基于外墙热工性能的辐射供暖热响应研究

谢文进 陈金华

（重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室 重庆 400030）

0 引言

长江流域建筑供暖问题近年来备受关注，辐射供暖可解决传统供暖方式存在的室内空气流速大，吹风感明显，热空气易出现分层导致热不舒适等问题[1]，具有应用推广前景，但辐射供暖性能还具有优化空间。刘小浩[2]通过模拟对比分析了散热器、风机盘管及地板辐射供暖三种形式下的温度热响应速度，研究结果表明地板辐射供暖温度热响应最慢。为加快辐射供暖热响应时间，近年来许多学者[3,4]从供暖系统运行参数着手进行研究，但马云[5]通过实验测试指出辐射供暖热响应速度受供暖地面结构特性和加热管内热水流动状态的影响，仅将改变水温及流量的调控方法用于辐射供暖将无法满足房间温控需求。王登辉[6]模拟分析了夏热冬冷地区间歇辐射供暖方式下室内热环境动态特性，指出外墙保温形式对间歇启停阶段室内热环境的影响不能被忽略。刘诗韵[7]分析了不同保温形式下的辐射空调室内热过程得到自保温的气温时间常数长于外保温和内保温，对流空调则无明显差异。由于辐射供暖换热过程与对流不同[8,9]，外墙热工性能在辐射地板间歇供暖时起着重要作用[10,11]，为缩短辐射供暖热响应时间还需合理地选择外墙保温方式、保温材料及保温层厚度。由于干式地暖相比于湿式地暖具有热响应迅速的特性[12]，为缩短辐射供暖热响应时间，本文将区别于前人的研究，以辐射供暖热响应时间作为主要评价指标，针对干式地暖条件下的外墙热工性能进行优化。

1 传热理论

1.1 地板表面传热分析

地面辐射供暖时地板表面的传热过程主要为地板表面与室内各围护结构及人体间的辐射换热；地板表面与室内空气间的对流换热。在不考虑家具遮挡及室内热源和耗散热时进行计算，单位面积地板表面总传热量q计算公式如下：

式中：qf为单位面积地板表面辐射换热量，W/m2；q d为单位面积地板表面对流换热量，W/m2。

其中，qf及qd计算公式如下：

式中：hd为地板表面对流换热系数，W/(m2·℃)；tp为地板表面平均温度，℃；ta为室内空气温度，℃；Xi,p为非供暖面i对地面的角系数；εi，εp为非供暖面、地面的发射率；σ为黑体辐射常数，取5.67×10-8，W/(m2·K4)；Ti为室内非供暖面的面积加权平均温度，K。

1.2 墙体热工性能影响因素分析

墙体的传热系数和热惰性是表征墙体热工性能的重要参数，其计算公式如下：

式中：R为材料热阻，(m2·℃)/W；λ为材料导热系数，W/(m·℃)；δ为材料厚度，m。

式中：K为墙体传热系数，W/(m2·℃)；λ为材料导热系数，W/(m·℃)；δ为材料厚度，m；1h为室内空气与内表面对流换热系数，W/(m2·℃)；2h为室外空气与外表面对流换热系数，W/(m2·℃)。

式中：S为材料蓄热系数，W/(m2·℃)；ρ为材料密度，kg/m³；c为材料比热容，kJ/(kg·℃)；λ为材料导热系数，W/(m·℃)；T为温度波动周期，通常取24h。

式中：D为热惰性指标；R为材料热阻，(m2·℃)/W；S为材料蓄热系数，W/(m2·℃)。

室内非供暖面与地板表面的辐射换热作用对辐射供暖过程存在影响且影响程度强于对流换热作用[13]，因此优化外墙热工性能，提升室内非供暖面表面温度可加快辐射供暖热响应。作为墙体热工性能重要表征参数的传热系数和热惰性受到外墙保温层厚度及保温材料影响，研究时需重点关注。但并非墙体的传热系数和热惰性相同，墙体的动态热工性能就相同，其会受到保温材料位置的影响，因此外墙保温方式的影响也不容忽视[14]。

2 模拟方案

采用Energy Plus 软件对某实验房间进行模拟，该房间可类比卧室，建筑模型如图1 所示，一面为外墙，一面为与空调房间相邻的内墙，二面为与非空调房间相邻的内墙，上下为与非空调房间相邻的楼板，其地面敷设有预制沟槽辐射板，该建筑主要围护结构及预制沟槽板构造列于表1。

图1 建筑模型Fig.1 Building model

表1 建筑围护结构构造Table 1 Building envelope structure

在Energy Plus 中选用重庆沙坪坝的气象参数文件，供暖季设为11月15日至2月15日，选取供暖典型设计日1月21日进行分析，考虑供暖II级热舒适，将室内设计温度定为18℃，结合人员用能习惯设定供暖系统当日23 点至次日8 点开启，供水温度为45℃。

分别选取五种不同的外墙保温方式，五种常用外墙保温材料[15,16]，在墙体厚度相同的条件下进行模拟，各保温方式及保温材料所对应的热工参数分别如表2 和表3 所示。

表2 外墙构造及其热工参数Table 2 Exterior wall structure and its thermal parameters

表3 保温材料热工参数Table 3 Thermal parameters of thermal insulation materials

3 模拟结果

3.1 保温方式及保温材料影响

在墙体厚度相同条件下，不同外墙保温方式及保温材料所营造出的初始空气温度即辐射供暖系统关闭，经过自然温降后于下一次辐射供暖系统开启前的空气温度，如图2 所示。

图2 辐射供暖初始空气温度图Fig.2 Initial air temperature of radiant heating

在墙体厚度相同的条件下，不同的外墙保温方式及保温材料使室内空气从初始温度达到设计温度18℃所需的辐射供暖热响应时间如图3 所示。

图3 辐射供暖热响应时间图Fig.3 Thermal response time of radiant heating

由图2 及图3 可知：

（1）在保温层厚度相同的条件下，保温方式及保温材料的选择均对辐射供暖初始温度有影响，不同保温材料条件下，选用外保温时，辐射供暖热响应时间极差即最短的辐射供暖热响应时间与最长的辐射供暖热响应时间之差，为68min；选用内保温时，极差为52min；选用自保温+外保温时，极差为14min；选用自保温+内保温时，极差仅为8min。自保温+外保温及自保温+内保温方式下墙体热阻值高且墙体主体材料热阻值高于保温材料热阻值，而外保温及内保温方式下墙体热阻值低且墙体主体材料热阻值低于保温材料热阻值，因此自保温+外保温及自保温+内保温方式下所营造出的初始温度高，辐射供暖热响应时间短，受保温材料性能影响较小。

（2）在保温材料及保温层厚度相同条件下，因为靠近室内侧的墙体材料蓄热系数高于靠近室外侧的墙体材料蓄热系数时，墙体对室内空气温度波动的抵抗能力增强，供暖系统关闭后室内温度短时间内不会发生剧烈变化[14]，所以自保温+外保温所营造出的初始温度高于自保温+内保温，外保温所营造出的初始温度高于内保温。但墙体对室内空气温度波动的抵抗能力增强会使室内空气温升速度减慢，辐射供暖热响应时间延长。室内设计温度为18℃时，在温升过程中，由于自保温+内保温方式的温升速率优势弱于自保温+外保温方式的初始温度优势，内保温方式的温升速率优势弱于外保温方式的初始温度优势，所以自保温+外保温和外保温方式下的辐射供暖热响应时间分别短于自保温+内保温和内保温方式下的辐射供暖热响应时间。

（3）在保温层厚度相同时，不同保温方式下，选用挤塑聚苯时，辐射供暖热响应时间极差为38min；选用硬质聚氨酯时，极差为28min；选用模塑聚苯时，极差为66min；选用岩棉时，极差为72min；选用玻璃棉时，极差为52min。因为保温材料热阻值在总热阻值中占比相对越大，对墙体传热过程的影响程度越大，对保温方式的兼容性越强，所以硬质聚氨酯作为保温材料其兼容性最强。

（4）在保温方式和保温层厚度相同时，保温材料导热系数越小，通过墙体的散热量越少，辐射供暖系统开启后，室内温升越快。因此保温材料对于初始室温及辐射供暖热响应时间的有利性大小为：硬质聚氨酯＞挤塑聚苯＞玻璃棉＞模塑聚苯＞岩棉。

（5）综合考虑保温方式及保温材料对辐射供暖初始温度的影响，可知自保温+外保温的保温方式最优，其次是自保温+内保温，再次是外保温及自保温，最后是内保温。自保温+外保温的保温方式结合硬质聚氨酯作为保温材料最优。综合考虑保温方式及保温材料对辐射供暖热响应时间的影响，可知自保温+外保温的保温方式采用硬质聚氨酯作为保温材料最优，辐射供暖热响应时间仅需76min。

3.2 保温层厚度影响

墙体保温层厚度也是影响墙体热工性能的重要因素，而墙体保温层厚度并非越厚越好，保温材料具有其有效蓄热层厚度[18]。辐射供暖热响应时间是评价辐射供暖性能优劣的重要指标，就辐射供暖热响应时间而言，硬质聚氨酯作为保温材料，其导热系数小，保温性能好，可使房间迅速升温，因此对硬质聚氨酯在不同厚度条件下的热工性能进行分析。

在保温材料相同的条件下，不同的外墙保温方式及保温层厚度所营造出的初始空气温度如图4所示。

图4 辐射供暖初始空气温度图Fig.4 Initial air temperature of radiant heating

在保温材料相同的条件下，不同的外墙保温方式及保温层厚度使室内空气达到设计温度18℃所需的辐射供暖热响应时间如图5 所示。

图5 辐射供暖热响应时间图Fig.5 Thermal response time of radiant heating

由图4 及图5 可知：

（1）在保温材料相同但保温层厚度不同的条件下，选用外保温时，辐射供暖热响应时间极差为34min；选用内保温时，极差为30min；选用自保温+外保温时，极差为16min；选用自保温+内保温时，极差为14min。自保温+外保温及自保温+内保温方式下墙体主体材料热阻值高，在总热阻中占比大，因此自保温+外保温及自保温+内保温方式下所营造出的初始空气温度和辐射供暖热响应时间受保温层厚度的影响小于外保温及内保温。

（2）在保温材料和保温方式相同时，随着保温层厚度的增加，墙体热阻值增加，通过墙体的散热量减少，因此所营造出的初始温度逐渐上升，辐射供暖热响应时间逐渐缩短；但保温层厚度的增加可能使保温层处于温度剧烈波动层之外，温度剧烈波动层之外温度波幅小，蓄热作用相对减小，所以初始温度上升幅度及辐射供暖热响应时间缩短幅度均有逐渐减小趋势[18]。

3.3 传热系数及热惰性影响

传热系数和热惰性是墙体热工性能的重要表征性参数，在墙体厚度为260mm 时，传热系数及热惰性不同的条件下，室内空气达到设计温度18℃时的辐射供暖热响应时间数值如表4 所示。

表4 响应时间表Table 4 Response schedule

续表4 响应时间表

由表4 可知：

外保温、内保温、自保温+外保温及自保温+内保温条件下，均有传热系数越大，响应时间越长，可见相比于热惰性，墙体传热系数对辐射供暖热响应时间的影响更强。

4 结论

（1）在墙体厚度及保温层厚度相同的条件下，总热阻值高且墙体主体材料热阻值高于保温材料热阻值的墙体所营造出的初始温度高，辐射供暖热响应时间短，受保温材料性能影响较小。在保温材料及保温层厚度相同条件下，辐射供暖热响应时间的快慢取决于初始温度优势和温升速率优势的相对强弱，在室内设计温度为18℃时，自保温+外保温和外保温方式下的辐射供暖热响应时间分别短于自保温+内保温和内保温方式下的辐射供暖热响应时间。在保温方式和保温层厚度相同时，保温材料导热系数越小，辐射供暖系统开启后，室内温升越快。

（2）当墙体厚度为260mm 时，选用硬质聚氨酯作为保温材料所营造出的初始温度更高，所需辐射供暖热响应时间更短，保温性能更优。在自保温+外保温的保温形式下可实现76min 室内温度达到18℃。

（3）在保温材料和保温方式相同时，随着保温层厚度的增加，初始温度逐渐上升，辐射供暖热响应时间逐渐缩短，但其幅度均逐渐减小，热工性能优势均逐渐弱化。

（4）外保温、内保温、自保温+外保温及自保温+内保温条件下，相比于热惰性，墙体传热系数对辐射供暖热响应时间的影响更强。随着墙体的传热系数增加，辐射供暖热响应时间延长。