间歇式用能模式下墙体热分析

高　珂，张伟林，何　军

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)



间歇式用能模式下墙体热分析

高珂，张伟林，何军

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

摘要：针对夏热冬冷地区间歇式用能特点，采用ANSYS软件对外墙内外保温墙体进行热分析。通过间断式施加温度荷载模拟空调运行，分析两种保温形式的墙体内温度变化情况。研究结果表明，受墙体内侧温度荷载的影响，内保温墙体内表面温度变化明显，且热量集中分布在内侧保温层部分，不易散失；外保温墙体受内侧温度荷载的影响较小，热量在墙体内分布均匀。在相同时间内，内保温需要施加荷载的时间明显比外保温的少。

关键词：夏热冬冷地区；建筑节能；间歇式；内保温；外保温；热分析

0　引　　言

目前，建筑能耗占社会总能耗的30%以上，建筑运行能耗是建筑总能耗的主要部分。随着人们生活条件的改善和对室内舒适度要求的提高，建筑运行能耗的比例将继续增长。我国北方由于处于寒冷地区及严寒地区，冬季持续性供暖，很早就开始了建筑节能研究。夏热冬冷地区节能研究起步晚，很多节能措施沿用北方寒冷地区的方法[1]，特别是墙体外保温节能方法。而夏热冬冷地区除了需要同时考虑供暖及隔热这一点不同于寒冷地区外，间歇性用能形式[2]也不同于寒冷地区的持续性用能形式，外墙外保温是否适合夏热冬冷地区的探索受到人们关注。

很多学者从建筑能耗研究出发，采用DeST能耗分析软件对夏热冬冷地区墙体围护结构进行能耗分析[3]，得出外保温及内保温对夏热冬冷地区的适用性。而DeST偏向于整个建筑系统，且由于计算时间步长为小时，不能够充分体现夏热冬冷地区间断性开启空调的短时间内温度变化。本文使用ANSYS软件，对墙体进行热分析，充分体现出开启及关闭空调时短时间内温度的变化，为夏热冬冷地区墙体保温形式的研究提供依据。

1　研究方法

1.1计算模型

选取夏热冬冷地区典型住宅建筑的外墙为研究对象，选用内、外两种保温方法。墙体基层为200mm厚煤矸石砌体，保温材料为40mm厚无机轻集料保温砂浆。

内、外保温墙体建筑材料相同，但墙体构造不同。为了忽略水泥砂浆厚度对两种保温墙体传热的影响，在建立墙体简化模型时，将内表面及外表面水泥砂浆设置相同参数。两种墙体构造如图1。对于由多层材料组成的墙体，墙体沿表面方向结构均匀，且厚度远远小于表面长宽尺度，则忽略内部沿平行于表面方向的导热，按一维过程分析其沿厚度方向的导热。在ANSYS单元类型中，选取4节点二维平面单元,并假设各层材料都是各向同性的，无材料间的辐射传热。墙体材料热工参数见表1。

1.2参数选取

1.2.1墙体初始温度

根据夏热冬冷地区某市夏季最热日和冬季最冷日室外温度曲线方程[4](见公式1-2)，对墙体进行稳态分析，分别得出在夏季及冬季时墙体的初始温度分别为29.4℃和-1.9℃。

表1　墙体热工参数

夏季最热日：

(1)

冬季最冷日：

(2)

式中x为时间，取值范围为0～24，单位为h；y为随时间变化的温度值，单位为℃。

1.2.2空调开启时间

表2　空调间歇性运行时间段

2　模拟分析

2.1相同时间下墙体热分析

根据施加及删除荷载来模拟开启及关闭空调，由于施加的冷热荷载温度对墙体的影响明显大于室内温度的影响，因此将墙体内表面温度直接设置为空调设定温度。墙体内表面施加温度荷载时，对流系数为12.5W/m2·K。为了使模拟结果差别更加明显，本文中夏季设定空调温度为14℃，冬季设定空调温度为40℃。墙体外表面对流系数夏季为19 W/m2·K，冬季为23 W/m2·K[5]。室外温度分别为模拟时间段的室外平均温度，开启空调时施加温度荷载，关闭空调时，删除温度荷载。在模拟时，按每小时时间长度施加或删除荷载，并将每一步的施加荷载情况记录为荷载步文件[6]，最后按荷载步顺序模拟计算，每一步的荷载步设置如表3。

表3　墙体模拟荷载步设置

2.1.1夏季墙体热分析

图2为夏季墙体热分析温度云图。如图所示，夏季空调开启情况下，墙体在施加相同内外表面荷载，间歇性开启、关闭空调8小时后，外保温墙体室内冷荷载在墙体内均匀分布，内保温墙体冷荷载主要集中在墙体内侧保温层部分。

墙体内表面与室内空气直接接触，墙体内表面温度变化的快慢可以体现出室内温度变化的快慢，在内、外保温模式下，从墙体内表面各选一点，绘制该点18时至次日2时的温度变化曲线(图3)。由图可看出，第一次开启空调后，两种墙体温度都快速下降，而内保温墙体内表面温度下降幅度更大；关闭空调后，温度都会上升，而内保温墙体内表面升温幅度比外保温墙体小，在间歇式开启和关闭空调8小时后，内保温内表面温度比外保温内表面温度更低。

2.1.2冬季墙体热分析

图4为冬季墙体热分析温度云图。如图4所示，在冬季间歇性开启空调8小时后，外保温墙体室内热荷载在墙体内均匀分布，内保温墙体热荷载主要集中在墙体内侧保温层部分，分布到墙体的热量较少。

仍从内、外保温墙体内表面各选一点，并绘制该点在18时至次日2时的温度变化曲线(图5)。由图可看出，第一次开启空调后，外保温墙体内表面温度与内保温墙体内表面温度上升速度相似，内保温内表面温度上升稍快；关闭空调后，外保温墙体内表面温度下降幅度更大。在四次开启、关闭空调后，外保温墙体内表面最终温度为9.4℃，内保温墙体内表面最终温度为17.9℃，内保温室内温度比外保温室内温度高8.4℃。

2.2相同温度设定下墙体热分析

假设从下午6点开始开启空调。夏季开启空调温度为14℃，当墙体内表面温度降到25℃时，关闭空调；当温度升到27℃时，再次开启空调。冬季设置开启空调温度为40℃，当墙体内表面温度升到20℃时，关闭空调；当温度降为18℃时，再次开启空调。计算两种情况下4小时内需要开启空调的时间，由于每次模拟时间长度不一致，故室外温度值始终使用第一个小时的室外平均温度代替。

2.2.1夏季墙体传热时间分析

对外保温墙体进行第1小时的开启空调模拟，墙体内表面施加14℃的对流荷载，外表面施加33.9℃的室外温度对流荷载，记录墙体内表面温度值降到25℃时的时间。在内表面温度达到25℃的基础上，删除内表面的对流荷载，使其温度自然上升至27℃时，再记录此时的时间。温度上升至27℃时，继续施加温度荷载降温至25℃。如此反复进行开启/关闭空调模拟，持续时间为四个小时，记录时间如表6。

表6　夏季温度变化时间统计

由此可知，与外保温相比，内保温墙体降温快，关闭空调后，室内温度上升速度慢。4个小时不断降温升温，使墙体内表面温度保持在25℃～27℃之间，外保温所需开启空调时间是内保温的两倍以上。

2.2.2冬季墙体传热时间分析

同前所述，将墙体内表面温度保持在18℃～20℃之间，温度低于18℃时施加高温荷载，达到20℃时删除高温荷载，反复进行开启/关闭空调模拟，并记录每个阶段的时间，如表7。

表7　冬季温度变化时间统计

由上可知，内保温墙体降温比外保温墙体升温快，外保温所需时间将近4个小时，再不断升温降温，使墙体内表面温度保持在18℃～20℃之间，外保温所需开启空调的时间是内保温的2.5倍左右。

3　结　　论

(1)由相同时间温度分析可知，与外保温相比，内保温模式下室内温度夏季温度低、冬季温度高；与墙体热量交换少，偏于节能。外保温降温与升温都较慢，墙体构造层之间温差较小。

(2)由设定相同温度分析所需时间可知，在4个小时内，无论是夏季使温度保持在25℃～27℃还是冬季使温度保持在18℃～20℃，外保温所需施加冷热荷载的时间都比内保温所需时间长很多。

参考文献

1林晓.浅析我国建筑节能推广势在必行[J].硅谷，2010，(7)：91-91.

2朱光俊，张晓亮，燕达.空调运行模式对住宅建筑采暖空调能耗的影响[J].重庆建筑大学学报，2006，28(5)：119-121.

3张晓洁.长沙办公建筑间歇空调能耗模拟分析[D].长沙：湖南大学土木工程学院，2011.

4庙诗祥.合肥地区典型外保温系统保温隔热性能研究[D].合肥：安徽建筑大学土木工程学院，2013.

5中华人民共和国建设部，GB50176-93民用建筑热工设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，1993.

6辛文彤，李志尊，胡仁喜，等.热力学有限元分析[M].北京：机械工业出版社，2011.

Study on Thermal Analysis of Wall in Intermittent Energy Mode

GAO Ke，ZHANG Weilin，HE Jun

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Anhui, Hefei, 230601, China)

Abstract:According to the characteristics of intermittent energy consumption in Hot Summer and Cold Winter region, we analyzed the exterior wall of internal insulation and external insulation by using ANSYS software in the thermodynamic module. By applying intermittent temperature load to simulate air conditioning running, we studied the wall’s temperature changing in two kinds of thermal insulation. The results show that affected by the inside temperature load of the wall, the inner surface of interior insulation temperature changes significantly, and the heat is concentrated on the medial portion of the insulation layer and it’s not easy to be lost; exterior insulation is less affected by the inside temperature load, heat evenly distributed in the wall. At the same time, the internal heat preservation needs to apply the load time is significantly less than the external insulation.

Key words:Hot Summer and Cold Winter region; energy conservation in building; intermittent; interior insulation; exterior insulation; thermal analysis

中图分类号：TU111.4

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)05-047-04

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150510

作者简介：高珂(1989-)，女，硕士研究生，研究方向：建筑节能。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划课题(2011BAJ03B04)

收稿日期：2015-04-08