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围护结构隔热形式对室内热稳定性及空调负荷的影响

摘要： 围护结构的传热，并不只是一个单纯的热阻 问题 ，而是一个有着蓄热功能的被动热源体。因此对不同气候条件、不同的使用时段、不同空调方式的建筑，有着同样热阻的围护结构，如果隔热层的位置不同，其对室内空气的作用效果是不同的。本文以夏热冬暖地区为主要对象， 分析 了隔热层在围护结构内的不同位置时对室内空调负荷及室内热稳定性的 影响 。 关键词： 围护结构 空调负荷 热稳定性

近年来，为了降低建筑的空调负荷，实现建筑节能，围护结构的外隔热和内隔热技术 发展 很迅速，并得到了大面积的 应用 和推广。其主要原理是加大了围护结构的传热热阻，从而降低了围护结构因传热得热引起的空调冷负荷。但我们知道，室外气象参数是周期性变化的，围护结构的传热并不是一个稳态过程，而围护结构也并不仅仅是一个简单的纯热阻，因其有着蓄热功能，故在传热过程中，围护结构相当于是一个被动热源体，影响室内空调负荷的变化，同时也影响着房间的热稳定性。例如对于有着相同热阻的墙体，材料及厚度均相同，但其组合位置不同时，对室内空气的影响作用是不同的。在实际工程中，具体采用什么样的组合方式，应该根据实际的气候特征、建筑物的使用时段和空调方式而定，不能简单武断地认定外隔热一定比内隔热好，或内隔热一定比外隔热好。 1.围护结构主体结构的材料不同，加内隔热和外隔热后的效果不同在对主体结构分别为轻质材料和重质材料的墙体分别加内隔热层和外隔热层后，其对室内空气的热稳定性作用效果是不同的，同时也影响了空调负荷。本文以广州地区为例，选用六种不同材料和结构的典型墙体，对其热工性能进行了 计算 ，墙体材料的热工性能见表1，墙体组成见表2。第一种墙体结构为轻质材料内隔热；第二种为轻质材料外隔热；第三种为重质材料外隔热；第四种为重质材料内隔热；第五种为轻质材料不加隔热层结构；第六种为重质材料不加隔热层结构。在太阳辐射过程中，西晒得热最大，很多情况下最关心的也是西侧墙体的内表面温度是否高于可以接受的舒适性温度，所以在计算中以西墙为例。表1 计算中用到的墙体材料的热工性能 材料厚度δ[mm]蓄热系数S[W/(m2.℃)]材料热阻R [(m2.℃)/W]导热系数λ[W/(m2.℃)]热惰性指标D密度ρ(kg/m3)比热容c(kJ/kg.℃)聚苯乙烯300.341.110.0270.38302.00泡沫混凝土2001.072.600.0772.782320.88钢筋混凝土20014.950.131.541.9424000.84石灰沙浆208.90.020.930.1916000.84表2 墙体结构及其隔热层

为了考究围护结构对室内空气热稳定性的影响，在这里引入围护结构热稳定性度时数的概念：， —室外综合温度波传到室内时的平均温度，—室外综合温度波传到室内时各时刻的温度则即为综合温度传到室内时各时刻的波动幅度大小，为计算时间间隔，计算中取1小时，这样我们就可以得到墙体在一个周期（24h）内的热稳定性度时数（DH）。热稳定性度时数反应了围护结构对室内热稳定性的影响，热稳定性度时数（DH）越小，说明围护结构对室内的热稳定性越有利。对以上列出的六种墙体的稳定性度时数计算结果见表3。墙体的热稳定性度时数虽然可以反应出其对室内热稳定性的影响，但并不能直观的反应出其对空调能耗的影响，为此我们同样引入了墙体反应系数的概念，定义墙体的反应系数为：，其中DH与上面的意义相同，为一个计算周期（24h）内墙体传热引起的空调负荷累加值，，为室外综合温度逐时值，为室内设计温度（即为舒适性温度，这里设为26℃），R0为墙体的总传热热阻，为计算时间间隔，计算中取1小时。墙体的反应系数综合反映了墙体对室内热稳定性和空调能耗的影响。墙体的反应系数越高，表示房间的热稳定性越差，空调因墙体传热得热引起的冷负荷越大，反之反应系数越低，说明热稳定性越好，空调能耗也越小。表3是对以上提到的六种不同结构墙体的反应系数的计算结果。表4 广州地区西墙几种不同结构墙体的反应系数和度时数计算值 结构结构1结构2结构3结构4结构5结构6度时数（DH）2.902.623.354.664.9727.53墙体反应系（BER）170.5154.1536.6746.5405.618476.0把上面计算得出的各种不同结构墙体的热稳定性度时数（DH）进行比较：，，且接近于，说明采取隔热措施后可以提高房间的热稳定性，用同样的隔热材料采用外隔热比内隔热好，更有利于提高房间的热稳定性，对于主体结构为重质材料的墙体来说，隔热的效果更好。把各种墙体的反应系数（BER）作比较，可以看出在6种墙体中，墙体2的反应系数（BER2）最小，为154.1，墙体6的反应系数（BER6）最大，高达18476.0，说明墙体2对室内的热稳定性好，且因围护结构传热引起的空调负荷小，墙体6的热稳定性差，且因围护结构传热引起的空调负荷大。BER1=170.5与BER2=154.1接近，都小于BER5=405.6；BER3=536.6小于BER4=746.5，且远远小于BER6，说明加隔热层可以提高围护结构的热稳定性，同时有利于降低围护结构因传热引起的空调负荷，且外隔热的效果较内隔热更好，但主体结构为轻质材料的墙体加隔热层后没有主体结构重质材料的墙体起到的效果那样显著。从上面的分析可以看出，对于连续运行的空调房间来说，当主体结构为重质材料的墙体时，加隔热层可以使房间的热稳定性明显提高，空调因墙体传热得热引起的能耗会减小，但当主体结构为轻质材料的墙体时，加隔热层对提高室内热稳定性的效果不是很明显。总的来说，加隔热层有利于提高房间的热稳定性和降低因围护结构传热引起的空调冷负荷，外隔热较内隔热更有利于提高室内的热稳定性。2.隔热形式的选择与房间的空气调节系统运行方式有关对于外隔热墙体，如果室内侧为体积热容量较大的承重结构，材料蓄热系数大，所以内表面温度波动小，对室温调节避免聚冷聚热有好处，适用于经常使用的房间，但对于一天只有短时间使用的房间，如 体育 馆、剧院、使用频率比较低的会议室等，在每次使用前临时降温，要求室温能尽快达到要求的标准，这时内隔热便比较有利。所以对于间歇使用的空调房间，围护结构的蓄热性能对房间的热稳定性和空调能耗是起负面作用的，这种情况下，宜采用内隔热，即使采用外隔热，主体结构内侧也宜使用热容量小的轻质材料。因为当长时间不用的房间在启用时，房间的空调冷负荷：Q=围护结构的传热负荷+室内人员及设备的散热负荷+围护结构的蓄热负荷+新风负荷。采用内隔热，一方面可以加大墙体的传热热阻，减小围护结构的传热负荷，另一方面，因为隔热层在内侧，对室内的冷量起阻隔作用，减小了因墙体蓄热带来的短时间内的空调冷负荷，从而降低了使用时段内的空调能耗。据有关实验表明[1]：对长期处于 自然 条件下隔热层处于不同位置的围护结构的房间进行瞬时初加热，加热热源为散热器（内壁热媒水温为定值）和辅助加热源（电加热器）。在 计算 中同样引入了热稳定性度时数和围护结构的反应系数，其定义为：热稳定度时数，，其中表示热舒适温度(20 °C)，为室内逐时温度，为计算时间间隔，加热周期为一天，这个数据显示了在定义的一个周期内室内空气温度与舒适性温度的差值；定义在加热日建筑围护结构的反应系数为：，其中代表在加热日总的加热量。实验结果表明：隔热层在内部时，房间空气达到舒适性温度的时间最短，并且在电加热器关闭后很长一段时间内室内气温比较稳定；热稳定性度时数（DH）最低，围护结构的反应系数（BER）也最小，说明间歇运行的空调房间，内隔热更有利于室内的热稳定性，空调的负荷也会得到降低，有利于节能。对于空调系统连续工作的房间，围护结构的蓄热系数大，对室内温度变化的抑制能力就强，有利于房间的热舒适性。此种情况下，墙体宜采用外隔热，这样热容量大的墙体位于室内侧，热容量小的隔热材料位于室外侧。由于隔热层位于外侧，主体材料的温度与室内空气温度接近，这就意味着当负荷不均衡时，可保证室内侧的墙体表面温度不急剧波动，蓄热层吸热或放出能量，朝有利于室内温度保持稳定的方向变化。通过表3的计算结果也可以看出，对于连续运行的空调房间，外隔热墙体的热稳定性度时数（DH）低，墙体的反应系数（BER）也小，说明外隔热更有利于室内空气的热稳定性，如果可以合理利用夜间通风降温，让主体结构白天吸热升温， 夜间放热降温，更有利于降低空调能耗。3.墙体材料及隔热形式的选择与房间的使用时段有关围护结构的材料和结构不同时，延迟时间就不同，在设计时，我们可以通过合理设计墙体的结构，控制墙体的温度波延迟时间，让温度波低谷部分传到室内时，房间处于使用时段，当室内壁温度处于高谷时，房间处于间歇时段。比如对于中小学校，房间主要是白天使用，而室外综合温度最高值一般出现在下午2：00~4：00点，如果围护结构的延迟时间可以达到6小时，那么其室内温度高峰期就会出现在晚上8：00~10：00，这样教室在白天的使用时段内，房间的温度就不会太高；再如对于一些居住建筑，一般晚上7：00以后有人在，那么围护结构的延迟时间就应该小一些，如果延迟时间小于3小时，室内温度高峰期就会出现在晚上5：00~7：00以前，这样房间在使用时段内7：00以后就可以避免室内温度太高。另外，对于完全靠自然通风调节的房间，如果使用时段在白天，总的来说，宜使用重质围护结构，这样可以增强室内空气的稳定性。对于使用时段主要在夜间的房间（如居民住宅），隔热层宜布置在围护结构的内侧。由于绝热材料在内侧，晚间室外温度低于室内温度，室外空气进入室内，室内空气温度下降，墙体内表面的温度迅速下降。如果蓄热材料在内侧，由于白天房间没有空调，室内温度偏高，主体材料温度也高，夜间即使开窗通风调节，墙体的温度也不会迅速下降。4.围护结构材料及隔热形式的选择与气候特征有关对于夏热冬冷地区，在夏季，气温的日较差很大，白天温度太高，夜间温度太低，这种情况下，使用重质结构的墙体加外隔热，不仅可以提高室内的热稳定性，而且如果在夜间自然通风利用的好，还可以使空调的能耗得到明显的降低，但对于夏热冬暖地区来说，气温的日较差比较小，夜间室外温度与内侧墙体温度差别不大，所以这种靠夜间自然通风来进行节能调节的效果就不是很明显，对节能来说意义不大。5.结论围护结构在传热过程中，墙体是一个被动热源体，对室内的空调负荷起着调节作用，同时也 影响 了房间的热舒适性。这种调节作用的强弱主要是由围护结构的材料和隔热层的位置决定的,在设计中应根据本地区的气候特点、室内热环境的要求和具体的使用时段等实际情况来考虑这一 问题 。合理的设计围护结构不仅可以提高室内环境的热稳定性，而且会大大降低建筑的空调能耗。参考 资料[1].N.Lukic´ . The transient house heating condition—the building envelope response factor (BER) ，Renewable Energy 28 (2003) 523–532[2].孟庆林等.保温材料与建筑节能，2001/2[3] 章熙民等.传热学. 中国 建筑 工业 出版社（第三版），1993[4] 空气调节设计手册.第二版，中国建筑工业出版社[5] 陆耀庆等.实用供热空调设计手册.中国建筑工业出版社，1994[6] 中原信生.建筑和建筑设备的节能.北京:中国建筑工业出版社,1990
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