空調負荷影響分析論文

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摘要：圍護結構的傳熱，并不只是一個單純的熱阻問題，而是一個有著蓄熱功能的被動熱源體。因此對不同氣候條件、不同的使用時段、不同空調方式的建筑，有著同樣熱阻的圍護結構，如果隔熱層的位置不同，其對室內空氣的作用效果是不同的。本文以夏熱冬暖地區為主要對象，分析了隔熱層在圍護結構內的不同位置時對室內空調負荷及室內熱穩定性的影響。

關鍵詞：圍護結構空調負荷熱穩定性

近年來，為了降低建筑的空調負荷，實現建筑節能，圍護結構的外隔熱和內隔熱技術發展很迅速，并得到了大面積的應用和推廣。其主要原理是加大了圍護結構的傳熱熱阻，從而降低了圍護結構因傳熱得熱引起的空調冷負荷。但我們知道，室外氣象參數是周期性變化的，圍護結構的傳熱并不是一個穩態過程，而圍護結構也并不僅僅是一個簡單的純熱阻，因其有著蓄熱功能，故在傳熱過程中，圍護結構相當于是一個被動熱源體，影響室內空調負荷的變化，同時也影響著房間的熱穩定性。例如對于有著相同熱阻的墻體，材料及厚度均相同，但其組合位置不同時，對室內空氣的影響作用是不同的。在實際工程中，具體采用什么樣的組合方式，應該根據實際的氣候特征、建筑物的使用時段和空調方式而定，不能簡單武斷地認定外隔熱一定比內隔熱好，或內隔熱一定比外隔熱好。

1.圍護結構主體結構的材料不同，加內隔熱和外隔熱后的效果不同

在對主體結構分別為輕質材料和重質材料的墻體分別加內隔熱層和外隔熱層后，其對室內空氣的熱穩定性作用效果是不同的，同時也影響了空調負荷。本文以廣州地區為例，選用六種不同材料和結構的典型墻體，對其熱工性能進行了計算，墻體材料的熱工性能見表1，墻體組成見表2。第一種墻體結構為輕質材料內隔熱；第二種為輕質材料外隔熱；第三種為重質材料外隔熱；第四種為重質材料內隔熱；第五種為輕質材料不加隔熱層結構；第六種為重質材料不加隔熱層結構。在太陽輻射過程中，西曬得熱最大，很多情況下最關心的也是西側墻體的內表面溫度是否高于可以接受的舒適性溫度，所以在計算中以西墻為例。

表1計算中用到的墻體材料的熱工性能材料

厚度δ[mm]

蓄熱系數S

[W/(m2.℃)]

材料熱阻R[(m2.℃)/W]

導熱系數λ

[W/(m2.℃)]

熱惰性指標D

密度ρ(kg/m3)

比熱容c

(kJ/kg.℃)

聚苯乙烯

30

0.34

1.11

0.027

0.38

30

2.00

泡沫混凝土

200

1.07

2.60

0.077

2.78

232

0.88

鋼筋混凝土

200

14.95

0.13

1.54

1.94

2400

0.84

石灰沙漿

20

8.9

0.02

0.93

0.19

1600

0.84

表2墻體結構及其隔熱層

為了考究圍護結構對室內空氣熱穩定性的影響，在這里引入圍護結構熱穩定性度時數的概念：，—室外綜合溫度波傳到室內時的平均溫度，—室外綜合溫度波傳到室內時各時刻的溫度，則即為綜合溫度傳到室內時各時刻的波動幅度大小，為計算時間間隔，計算中取1小時，這樣我們就可以得到墻體在一個周期（24h）內的熱穩定性度時數（DH）。熱穩定性度時數反應了圍護結構對室內熱穩定性的影響，熱穩定性度時數（DH）越小，說明圍護結構對室內的熱穩定性越有利。對以上列出的六種墻體的穩定性度時數計算結果見表3。

墻體的熱穩定性度時數雖然可以反應出其對室內熱穩定性的影響，但并不能直觀的反應出其對空調能耗的影響，為此我們同樣引入了墻體反應系數的概念，定義墻體的反應系數為：，其中DH與上面的意義相同，為一個計算周期（24h）內墻體傳熱引起的空調負荷累加值，，為室外綜合溫度逐時值，為室內設計溫度（即為舒適性溫度，這里設為26℃），R0為墻體的總傳熱熱阻，為計算時間間隔，計算中取1小時。墻體的反應系數綜合反映了墻體對室內熱穩定性和空調能耗的影響。墻體的反應系數越高，表示房間的熱穩定性越差，空調因墻體傳熱得熱引起的冷負荷越大，反之反應系數越低，說明熱穩定性越好，空調能耗也越小。表3是對以上提到的六種不同結構墻體的反應系數的計算結果。

表4廣州地區西墻幾種不同結構墻體的反應系數和度時數計算值結構

結構1

結構2

結構3

結構4

結構5

結構6

度時數（DH）

2.90

2.62

3.35

4.66

4.97

27.53

墻體反應系（BER）

170.5

154.1

536.6

746.5

405.6

18476.0

把上面計算得出的各種不同結構墻體的熱穩定性度時數（DH）進行比較：，，且接近于，說明采取隔熱措施后可以提高房間的熱穩定性，用同樣的隔熱材料采用外隔熱比內隔熱好，更有利于提高房間的熱穩定性，對于主體結構為重質材料的墻體來說，隔熱的效果更好。把各種墻體的反應系數（BER）作比較，可以看出在6種墻體中，墻體2的反應系數（BER2）最小，為154.1，墻體6的反應系數（BER6）最大，高達18476.0，說明墻體2對室內的熱穩定性好，且因圍護結構傳熱引起的空調負荷小，墻體6的熱穩定性差，且因圍護結構傳熱引起的空調負荷大。BER1=170.5與BER2=154.1接近，都小于BER5=405.6；BER3=536.6小于BER4=746.5，且遠遠小于BER6，說明加隔熱層可以提高圍護結構的熱穩定性，同時有利于降低圍護結構因傳熱引起的空調負荷，且外隔熱的效果較內隔熱更好，但主體結構為輕質材料的墻體加隔熱層后沒有主體結構重質材料的墻體起到的效果那樣顯著。

從上面的分析可以看出，對于連續運行的空調房間來說，當主體結構為重質材料的墻體時，加隔熱層可以使房間的熱穩定性明顯提高，空調因墻體傳熱得熱引起的能耗會減小，但當主體結構為輕質材料的墻體時，加隔熱層對提高室內熱穩定性的效果不是很明顯。總的來說，加隔熱層有利于提高房間的熱穩定性和降低因圍護結構傳熱引起的空調冷負荷，外隔熱較內隔熱更有利于提高室內的熱穩定性。

2.隔熱形式的選擇與房間的空氣調節系統運行方式有關

對于外隔熱墻體，如果室內側為體積熱容量較大的承重結構，材料蓄熱系數大，所以內表面溫度波動小，對室溫調節避免聚冷聚熱有好處，適用于經常使用的房間，但對于一天只有短時間使用的房間，如體育館、劇院、使用頻率比較低的會議室等，在每次使用前臨時降溫，要求室溫能盡快達到要求的標準，這時內隔熱便比較有利。所以對于間歇使用的空調房間，圍護結構的蓄熱性能對房間的熱穩定性和空調能耗是起負面作用的，這種情況下，宜采用內隔熱，即使采用外隔熱，主體結構內側也宜使用熱容量小的輕質材料。因為當長時間不用的房間在啟用時，房間的空調冷負荷：Q=圍護結構的傳熱負荷+室內人員及設備的散熱負荷+圍護結構的蓄熱負荷+新風負荷。采用內隔熱，一方面可以加大墻體的傳熱熱阻，減小圍護結構的傳熱負荷，另一方面，因為隔熱層在內側，對室內的冷量起阻隔作用，減小了因墻體蓄熱帶來的短時間內的空調冷負荷，從而降低了使用時段內的空調能耗。據有關實驗表明[1]：對長期處于自然條件下隔熱層處于不同位置的圍護結構的房間進行瞬時初加熱，加熱熱源為散熱器（內壁熱媒水溫為定值）和輔助加熱源（電加熱器）。在計算中同樣引入了熱穩定性度時數和圍護結構的反應系數，其定義為：熱穩定度時數，，其中表示熱舒適溫度(20°C)，為室內逐時溫度，為計算時間間隔，加熱周期為一天，這個數據顯示了在定義的一個周期內室內空氣溫度與舒適性溫度的差值；定義在加熱日建筑圍護結構的反應系數為：，其中代表在加熱日總的加熱量。實驗結果表明：隔熱層在內部時，房間空氣達到舒適性溫度的時間最短，并且在電加熱器關閉后很長一段時間內室內氣溫比較穩定；熱穩定性度時數（DH）最低，圍護結構的反應系數（BER）也最小，說明間歇運行的空調房間，內隔熱更有利于室內的熱穩定性，空調的負荷也會得到降低，有利于節能。

對于空調系統連續工作的房間，圍護結構的蓄熱系數大，對室內溫度變化的抑制能力就強，有利于房間的熱舒適性。此種情況下，墻體宜采用外隔熱，這樣熱容量大的墻體位于室內側，熱容量小的隔熱材料位于室外側。由于隔熱層位于外側，主體材料的溫度與室內空氣溫度接近，這就意味著當負荷不均衡時，可保證室內側的墻體表面溫度不急劇波動，蓄熱層吸熱或放出能量，朝有利于室內溫度保持穩定的方向變化。通過表3的計算結果也可以看出，對于連續運行的空調房間，外隔熱墻體的熱穩定性度時數（DH）低，墻體的反應系數（BER）也小，說明外隔熱更有利于室內空氣的熱穩定性，如果可以合理利用夜間通風降溫，讓主體結構白天吸熱升溫，夜間放熱降溫，更有利于降低空調能耗。

3.墻體材料及隔熱形式的選擇與房間的使用時段有關

圍護結構的材料和結構不同時，延遲時間就不同，在設計時，我們可以通過合理設計墻體的結構，控制墻體的溫度波延遲時間，讓溫度波低谷部分傳到室內時，房間處于使用時段，當室內壁溫度處于高谷時，房間處于間歇時段。比如對于中小學校，房間主要是白天使用，而室外綜合溫度最高值一般出現在下午2：00~4：00點，如果圍護結構的延遲時間可以達到6小時，那么其室內溫度高峰期就會出現在晚上8：00~10：00，這樣教室在白天的使用時段內，房間的溫度就不會太高；再如對于一些居住建筑，一般晚上7：00以后有人在，那么圍護結構的延遲時間就應該小一些，如果延遲時間小于3小時，室內溫度高峰期就會出現在晚上5：00~7：00以前，這樣房間在使用時段內7：00以后就可以避免室內溫度太高。

另外，對于完全靠自然通風調節的房間，如果使用時段在白天，總的來說，宜使用重質圍護結構，這樣可以增強室內空氣的穩定性。對于使用時段主要在夜間的房間（如居民住宅），隔熱層宜布置在圍護結構的內側。由于絕熱材料在內側，晚間室外溫度低于室內溫度，室外空氣進入室內，室內空氣溫度下降，墻體內表面的溫度迅速下降。如果蓄熱材料在內側，由于白天房間沒有空調，室內溫度偏高，主體材料溫度也高，夜間即使開窗通風調節，墻體的溫度也不會迅速下降。

4.圍護結構材料及隔熱形式的選擇與氣候特征有關

對于夏熱冬冷地區，在夏季，氣溫的日較差很大，白天溫度太高，夜間溫度太低，這種情況下，使用重質結構的墻體加外隔熱，不僅可以提高室內的熱穩定性，而且如果在夜間自然通風利用的好，還可以使空調的能耗得到明顯的降低，但對于夏熱冬暖地區來說，氣溫的日較差比較小，夜間室外溫度與內側墻體溫度差別不大，所以這種靠夜間自然通風來進行節能調節的效果就不是很明顯，對節能來說意義不大。

5.結論

圍護結構在傳熱過程中，墻體是一個被動熱源體，對室內的空調負荷起著調節作用，同時也影響了房間的熱舒適性。這種調節作用的強弱主要是由圍護結構的材料和隔熱層的位置決定的,在設計中應根據本地區的氣候特點、室內熱環境的要求和具體的使用時段等實際情況來考慮這一問題。合理的設計圍護結構不僅可以提高室內環境的熱穩定性，而且會大大降低建筑的空調能耗。

參考資料

[1].N.Lukic´.Thetransienthouseheatingcondition—thebuildingenveloperesponsefactor(BER)，RenewableEnergy28(2003)523–532

[2].孟慶林等.保溫材料與建筑節能，2001/2

[3]章熙民等.傳熱學.中國建筑工業出版社（第三版），1993

[4]空氣調節設計手冊.第二版，中國建筑工業出版社

[5]陸耀慶等.實用供熱空調設計手冊.中國建筑工業出版社，1994

[6]中原信生.建筑和建筑設備的節能.北京:中國建筑工業出版社,1990