胡先霞，李 賀，亢燕銘，鐘 珂

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620)

長江下游地區(qū)的氣候類型為亞熱帶季風(fēng)氣候，冬季氣候陰冷潮濕，室外最低溫度一般為0 ℃。為維持室內(nèi)舒適的熱環(huán)境，通常需要大量能耗。目前，很多研究[1-6]從圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能對建筑節(jié)能的影響角度著手，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱行為進(jìn)行了分析比較。

劉倩等[1]利用DeST軟件比較了上海某住宅建筑不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱方式對采暖、空調(diào)及全年總能耗的節(jié)能率的影響，結(jié)果表明良好的保溫方式對冬季采暖節(jié)能率有明顯影響；李兆堅(jiān)等[2]研究了建筑保溫性能與空調(diào)冷熱負(fù)荷和能耗的關(guān)系，結(jié)果表明增強(qiáng)建筑保溫性能會使空調(diào)加熱能耗降低；胡達(dá)明等[3]采用反應(yīng)系數(shù)法研究了夏熱冬暖地區(qū)墻體內(nèi)、外保溫方式對隔熱性能的影響；孔凡紅等[4]模擬分析了夏熱冬冷地區(qū)相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)和外保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)的適用性；Constantinos等[5]利用等效滿負(fù)荷小時(EFLH)方法研究了香港、首爾、東京三大亞洲城市幾十年來溫度變化對居住建筑冷卻和加熱能耗的影響；王曉騰等[6]研究了保溫層位置對鋼筋混凝土建筑的南外墻太陽能吸收狀況的影響。上述研究均表明，墻體保溫和太陽能的有效利用可以明顯增大冬季墻體得熱量，從而減少供暖能耗。

實(shí)際中，氣候條件隨時間不斷變化，因此墻體與外界換熱情況，不僅與當(dāng)時的室內(nèi)外氣溫和太陽輻射有關(guān)，還與前期天氣影響的墻體本身溫度有關(guān)。故連續(xù)陰天之后，墻體凈得熱量與室外氣溫和晴天持續(xù)天數(shù)均有關(guān)系。為此，本文將在不同室外氣溫和持續(xù)日照天數(shù)條件下，研究保溫層位置對廣泛使用的磚墻體凈得熱量的影響。

文獻(xiàn)[6-7]均采用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)方法模擬了單個房間墻體熱容對室內(nèi)環(huán)境的影響；Barmpas等[8]結(jié)合太陽得熱，采用CFD對不同材料組合的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱行為進(jìn)行了三維模擬，并與TRNSYS模擬軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。上述研究表明，CFD模擬可以得出較準(zhǔn)確的結(jié)果，故本文擬利用此方法進(jìn)行研究。

1 計(jì)算方法與模型

1.1 計(jì)算方法

本文以上海地區(qū)的居住建筑和氣候條件為研究對象，采用有限容積法控制離散方程，并用二階迎風(fēng)格式對離散方程進(jìn)行差分，依托FLUENT 6.3.26的計(jì)算程序，對冬季建筑南墻的傳熱行為進(jìn)行研究分析。為簡化FLUENT的計(jì)算工作量，本文采用了當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算方法，將壁面與空氣的對流換熱等效成導(dǎo)熱進(jìn)行模擬計(jì)算。

太陽輻射對墻體的加熱作用受到墻體初始溫度及空間分布的影響，為此首先需要對所有工況進(jìn)行連續(xù)陰天的模擬，直至墻體溫度分布特征脫離人為設(shè)定的初始條件的影響，達(dá)到周期性穩(wěn)定狀態(tài)；隨后，在晴朗天氣條件下，對太陽輻射(包括直射輻射和散射輻射)作用下的墻體傳熱過程進(jìn)行連續(xù)數(shù)天的模擬計(jì)算。具體工況如表1所示。

表1 模擬的工況Table 1 Simulated cases

1.2 計(jì)算模型和邊界條件設(shè)置

本文采用的物理模型為上海地區(qū)某5層高的居住建筑，其幾何尺寸為長(L)×寬(W)×高(H)=15 m× 15 m× 15 m。選擇建筑南向中間房間(進(jìn)深×寬×高=4.0 m×3.6 m×2.9 m)為研究對象，南墻為房間唯一的外墻，窗墻比為2∶5，計(jì)算模型如圖1(a)所示。為降低計(jì)算工作量，通過將圖中深灰色區(qū)域視作對稱面，取深灰色面中間部分(見圖1(b))設(shè)為FLUENT模擬對象，如此可考慮到太陽輻射對建筑內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度影響。計(jì)算中設(shè)時間步長為10 s，每15步改變一次計(jì)算域入口溫度(即室外氣溫)和太陽輻射強(qiáng)度。

(a)(b)圖1 計(jì)算模型Fig.1 The computational model

文獻(xiàn)[9]給出了中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心上海地區(qū)累年日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為得出更為全面的試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)文獻(xiàn)[9]的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，室外氣溫最低溫度分別取-1.0、 1.5、 4.0和6.5 ℃，氣溫日較差均為8 ℃，室外氣溫和太陽輻射強(qiáng)度的逐時變化曲線見圖2。室內(nèi)空氣溫度始終維持在18 ℃，模擬對象相鄰房間室內(nèi)氣溫同樣為18 ℃。

圖2 室外氣候條件Fig.2 Outdoor climate conditions

長江下游地區(qū)的低層和多層居住建筑廣泛采用成本低且施工簡單的磚墻結(jié)構(gòu)，故本文研究的墻體結(jié)構(gòu)層為磚墻，抹灰層材料為水泥砂漿，保溫層材料為泡沫聚苯乙烯，主要材料物性參數(shù)列于表2[10]中。分別采用內(nèi)保溫和外保溫方式，墻體構(gòu)造見圖3。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料物性參數(shù)Table 2 Physical properties of materials and thickness of building envelope

(a) 內(nèi)保溫 (b) 外保溫圖3 墻體構(gòu)造圖Fig.3 Profile map of the wall structure

1.3 計(jì)算模型的驗(yàn)證

文獻(xiàn)[11]對比了西班牙Vigo地區(qū)一建筑南墻外表面溫度在太陽輻射作用下的現(xiàn)場實(shí)測值和數(shù)值模擬值，得到了較為吻合的結(jié)果。為保證上述計(jì)算方法在數(shù)值模擬中的可靠性，參照文獻(xiàn)[11]的模擬細(xì)節(jié)，利用本文所用的方法進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖4。

圖4 本文模擬的南墻溫度與實(shí)測結(jié)果對比Fig.4 Comparisons of temperature on the south wall surface simulated in this paper and the measured results

由圖4可以看出，與文獻(xiàn) [11]模擬的結(jié)果相比，本文模擬的結(jié)果更接近實(shí)測的溫度值。這說明本文的計(jì)算模型和方法是可靠的。

2 結(jié)果與分析

2.1 南墻平均溫度的分布特征

冬季，建筑南墻受太陽輻射的影響最大，南外墻的平均溫度在晴天持續(xù)5 d條件下的逐時變化特征如圖5所示。

(a) 內(nèi)保溫

(b) 外保溫圖5 磚墻逐時平均溫度變化曲線Fig.5 Curves of the average temperature ofbrick wall changing over time

對比圖5(a)和5(b)可以得出，兩種保溫方式下的南墻平均溫度均隨時間呈周期性波動。不同之處在于，內(nèi)保溫南墻平均溫度的波動范圍更大，波動幅度可達(dá)到6.5 ℃，而外保溫墻體的波幅只有1.5 ℃。另外還可以看到，室外空氣溫度每升高2.5 ℃，內(nèi)保溫南墻的平均溫度增加2.0 ℃左右，而外保溫南墻的平均溫度僅僅升高0.6 ℃，遠(yuǎn)低于內(nèi)保溫。

造成上述現(xiàn)象的原因：內(nèi)保溫墻體的外側(cè)為導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)較高的磚墻結(jié)構(gòu)層，晝間可吸收太陽輻射用于加熱整個結(jié)構(gòu)層，夜間大量熱量又散發(fā)出去；而外保溫墻體外側(cè)則為導(dǎo)熱系數(shù)較小的保溫層，晝間阻礙了太陽能熱量向磚墻結(jié)構(gòu)層傳遞，夜間又起到良好的隔熱作用，故減少了墻體溫度的波動幅度。

為進(jìn)一步分析不同保溫方式墻體的空間溫度分布特征，對兩種保溫方式下南墻在11:00和23:00的空間溫度分布進(jìn)行分析，其特征圖如圖6所示。圖中橫坐標(biāo)為南墻任一點(diǎn)距其外表面的水平距離。

(a) 內(nèi)保溫τ=11:00 (b) 內(nèi)保溫τ=23:00

(c) 外保溫τ=11:00 (d) 外保溫τ=23:00圖6 典型時刻南墻空間溫度分布Fig.6 Space temperature distribution of the southwall at typical moments

從圖6可以看出，無論何種保溫方式，南墻內(nèi)表面溫度均變化較小，始終接近18 ℃，而外表面溫度波動較大。圖6表明：內(nèi)保溫時，整個磚墻結(jié)構(gòu)層的溫度受室外氣溫影響很大，并隨著氣候條件的晝夜變化而劇烈變化；外保溫時，磚墻結(jié)構(gòu)層溫度波動很小，受室外氣溫影響也較小，僅保溫層溫度隨著外部環(huán)境發(fā)生劇烈變化，外保溫層的隔熱作用導(dǎo)致太陽輻射對墻體結(jié)構(gòu)層溫度的影響不大。

2.2 不同保溫方式下的磚墻凈得熱量情況比較

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量(qτ)由墻體對太陽能的吸收量和墻體外表面與室外空氣對流換熱損失的熱量共同決定，可以表示為

qτ=(Id， τ+Ir， τ)α+hout(te， τ-tτ)

(1)

式中：Id，τ、Ir，τ分別為τ時刻到達(dá)南墻外表面的太陽直射輻射強(qiáng)度和散熱輻射強(qiáng)度，W/m2；α為南墻外表面吸收系數(shù)，取0.73；hout為南墻外表面的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；te，τ、tτ分別為τ時刻室外空氣溫度和南墻外表面溫度，K。

為便于比較不同保溫方式的墻體凈得熱通量的變化特征，在室外空氣最低溫度te，min=-1 ℃工況下，對內(nèi)、外保溫墻體的凈得熱通量隨時間的變化規(guī)律進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7 te，min=-1 ℃時磚墻凈得熱通量Fig.7 The net heating quantity of brick wall when the lowest air temperature is -1 ℃

由圖7可以看出，墻體在白天得熱為正，處于吸熱狀態(tài)，夜間反之。內(nèi)保溫墻體最大凈得熱量約為150 W/m2，最小為-100 W/m2，外保溫墻體最大和最小凈得熱量分別為50和-70 W/m2，內(nèi)保溫的波動幅度約為外保溫的兩倍。外保溫墻體每天的得熱量情況基本保持穩(wěn)定，與連續(xù)日照天數(shù)無關(guān)，而內(nèi)保溫呈周期性下降趨勢，并于第三天達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。其他工況情況類似，不再贅述。

為進(jìn)一步研究保溫方式對建筑南墻白天吸收太陽能情況和夜間熱損失的總體影響，需要分別計(jì)算出南墻晝間得熱總量Qsun，1和夜間散熱總量Qsun，2。已知計(jì)算日當(dāng)天的日出時間為7:00，日落時間為17:00，則計(jì)算公式如式(2)和(3)所示。

(2)

(3)

不同室外空氣溫度和保溫方式時，南墻溫度場達(dá)到周期穩(wěn)定狀態(tài)(連續(xù)日照第五天)時的晝間得熱總量和夜間散熱總量柱狀圖如圖8所示。

從圖8(a)中可以看出，內(nèi)保溫時南墻晝間得熱總量隨著室外氣溫的增加而增加，外保溫的晝間得熱總量變化不明顯。而圖8(b)表明，內(nèi)保溫墻體的夜間散熱總量變化則是隨室外氣溫的增加而減少，同時，外保溫南墻的夜間散熱總量仍不隨室外氣溫而明顯改變，且散熱總量低至內(nèi)保溫時的1/4。

(a) 晝間得熱總量

(b) 夜間散熱總量圖8 南墻的晝間得熱總量和夜間散熱總量Fig.8 The total heating quantity during daytime andtotal heat dissipation at night of the south wall

綜上所述可知：內(nèi)保溫磚墻雖然晝間得熱量多，但其夜間損失的熱量更大；而外保溫磚墻雖然晝間對太陽能的得熱量少，但夜間散發(fā)到大氣中的熱量也較少。

墻體全天凈得熱總量將最終影響供暖能耗。室外空氣溫度不同時兩種保溫方式的磚墻全天凈得熱總量隨日照時間的變化曲線圖如圖9所示。圖9表明，在連續(xù)晴天條件下，僅日照第一天內(nèi)保溫磚墻的凈得熱總量高于外保溫，隨著日照時間的增加，外保溫磚墻的凈得熱總量幾乎保持不變，而內(nèi)保溫時的凈得熱總量隨之減少，并于第二天或第三天開始低于外保溫墻體的凈得熱量。

圖9 南墻全天凈得熱量隨日照天數(shù)的變化Fig.9 All-day variations of net heating quantity of thesouth wall with the sunshine-days

從圖9(a)還可以看出，室外氣溫越低，墻體得熱量越少，外保溫磚墻相對于內(nèi)保溫磚墻的得熱量增值越大?？梢哉J(rèn)為外保溫磚墻在冬季的保溫效果優(yōu)于內(nèi)保溫，且室外氣溫越低，優(yōu)勢越明顯。

為進(jìn)一步分析外保溫方式的優(yōu)勢，本文以外保溫墻體全天凈得熱總量為基準(zhǔn)，定義外保溫磚墻相對于內(nèi)保溫的增加率η為

(4)

式中：Qe， sun和Qi， sun分別為外保溫和內(nèi)保溫墻體的全天凈得熱總量。室外氣溫不同時，η隨日照時間的變化規(guī)律如圖10所示。

圖10 外保溫凈得熱總量的增加率Fig.10 The increase rate of net heating quantity of external insulation way

由圖10可知，就凈得熱總量而言，日照第一天外保溫墻體并無優(yōu)勢，凈得熱增加率甚至為-300%，并且受室外氣溫影響很大。但在連續(xù)晴天3 d后，外保溫磚墻的凈得熱總量比內(nèi)保溫方式多出近70%，且不隨室外氣溫的改變而改變。這是因?yàn)樵谶B續(xù)日照3 d(即內(nèi)保溫墻體外表面溫度實(shí)現(xiàn)平衡)后，造成內(nèi)外保溫墻體的凈得熱量差別的原因，主要是墻體吸收的太陽能不同，故與室外氣溫?zé)o關(guān)，但在內(nèi)保溫墻體溫度周期性穩(wěn)定之前(即第一、二個晴天)，內(nèi)保溫墻體溫度較低，對流散熱量較小，使得墻體實(shí)際得到太陽能較多。同時由于對流散熱量受室外氣溫影響大，故此時內(nèi)外保溫墻體的凈得熱量差別與室外氣溫有關(guān)。

因此，可以認(rèn)為對于冬季日照較充足的地區(qū)，持續(xù)晴朗天數(shù)較長，磚外墻采用外保溫方式更加有利于該地區(qū)建筑節(jié)能。

3 結(jié) 語

墻體與外界換熱情況，不僅與當(dāng)時的室內(nèi)外氣候條件有關(guān)，還與墻體本身溫度有關(guān)。本文針對連續(xù)陰天之后，墻體在太陽輻射作用下的凈得熱量與室外氣溫和晴天持續(xù)天數(shù)的關(guān)系，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行了詳細(xì)研究，主要得到以下結(jié)論：

(1) 內(nèi)保溫時，磚墻結(jié)構(gòu)層的溫度受室外氣溫影響很大，并隨著氣候條件的晝夜變化而劇烈變化；外保溫時，磚墻結(jié)構(gòu)層溫度波動很小，受室外氣溫影響也較小。

(2) 內(nèi)保溫磚墻的晝間得熱量雖大，但夜間散熱量也多，全天凈得熱總量隨日照天數(shù)的增加而減少；外保溫墻體在外側(cè)保溫層的作用下，晝間吸收的太陽能和夜間對流散熱量均較小，并且與連續(xù)日照天數(shù)無關(guān)。

(3) 日照第一天外保溫墻體并無節(jié)能優(yōu)勢，在連續(xù)晴天3 d及以后，外保溫磚墻的凈得熱總量比內(nèi)保溫方式多出近70%，且不隨室外氣溫的改變而改變。

綜上，冬季持續(xù)晴朗天數(shù)較長的地區(qū)，磚外墻采用外保溫方式更加有利于該地區(qū)建筑節(jié)能；對于少有連續(xù)晴天的地區(qū)，則內(nèi)保溫有利于減小供暖能耗。