丁 一，張志剛

（天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384）

為了減少采暖地區(qū)建筑能耗，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻及熱穩(wěn)定性是建筑中常規(guī)的做法[1].然而，這也阻礙了太陽(yáng)輻射所帶來(lái)的熱量傳入室內(nèi)，使高熱阻圍護(hù)結(jié)構(gòu)與太陽(yáng)能利用兩者間變得沖突[2].為解決這一矛盾，張志剛等[3]首次提出了熱管置入式墻體，并分析了影響其傳熱能力的因素；孫志健等[4]分析了熱管置入式墻體在冬季的適用性；譚榮華等[5]通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了熱管置入式墻體的傳熱能力.

在冬季工況下，熱管置入式墻體的傳熱過程主要由室內(nèi)外環(huán)境、墻體以及熱管之間的相互傳熱組成.其中，在墻體由內(nèi)表面向外表面的傳熱過程中，純墻體（無(wú)熱管）的傳熱與熱管吸熱段、放熱段向墻體內(nèi)部的傳熱是疊加在一起的，因此比較復(fù)雜.為此，張志剛等建立的穩(wěn)態(tài)傳熱模型忽略了熱管吸熱段與純墻體之間的熱量交換，將整個(gè)墻體的傳熱看作穩(wěn)態(tài)傳熱[3].穩(wěn)態(tài)傳熱模型不僅忽略了墻體蓄熱對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，還無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算及分析熱管置入式墻體每一時(shí)刻的內(nèi)表面溫度和傳熱量.實(shí)際上，墻體的傳熱過程是非穩(wěn)態(tài)的[6].為了更準(zhǔn)確分析熱管置入式墻體的傳熱特征，筆者借助Z 傳遞函數(shù)法[7]建立了熱管置入式墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，并對(duì)其傳熱過程及在冬季的節(jié)能特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.

1 熱管置入式墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱模型

1.1 非穩(wěn)態(tài)傳熱物理模型

本文主要研究熱管置入式墻體的內(nèi)表面溫度和傳熱量變化.因所研究墻體內(nèi)表面無(wú)保溫層，所以熱管放熱段的傳熱與墻體內(nèi)表面的傳熱相互疊加在一起，故將熱管放熱段所在墻體的傳熱作為研究重點(diǎn).

熱管工作時(shí)，熱管放熱段對(duì)其兩側(cè)墻體結(jié)構(gòu)傳熱.兩側(cè)墻體結(jié)構(gòu)接受到的熱量，一部分轉(zhuǎn)化為墻體結(jié)構(gòu)的蓄熱量，另一部分傳向墻體內(nèi)表面并向室內(nèi)釋放熱量.熱管不工作時(shí)，墻體結(jié)構(gòu)的蓄熱量傳向低溫側(cè).熱管在工作狀態(tài)下，瞬時(shí)傳熱量主要與溫差有關(guān).相對(duì)于瞬時(shí)傳熱量，影響蓄熱量的參數(shù)有很多，所有構(gòu)成墻體本身的材料的蓄熱系數(shù)和熱惰性指標(biāo)共同決定了墻體的蓄熱能力[8].

為了便于分析，對(duì)墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱模型作幾點(diǎn)假設(shè)：①熱管吸熱段與墻體主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)有高熱阻保溫層，所以忽略熱管吸熱段與墻體主體結(jié)構(gòu)之間的傳熱；②忽略熱管絕熱段與墻體之間的傳熱，因?yàn)闊峁芙^熱管與墻體的接觸面積極小，且絕熱管裹有外保溫層；③將放熱段看作一個(gè)等溫放熱面；④忽略墻體高度方向的傳熱影響，即認(rèn)為墻體是一維傳熱.

將熱管置入式墻體傳熱模型分解為常規(guī)墻體傳熱模型和熱管傳熱模型，并借助Z 傳遞函數(shù)法建立非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，如圖1 所示.圖1 中：1 為熱管放熱段；2 為水泥砂漿；3 為砂加氣砌塊；4 為 EPS 板；5 為水泥砂漿；6 為熱管絕熱段；7 為熱管吸熱段；q1為常規(guī)墻體的逐時(shí)傳熱量；q2為熱管工作狀態(tài)下對(duì)室內(nèi)側(cè)的逐時(shí)傳熱量；q3為墻體蓄熱量對(duì)室內(nèi)側(cè)的逐時(shí)傳熱量.

圖1 熱管置入式墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱模型分解

重點(diǎn)分析墻體內(nèi)表面的傳熱量，q1、q2、q3疊加即為熱管置入式墻體的逐時(shí)得熱量q.

1.2 非穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型

1.2.1 常規(guī)墻體傳熱量

傳熱量的方向由傳熱量數(shù)值的正負(fù)來(lái)表示，本文設(shè)定由室外向室內(nèi)的傳熱方向?yàn)檎?，反之為?fù).

根據(jù)Z 傳遞函數(shù)法可知，在室內(nèi)溫度為常數(shù)時(shí)，內(nèi)表面的逐時(shí)傳熱量為[9]

式中：系數(shù)bi、ci和di分別根據(jù)構(gòu)成墻體所需材料的物性決定；tr為室內(nèi)空氣溫度，℃.tz為室外空氣綜合溫度（即墻體外表面溫度），℃.

1.2.2 熱管放熱段傳熱量

熱管工作時(shí)，放熱面溫度tc不低于放熱段布置位置溫度tm.為了更好地研究放熱面，引入放熱面內(nèi)擾溫度參數(shù)為

圖2 熱管置入式墻體溫度示意

其中，室外空氣綜合溫度[3]的定義為

式中：tair為室外空氣溫度，℃；αout為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；a 為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收系數(shù)；I 為太陽(yáng)輻射度，W/m2；Q1為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面與環(huán)境的長(zhǎng)波輻射換熱量，W/m2.

（1）熱管工作狀態(tài)下對(duì)室內(nèi)側(cè)的逐時(shí)傳熱量q2.由于放熱面所在的內(nèi)抹灰部分與墻體內(nèi)表面之間的熱阻很小，q2的計(jì)算可簡(jiǎn)化為

式中：R 為內(nèi)表面到抹灰中心層的熱阻，（m2·K）/W.

（2）墻體蓄熱對(duì)室內(nèi)側(cè)的逐時(shí)傳熱量q3.借助Z傳遞函數(shù)法，在邊界條件下，求得通過熱管放熱段所在平面的逐時(shí)傳熱量q5，然后刨除其中向室外側(cè)的逐時(shí)傳熱量 q4，可得 q3，如圖 3 所示.

圖3 熱管放熱段的傳熱

1.2.3 熱管置入式墻體逐時(shí)傳熱量和逐時(shí)溫度

q1和 q3由式（1）計(jì)算，其輸入量分別為 tz和.熱管置入式墻體傳入室內(nèi)的熱量可由q2與q3之和得出，這部分熱量相當(dāng)于熱管置入式墻體為室內(nèi)提供的節(jié)能量.因?yàn)樵谟?jì)算傳熱量時(shí)，不考慮墻體內(nèi)側(cè)下半部分（無(wú)熱管放熱段），所以就整個(gè)熱管置入式墻體而言（吸熱段與放熱段面積比為1∶1），其單位面積逐時(shí)傳熱量為

進(jìn)而可得到墻體放熱段內(nèi)表面溫度的逐時(shí)變化值

式中：ti，i為 i 時(shí)刻放熱段內(nèi)表面溫度，℃；hi為放熱段內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）.

2 熱管置入式墻體傳熱性能測(cè)定

根據(jù)天津市典型年氣象資料[10]，通過式（3）即可計(jì)算得到天津地區(qū)采暖季南向外墻的tz.為了得到熱管置入式墻體在天津地區(qū)的，需要利用實(shí)驗(yàn)測(cè)定求得.文中的實(shí)驗(yàn)采用孫志健[11]所使用的JW 建筑墻體保溫性能檢測(cè)設(shè)備，對(duì)墻體進(jìn)行傳熱性能測(cè)定.利用熱箱溫度模擬室外空氣綜合溫度，冷箱溫度模擬室內(nèi)空氣溫度.測(cè)試符合GB/T13475—2008《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測(cè)定標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》[12]標(biāo)準(zhǔn).

通過采集實(shí)驗(yàn)墻體中貼于熱管放熱段內(nèi)表面和放熱段布置位置溫度的熱電偶的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到在不同室外空氣綜合溫度下的tc和tm，通過式（2）即可得到當(dāng)＞0 時(shí)，熱管處于工作狀態(tài)，熱管置入式墻體將投射于外墻的太陽(yáng)輻射能傳遞到室內(nèi)；當(dāng)=0時(shí)，熱管不工作.

3 熱管置入式墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱分析

3.1 熱管置入式墻體典型日的傳熱特性

選取12月10日作為典型日，分析熱管置入式墻體的非穩(wěn)態(tài)傳熱特性.典型日室外氣象參數(shù)見圖4.

圖4 典型日室外氣象參數(shù)

由圖4 可知：典型日太陽(yáng)輻射出現(xiàn)于7：00，并于16：00 消失，全天峰值輻射強(qiáng)度為 925.01 W/m2；室外空氣綜合溫度的變化趨勢(shì)與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的相近，峰值為44.7 ℃.在沒有太陽(yáng)輻射時(shí)，室外空氣綜合溫度即為室外空氣溫度.可見，室外空氣綜合溫度是由室外空氣溫度與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度共同決定的.從8：00—14：00，室外空氣綜合溫度高于熱管置入式墻體內(nèi)表面溫度，熱管處于工作狀態(tài).

圖5 為典型日常規(guī)墻體與熱管置入式墻體室內(nèi)表面的傳熱量的對(duì)比.由圖5 知：①在熱流密度零線以上時(shí)刻，熱管置入式墻體內(nèi)表面向室內(nèi)傳熱，常規(guī)墻體內(nèi)表面向室外傳熱，并且熱管置入式墻體內(nèi)表面的傳熱量大于常規(guī)墻體內(nèi)表面的傳熱量，這說明此段時(shí)間內(nèi)熱管置入式墻體能夠有效地提升室內(nèi)的得熱量；②在熱流密度零線以下時(shí)刻，熱管置入式墻體內(nèi)表面的逐時(shí)熱流密度平均值為-0.9 W/m2，而常規(guī)墻體內(nèi)表面的逐時(shí)熱流密度平均值為-3.51 W/m2，此段時(shí)間內(nèi)熱管處于不工作狀態(tài)，熱管置入式墻體內(nèi)表面向室外的傳熱量小于常規(guī)墻體內(nèi)表面的.

當(dāng)出現(xiàn)太陽(yáng)輻射時(shí)，熱管置入式墻體內(nèi)表面的傳熱量明顯高于普通墻體的，此段時(shí)間內(nèi)逐時(shí)熱流密度平均值為16.47 W/m2，遠(yuǎn)高于普通墻體的-4.65 W/m2.在熱管工作期間，熱管不僅在向室內(nèi)側(cè)進(jìn)行即時(shí)傳熱，還在向墻體內(nèi)部進(jìn)行蓄熱.9：00—10：00，室外太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變低，相應(yīng)的熱管置入式墻體的傳熱量驟降，體現(xiàn)了熱管傳熱的高效性.

圖5 典型日兩種墻體內(nèi)表面逐時(shí)傳熱量對(duì)比曲線

圖6 為典型日常規(guī)墻體、熱管置入式墻體放熱段內(nèi)表面逐時(shí)溫度對(duì)比圖.由圖6 可知：從0：00—7：00以及15：00—23：00，熱管放熱段內(nèi)表面的溫度僅稍高于常規(guī)墻體的，平均溫差為 0.34 ℃；而在 8：00—14：00，熱管處于工作狀態(tài)，熱管放熱段內(nèi)表面的溫度遠(yuǎn)高于常規(guī)墻體的，平均溫差為4.84 ℃，這對(duì)于室內(nèi)熱環(huán)境的改善起到了積極的作用.

圖6 典型日常規(guī)墻體、熱管置入式墻體放熱段內(nèi)表面逐時(shí)溫度

與普通墻體相比，熱管的熱二極管特性保證了熱管置入式墻體只會(huì)單方面地將熱量由室外傳遞到室內(nèi)，同時(shí)，熱管的高效傳熱性保證了熱管置入式墻體對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果.

3.2 熱管置入式墻體采暖季的節(jié)能特性

天津市的供暖時(shí)間為11月15日到次年3月15日.為了對(duì)比每個(gè)月熱管置入式墻體的節(jié)能特性，把采暖季均分為4 個(gè)采暖月（每個(gè)采暖月30 d）.圖7 為采暖季氣象參數(shù)和熱管工作時(shí)長(zhǎng).由圖7 可以看出：采暖季平均室外空氣綜合溫度和熱管置入式墻體的工作小時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)相近，且都呈拋物線趨勢(shì).這是因?yàn)榈? 個(gè)采暖月和第3 個(gè)采暖月室外空氣溫度相對(duì)較低，相應(yīng)的室外空氣綜合溫度也較低，分別為1.7，1.1 ℃，導(dǎo)致熱管工作小時(shí)數(shù)少，熱管工作狀況不佳.而第1 個(gè)采暖月和第4 個(gè)采暖月的平均室外空氣綜合溫度分別為4.5，9 ℃，相應(yīng)地?zé)峁芄ぷ餍r(shí)數(shù)分別高達(dá)76，113 h，是中間兩個(gè)供暖月的1.5 倍.此段時(shí)間內(nèi)熱管處于良好的工作狀態(tài)，能為室內(nèi)提供較高的得熱量.

圖7 4 個(gè)采暖月的平均室外空氣綜合溫度和工作小時(shí)數(shù)

熱管置入式墻體和常規(guī)墻體熱負(fù)荷的差值的絕對(duì)值與熱管置入式墻體的熱負(fù)荷之比，即為熱管置入式墻體的節(jié)能率.圖8 為采暖季熱負(fù)荷和節(jié)能率示意圖.由圖8 可知，前三個(gè)采暖月兩種墻體的熱負(fù)荷逐步升高，而在最后一個(gè)采暖月突然降低，這是由于在2、3月份，室外空氣溫度已有大幅度回升，墻體的失熱量相應(yīng)減少；熱管置入式墻體的傳熱能力隨著每個(gè)采暖月工作小時(shí)數(shù)的變化而變化，在最后一個(gè)采暖月其節(jié)能率達(dá)到峰值，為51.87%，其熱負(fù)荷也僅為常規(guī)墻體的48.12%.可見，熱管置入式墻體在最后一個(gè)采暖月可明顯減少室內(nèi)的熱負(fù)荷，從而在一定程度上改善室內(nèi)的熱舒適性.

圖8 4 個(gè)采暖月的熱負(fù)荷和節(jié)能率

熱管置入式墻體在整個(gè)采暖季的單位面積熱負(fù)荷為14 684.12 W/m2，其節(jié)能量為4 046.84 W/m2，熱管工作狀態(tài)下對(duì)室內(nèi)側(cè)的傳熱量與墻體蓄熱量對(duì)室內(nèi)側(cè)的傳熱量的比值為4∶1.在整個(gè)采暖季中，熱管置入式墻體內(nèi)表面比常規(guī)墻體平均提高0.16 ℃；而在熱管運(yùn)行狀態(tài)下，熱管放熱段內(nèi)表面的溫度可提高1.22 ℃，這對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境起到了積極的改善作用.綜上所述，若室外環(huán)境可達(dá)到熱管置入式墻體的工作條件，則熱管置入式墻體可對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行有效利用，減少建筑熱損失，改善室內(nèi)熱環(huán)境.

4 結(jié) 論

在建立熱管置入式墻體的非穩(wěn)態(tài)傳熱模型的基礎(chǔ)上，分析了該模型下的傳熱特性，對(duì)其在天津地區(qū)采暖季的節(jié)能特性進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論.

（1）熱管置入式墻體傳熱能力的變化趨勢(shì)與室外空氣綜合溫度的變化趨勢(shì)相似.

（2）在熱管工作狀態(tài)較佳的情況下，熱管置入式墻體能夠明顯地增加室內(nèi)得熱量，并提高放熱段內(nèi)表面溫度.

（3）以天津地區(qū)為例，熱管工作狀態(tài)下對(duì)室內(nèi)側(cè)的傳熱量與墻體蓄熱量對(duì)室內(nèi)側(cè)傳熱量的比值為4∶1.在整個(gè)采暖季，熱管置入式墻體的節(jié)能率可達(dá)21.61%.在熱管運(yùn)行狀態(tài)下，熱管放熱段內(nèi)表面的溫度可提高1.22 ℃，對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境起到了積極的改善作用.