性传热过程中，则与材料层的蓄热系数及热惰性有关。优化设计中考虑材料层顺序、传热和蓄热性能相互影响作用成为解决围护结构冬季保温和夏季散热矛盾的关键。

在夏季条件下，室外空气温度和太阳辐射的综合作用昼夜变化大，将围护结构外表面受到的室外综合温度用tsa来表示，计算公式为

(1)

式中te为室外空气温度，℃；ρs为外表面的太阳辐射吸收比；I为投射到围护结构外表面的太阳辐照度，W/m2；αe为外表面换热比，W/(m2·℃)。

投射到围护结构外表面的太阳辐照度I冬夏季节变化不可控制，可以通过控制太阳辐射吸收比ρs来调节围护结构得热量，在冬季得热与夏季防热之间获得最优利用效果。

在研究温差或者热流量变化时，延迟时间的增加及热流振幅的衰减与结构的蓄热作用即结构的热容量有关。如果综合温度不变，即稳态条件，或者当综合温度有波动，但外围护结构的蓄热相当大导致热流对于平均值的波动振幅为零，即围护结构内没有对应的热流波动时，通过围护结构的平均热流量可以由下式计算：

(2)

在另一种情况下，如综合温度有波动而围护结构无热容量，则热流波动与综合温度的波动形式相同，且为瞬时波动。在此情况下，任意给定时间θ内通过围护结构的热流量为

(3)

式中Q′f为通过围护结构的瞬时热量，W；teo为在时间θ内的综合温度，℃。

(4)

式中Qf为通过围护结构的实际热量，W。

将式(2)、(3)代入式(4)，可得

(5)

构成围护结构的建筑材料存在一定蓄热性能，并且建筑受室外周期性非稳定热作用，实际建筑全年传热过程为稳态传热及周期性非稳态传热交替作用。

2 建筑室内热环境模拟

根据蓄热性能高低选取3种蓄热材料，热工性能见表1。同时设定满足寒冷地区节能标准最低热阻为绝热层组别1[2]，相对提高绝热层厚度为组别2，计算不同蓄热体在2种绝热条件下的内表面温度，围护结构构造方式见表2。

表1 建筑材料热物性

表2 建筑外墙构造

利用集成化建筑性能分析软件IES模拟计算典型建筑冬夏季内表面逐时温度，并对不同外表面太阳辐射吸收比下围护结构冬夏季得热量进行计算。

2.1 模型设置

IES利用有限差分传热数学模型进行动态传热分析，采用ASHRAE标准55中的计算方法分析室内热舒适，所用逐时气象数据为典型年气象数据(CSWD气象文件)。外部对流换热模型选取McAdams，太阳辐射模型选取Anisotropic。

干热干冷地区冬季寒冷、夏季炎热，太阳辐射强度季节差异性明显。本文以吐鲁番地区(东经89.20°，北纬42.93°)的气候条件为模拟和讨论的背景。选取1栋2层居住建筑为研究对象，地下1层、地上2层。室内热环境计算参数依据JGJ 26—2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》的要求进行设定，冬季供暖室内计算温度取18 ℃，换气次数取0.5 h-1，建筑模型如图1所示。模拟工况设置见表3。

图1 建筑模型

2.2 热环境实测与模型验证

依据实际建筑建立数值模拟模型(传热系数K=0.60 W/(m2·K)，热惰性指标D=5.60)，对数值模拟结果与实测结果进行对比验证。测试时间选取夏季最热时段7月26日至8月3日。为了模拟验证的准确性，测试对象处于自然运行状态，无主动式调温措施。

现场采集数据主要包括室内空气温度、围护结构内表面温度。测试仪器的布置依据JGJ/T 347—2014《建筑热环境测试方法标准》[17]，如图2所示。室内环境测试仪器有温湿度测试仪、自记式四通道温度计，室外测试仪器有温湿度测试仪，测试仪器性能见表4。

表3 建筑围护结构性能

图2 测点布置图

表4 测试仪器性能参数

为了保证比较分析的准确性，采用室外温度和太阳辐射等数据作为模拟边界条件，选取8月1—2日作为验证时间，室内空气温度和内表面温度模拟与实测的对比如图3所示。

图3 室内空气温度和内表面温度模拟与实测的对比

夏季典型日实测数据表明：室内平均温度为37.1 ℃，室外平均温度为37.9 ℃，室内外最大温差达到8.9 ℃，出现在17：00；室外空气温度波幅为16.1 ℃，室内空气温度波幅为3.7 ℃，内表面温度波幅为1.7 ℃，在23：00至次日09：00时间段平均室外空气温度低于室内空气温度3.25 ℃，低于内表面温度2.34 ℃，存在室内向室外散热的边界条件。实测与模拟值对比可见，在房间自然运行状态下，室内空气温度、内表面温度模拟值与实测值变化趋势基本一致，内表面温度绝对误差为1.38 ℃，相对误差为3.73%，室内空气温度平均绝对误差为0.78 ℃，相对误差为2.09%，模拟值与实测值吻合较好，证明了模拟方法及模型的准确性。

3 保温与蓄热对内表面温度的影响

3.1 夏季典型日内表面温度

在围护结构中，由于西墙对室内热环境影响最大，以西墙为研究对象，选取最热时段(8月1—3日)进行典型日内表面温度分析，如图4所示。

图4 8月1—3日外墙内表面温度

由图4可以看出：随着蓄热性能提高，内表面温度最高值和波幅均显著降低；蓄热层对夏季热量的衰减和延迟作用明显好于绝热层；也就是说，在日较差强烈的干热地区，相对于绝热降温，重质围护结构具有更好的夏季热环境调节作用。模拟结果与文献[13]相符合。值得注意的是，在高温时段，高热阻内表面温度明显降低，夜晚低温时段热阻降温作用减小，也就是说，高热阻绝热作用能够降低由太阳辐射引起的室外综合温度波峰值，而针对室内温度较高但室外综合温度相对较低的降温作用有限。

3.2 冬夏季温度变化分析

计算6种构造夏季(6—8月)和冬季(12至次年2月)内表面温度累计值，在此基础上，为了描述围护结构保温和隔热作用效果，以轻质低保温结构为对比值，通过下式计算累计温差变化率。

(6)

式中V0为累计温差变化率；t0为对比值，℃；ti为内表面温度累计值，℃。

图5显示了冬夏季内表面累计温差。从图5可以看出，在相同蓄热条件下，热阻增大0.476 m2·K/W，冬季内表面温度提高4.10%～4.15%，夏季内表面温度提高0.33%～0.42%。这是因为当室外温度低于室内温度时，建筑散热量受表面温度和接触面空气温度影响，高热阻对围护结构散热产生不利作用，而干热地区夏季日较差相对较高。因此，受日较差引起的室内外温差动态变化影响，干热干冷地区建筑节能设计存在理论热阻最大临界值。热惰性指标由2.04分别提高到2.92、3.62，冬季内表面温度总温差变化率分别为0.1%、0.06%，夏季为0.4%、0.5%，围护结构蓄热性能调节室内热环境作用存在季节差异，夏季影响幅度明显大于冬季。

图5 冬夏季内表面累计温差

4 太阳辐射吸收比对室内热环境的影响

4.1 全年太阳辐射得热模拟

减小围护结构外表面太阳辐射吸收比是夏季防热的重要措施[18]，适当提高太阳辐射的反射比可有效降低太阳辐射作用下的表面温度，但会减少围护结构冬季得热，对冬季室内热环境产生不利影响。为分析干热干冷地区太阳辐射得热对室内热环境冬夏季的影响，以轻质低保温结构(A1)作为外围护结构，在夏季夜间自然通风(23:00—08:00，15 h-1)工况下，设置外表面分别为涂覆反射隔热涂料(太阳辐射吸收比β=0.48)、涂覆普通白色涂料(β=0.65)和未涂覆涂料(β=0.73)[19]，模拟冬季和夏季在外墙不同太阳辐射吸收比下围护结构得热量的变化情况，计算结果如图6所示。

图6 全年太阳辐射量与围护结构得热量

夏季平均太阳辐射月累计值为657.0 MJ/m2，冬季平均太阳辐射月累计值为212.3 MJ/m2，太阳辐射季节差异较大，冬季明显低于夏季。随着外表面太阳辐射吸收比的增大，夏季围护结构平均得热量分别为0.11、0.16、0.18 MW·h，冬季围护结构平均得热量分别为-0.74、-0.72、-0.71 MW·h，变化较小，外表面辐射吸收比对夏季得热量影响大于冬季。研究由太阳辐射引起的周期性热输入，建立不同太阳辐射吸收比下围护结构月平均得热量差值与太阳辐射月累计值的回归方程，如图7所示。太阳辐射吸收比变化对太阳辐射得热具有显著影响，降低外表面吸收比可以有效优化该地区围护结构的全年得热。

图7 太阳辐射量与外围护结构得热量的关系

4.2 太阳辐射吸收比对室内热环境的影响

为比较太阳辐射吸收比对室内热环境的直接影响，采用GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》[20]中的计算方法，对不同外表面辐射吸收比下的夏季室内热环境进行评价。标准中将室内热环境分为3级：Ⅰ级为90%人可以接受，Ⅱ级为75%的人可以接受，Ⅲ级为少于75%的人可以接受。以预计适应性平均热感觉指标(APMV)作为评价依据，APMV=-0.5～0.5时为Ⅰ级，APMV=-1～-0.5和APMV=0.5～1时为Ⅱ级，APMV<-1和APMV>1时为Ⅲ级。APMV按下式计算：

(7)

式中PMV为预计平均热感觉指数；λ为自适应系数，根据不同建筑类型和PMV值确定取值，寒冷地区居住建筑PMV≥0时取0.24，PMV<0时取-0.50。

参考GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》对PMV进行取值。夏季服装热阻0.50 clo，室内风速0.10 m/s，代谢率1.2 met；冬季服装热阻1.50 clo，室内风速0.10 m/s，代谢率1.2 met。选择7—9月计算夏季室内APMV，各吸收比达到不同等级的总时间见图8。

图8 夏季室内ⅠⅢ级热环境达标总时间

干热干冷地区轻质低保温围护结构建筑夏季室内热环境较差，Ⅲ级时间占89%～97%。太阳辐射吸收比由0.73降至0.65，Ⅰ级热环境时长增幅为2.4%，Ⅱ级热环境时长增幅为4.4%；当吸收比降至0.48时，Ⅰ级热环境时长增幅为2.9%，Ⅱ级热环境时长增幅为5.2%。

冬季工况计算结果显示，3种吸收比条件下室内热环境APMV均处于-1～0之间，即达到Ⅱ级标准，这是因为太阳辐射强度及室内热源条件发生改变，冬季外表面辐射吸收比对室内热环境作用不大。当围护结构提高蓄热保温性能时，太阳辐射吸收比对室内热环境的影响规律与轻质低保温条件下相似，但总体夏季热环境偏好，太阳辐射吸收比引起的室内热环境差异减小。当外表面辐射吸收比降至0.65时，室内热舒适时长变化不大，围护结构外表面适宜的辐射吸收比为0.65。

5 结论

1) 夏季高温时段，蓄热层对建筑得热的衰减和延迟作用明显高于绝热层。提高围护结构蓄热性能能够降低夏季内表面温度，对冬季内表面温度影响不大，干热干冷地区建筑降温设计应优先考虑围护结构蓄热作用。

2) 提高围护结构保温性能可以提升冬季内表面温度，同时引起夏季内表面温度升高，对夏季降温产生不利影响，干热干冷地区建筑节能设计存在理论热阻最高临界值。

3) 太阳辐射吸收比变化对太阳辐射得热具有显著影响，围护结构月平均得热量差值与太阳辐射月累计值的回归方程为y=0.014 75+17.956x，R2=0.916，降低外表面吸收比可以有效优化干热干冷地区围护结构全年得热。夏季吸收比降低0.08～0.25，室内热环境达标总时间增加6.8%～8.1%。以吐鲁番地区为例，围护结构外表面辐射吸收比适宜值为0.65。