过渡季节超低能耗建筑的蓄放热特性研究★

陈先志，张幸涛，崔国游，宋文轩，贠清华，朱佳音

(1.河南五方合创建筑设计有限公司，河南 郑州 450000； 2.郑州大学土木工程学院，河南 郑州 450001)

如何维持适宜的室内环境，以及降低建筑能耗是全球建筑业发展的重要课题。能源问题将成为社会发展乃至人类生存所面临的挑战之一[1]。提高超低能耗建筑围护结构的热工性能是建筑节能的重要方向之一。近年来，国内外学者对重质墙体开展了相关研究，得出墙体材料对吸放热特性及室内温差变化具有重要影响。张春芳[2]提出不同蓄热材料的热惰性不同，吸放热特性不同，对室内温度的影响也不同。陈潇囡[3]提出加入相变材料使墙体内部温度波动平缓，相变材料的使用明显提高了墙体蓄热能力。

热惰性指标、衰减倍数等表征参数在一定程度上表明墙体的蓄放热特性[4]。因此本文以中原地区首个超低能耗建筑——五方科技馆为研究对象，实测分析过渡季气候条件下墙体的热工性能。通过测试墙体内外表面温度、室内空气温度等参数，研究墙体内外壁温的延迟时间以及衰减倍数等，以此评价墙体的蓄放热能力。所得结论可为超低能耗建筑围护结构的设计优化提供基础数据。

1 测试概况

研究对象为坐落于河南郑州的首个首栋超低能耗建筑——五方科技馆。该建筑地上3层，总建筑面积1 515.68 m2。

测试的主要参数包括内外壁温、近壁面温度、各柱子内外壁面温度、楼板以及屋顶壁面温度、近壁面热流密度等。

为研究超低能耗建筑外围护结构的热工性能，分别在四面外墙和窗户内外壁面设置温度测点。在2层地面和3层屋顶设置内外壁温测点和热流密度测点，测试楼板和屋顶的热工性能。室内具体仪器布置位置如图1所示。

2 重质墙体的蓄放热特性

2.1 南墙对温度波的削减作用

墙体对温湿度波的衰减作用可从室内外温度的变化对比看出，餐厅的室内外空气温度变化如图2所示。

从图2可知，室内温度基本不随时间变化而变化，基本维持在15.0 ℃～22.0 ℃，而室外温度则随时间变化较大，在5.0 ℃～28.0 ℃之间波动。室内外平均温度相差6 ℃左右。室内空气温度存在一定的波动，这是由于餐厅人员就餐等室内环境变化所引起的。同时，由图可知在4月6日～4月9日之间室内温度变化很小，保温材料维持室内温度的效果较为明显。

2.2 南墙导热动态规律分析

本次测试主要对展厅的壁面温度以及热流密度的变化进行监测，结果如图3所示。

由图3可知，南墙内壁面温度波动在15.0 ℃～20.0 ℃之间，平均气温在18.57 ℃，室内温度15.0 ℃～21.0 ℃范围内波动，平均气温在18.71 ℃。在9:00～19:00时，室内空气温度大于南墙体内表面温度，室内空气向重质墙体传递热量；20:00～8：00时，重质墙体向室内传递部分热量，维持室内温度的稳定。

墙体的逐时导热热流变化如图3所示，其中，数据正值表示室内空气以导热的形式将热量传递给墙体，负值表示墙体以导热的形式将热量传递给室内空气。

2.3 墙体对流传热过程分析

室内通过空气对流方式向内壁面传递/吸收的热量公式为：

(1)

墙体内表面热平衡方程：

外表面向内表面的导热量+室内空气通过对流方式向内表面传递的热量=0，即：

qm(n)=λ[tn(n)-tw(n)]/δ

(2)

其中，qm(n)为n时刻墙体外表面向内表面传热量，W/m2；λ为墙体导热系数；tw(n)为n时刻外壁面温度；δ为墙体厚度，m。

计算所得的集热蓄热墙的瞬时对流传热热流与墙体单位面积的热损如图4,图5所示。

由图4可知，南墙内壁面温度较为稳定，基本维持在15.0 ℃～20.0 ℃之间，而外壁面变化较大，温度由0 ℃波动至35 ℃。由于墙体保温材料的优良性能，墙体内壁面的温度波动幅度与外壁面相比降低较多。与此同时，墙体单位面积热损在4 W/m2以内。

从图5中可以看出，每日9:00～19:00时段，室内温度高于墙体内壁面温度，南墙通过对流换热从室内得热，其最大得热热流为：13.05 W/m2，平均得热热流为：3.11 W/m2；20:00～8：00时段，南墙向室内的最大供热热流为：20.10 W/m2，平均供热热流为：3.75 W/m2。在测试期间，南墙整体通过对流方式与室内空气的热传递为平衡状态。

2.4 围护结构热惰性指标计算及分析

五方科技馆围护结构均为多层围护结构，且每层均由一种材料组成，多层围护结构的D值和各层材料的热阻与蓄热系数可据GB 50176—2016民用建筑热工设计规范查得，经计算，围护结构热惰性指标如表1所示。

表1 围护结构的热惰性指标

热惰性指标D值越大，周期性温度波在其内部的衰减越快，围护结构的热稳定性越好。从表1可看出，五方科技馆围护结构的热稳定性良好，有利于维持墙体内壁面温度的稳定性，营造舒适的室内热环境。

3 墙体动态蓄放热分析

3.1 周期内各重型墙体蓄、放热量动态变化

由于墙体的热惰性，热量在墙体中将存在一定的蓄放热规律，对各重型墙体的动态蓄放热进行分析[5]。各朝向墙体蓄放热情况如图6所示。

图6直观的表示了各重型墙体蓄、放热量在整个监测时段内随时间的变化情况。从图6可以看出，南墙与西墙的蓄、放热波动规律大致相同，21：00～8:00，墙体处于放热状态；白天，由于太阳辐射的作用，墙体处于蓄热状态。西墙蓄、放热量数值最大；北向房间接受太阳辐射影响较小，北墙全天大多数时间都处于放热状态。

3.2 墙体的放蓄比分析

为更好说明墙体蓄放热特性，引入放蓄比系数r，表示单位面积墙体在单位时间内的放热量与蓄热量之比。以24 h的周期作为单位时间，对测试期间各墙体的放蓄比进行统计分析，如图7所示。

由图7可知，4月6日，北墙的放蓄比远大于南墙和西墙，在之后的两天放蓄比快速下降，至4月8日，放蓄比仅为1.04。相反，南墙的放蓄比在逐步提高。可以推测墙体中储存的热量，以室内空气为媒介存在一定的转移。西墙的放蓄比变化不大，平均值为0.34，说明墙体基本处于蓄热状态。

3.3 夜间墙体蓄放热量分析

夜间由于缺少太阳辐射，室内外温度均有所下降，此时，墙体的夜间放热量是维持夜间室温的关键因素，因此对各墙体的夜间蓄放热量进行统计分析，如图8所示。

由图8可知，随着室外环境温度的提高，墙体夜间放热量总和在逐步下降。其中西墙的夜间放热量在逐步减少。通过计算发现，室外环境温度每上升1 ℃，夜间放热量总和减少约2 446 W。而南墙与北墙的夜间放热量呈现互补的状态，两者的夜间放热量总和较为稳定。

4 结语

本文以寒冷地区的一栋典型的超低能耗建筑为对象，通过实测分析在过渡季节超低能耗建筑的热工参数，来评价建筑的蓄放热能力，得出如下结论：

1)在测试期间，餐厅的室内温度在15.0 ℃～22.0 ℃范围内波动，室外温度在5.0 ℃～28.0 ℃之间波动。重质墙体房间内空气温度与室外空气温度的波动规律相同，但室内空气的平均温度高于室外空气的平均温度，差值在6 ℃左右。由此可知五方科技馆过渡季重质墙对维持室内温度稳定的作用十分明显，体现在重质墙体可以有效降低过渡季节室温的波动幅度，可有效维持室内环境在适宜的状态。

2)南墙外壁面温度在15.0 ℃～20.0 ℃范围内波动；南墙内壁面温度在0 ℃～35.0 ℃范围内波动，内壁面温度波动幅度远小于外壁面温度波动幅度，且墙体内外壁面单位面积的热损较小，维持在4 W/m2以内，说明墙体热绝缘性能良好。

3)在每日9:00～19:00时段，室内温度高于墙体内壁面温度，南墙通过对流换热从室内得热，平均得热热流为：3.11 W/m2；20:00～8：00时段，平均供热热流为：3.75 W/m2。在测试期间，南墙整体通过对流方式与室内空气的热传递为平衡状态。在过渡季，场馆可实现利用自然通风保持舒适的热环境，在夏、冬季则需利用主动冷/热源供应，维持室内温度的稳定[6]。

4)分析墙体蓄放热规律可知，南墙与西墙的蓄、放热波动规律大致相同，21：00～8:00，墙体处于放热状态。西墙蓄、放热量数值最大；北向房间接受太阳辐射影响较小。从放蓄比的对比可以看出，在4月6日北墙放蓄比远大于南墙和西墙，而在4月7日～8日之间，放蓄比不断下降。而南墙的放蓄比不断提升，可推测墙体的一部分热量由空气从北墙转移到南墙[7]。西墙放蓄比较为稳定，平均值为0.34，说明墙体基本处于蓄热状态。