謝文進(jìn) 陳金華

（重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400030）

0 引言

長(zhǎng)江流域建筑供暖問題近年來備受關(guān)注，輻射供暖可解決傳統(tǒng)供暖方式存在的室內(nèi)空氣流速大，吹風(fēng)感明顯，熱空氣易出現(xiàn)分層導(dǎo)致熱不舒適等問題[1]，具有應(yīng)用推廣前景，但輻射供暖性能還具有優(yōu)化空間。劉小浩[2]通過模擬對(duì)比分析了散熱器、風(fēng)機(jī)盤管及地板輻射供暖三種形式下的溫度熱響應(yīng)速度，研究結(jié)果表明地板輻射供暖溫度熱響應(yīng)最慢。為加快輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間，近年來許多學(xué)者[3,4]從供暖系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)著手進(jìn)行研究，但馬云[5]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試指出輻射供暖熱響應(yīng)速度受供暖地面結(jié)構(gòu)特性和加熱管內(nèi)熱水流動(dòng)狀態(tài)的影響，僅將改變水溫及流量的調(diào)控方法用于輻射供暖將無法滿足房間溫控需求。王登輝[6]模擬分析了夏熱冬冷地區(qū)間歇輻射供暖方式下室內(nèi)熱環(huán)境動(dòng)態(tài)特性，指出外墻保溫形式對(duì)間歇啟停階段室內(nèi)熱環(huán)境的影響不能被忽略。劉詩韻[7]分析了不同保溫形式下的輻射空調(diào)室內(nèi)熱過程得到自保溫的氣溫時(shí)間常數(shù)長(zhǎng)于外保溫和內(nèi)保溫，對(duì)流空調(diào)則無明顯差異。由于輻射供暖換熱過程與對(duì)流不同[8,9]，外墻熱工性能在輻射地板間歇供暖時(shí)起著重要作用[10,11]，為縮短輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間還需合理地選擇外墻保溫方式、保溫材料及保溫層厚度。由于干式地暖相比于濕式地暖具有熱響應(yīng)迅速的特性[12]，為縮短輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間，本文將區(qū)別于前人的研究，以輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，針對(duì)干式地暖條件下的外墻熱工性能進(jìn)行優(yōu)化。

1 傳熱理論

1.1 地板表面?zhèn)鳠岱治?/h3>

地面輻射供暖時(shí)地板表面的傳熱過程主要為地板表面與室內(nèi)各圍護(hù)結(jié)構(gòu)及人體間的輻射換熱；地板表面與室內(nèi)空氣間的對(duì)流換熱。在不考慮家具遮擋及室內(nèi)熱源和耗散熱時(shí)進(jìn)行計(jì)算，單位面積地板表面總傳熱量q計(jì)算公式如下：

式中：qf為單位面積地板表面輻射換熱量，W/m2；q d為單位面積地板表面對(duì)流換熱量，W/m2。

其中，qf及qd計(jì)算公式如下：

式中：hd為地板表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；tp為地板表面平均溫度，℃；ta為室內(nèi)空氣溫度，℃；Xi,p為非供暖面i對(duì)地面的角系數(shù)；εi，εp為非供暖面、地面的發(fā)射率；σ為黑體輻射常數(shù)，取5.67×10-8，W/(m2·K4)；Ti為室內(nèi)非供暖面的面積加權(quán)平均溫度，K。

1.2 墻體熱工性能影響因素分析

墻體的傳熱系數(shù)和熱惰性是表征墻體熱工性能的重要參數(shù)，其計(jì)算公式如下：

式中：R為材料熱阻，(m2·℃)/W；λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；δ為材料厚度，m。

式中：K為墻體傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；δ為材料厚度，m；1h為室內(nèi)空氣與內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；2h為室外空氣與外表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

式中：S為材料蓄熱系數(shù)，W/(m2·℃)；ρ為材料密度，kg/m3；c為材料比熱容，kJ/(kg·℃)；λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；T為溫度波動(dòng)周期，通常取24h。

式中：D為熱惰性指標(biāo)；R為材料熱阻，(m2·℃)/W；S為材料蓄熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

室內(nèi)非供暖面與地板表面的輻射換熱作用對(duì)輻射供暖過程存在影響且影響程度強(qiáng)于對(duì)流換熱作用[13]，因此優(yōu)化外墻熱工性能，提升室內(nèi)非供暖面表面溫度可加快輻射供暖熱響應(yīng)。作為墻體熱工性能重要表征參數(shù)的傳熱系數(shù)和熱惰性受到外墻保溫層厚度及保溫材料影響，研究時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注。但并非墻體的傳熱系數(shù)和熱惰性相同，墻體的動(dòng)態(tài)熱工性能就相同，其會(huì)受到保溫材料位置的影響，因此外墻保溫方式的影響也不容忽視[14]。

2 模擬方案

采用Energy Plus 軟件對(duì)某實(shí)驗(yàn)房間進(jìn)行模擬，該房間可類比臥室，建筑模型如圖1 所示，一面為外墻，一面為與空調(diào)房間相鄰的內(nèi)墻，二面為與非空調(diào)房間相鄰的內(nèi)墻，上下為與非空調(diào)房間相鄰的樓板，其地面敷設(shè)有預(yù)制溝槽輻射板，該建筑主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)及預(yù)制溝槽板構(gòu)造列于表1。

圖1 建筑模型Fig.1 Building model

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造Table 1 Building envelope structure

在Energy Plus 中選用重慶沙坪壩的氣象參數(shù)文件，供暖季設(shè)為11月15日至2月15日，選取供暖典型設(shè)計(jì)日1月21日進(jìn)行分析，考慮供暖II級(jí)熱舒適，將室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度定為18℃，結(jié)合人員用能習(xí)慣設(shè)定供暖系統(tǒng)當(dāng)日23 點(diǎn)至次日8 點(diǎn)開啟，供水溫度為45℃。

分別選取五種不同的外墻保溫方式，五種常用外墻保溫材料[15,16]，在墻體厚度相同的條件下進(jìn)行模擬，各保溫方式及保溫材料所對(duì)應(yīng)的熱工參數(shù)分別如表2 和表3 所示。

表2 外墻構(gòu)造及其熱工參數(shù)Table 2 Exterior wall structure and its thermal parameters

表3 保溫材料熱工參數(shù)Table 3 Thermal parameters of thermal insulation materials

3 模擬結(jié)果

3.1 保溫方式及保溫材料影響

在墻體厚度相同條件下，不同外墻保溫方式及保溫材料所營(yíng)造出的初始空氣溫度即輻射供暖系統(tǒng)關(guān)閉，經(jīng)過自然溫降后于下一次輻射供暖系統(tǒng)開啟前的空氣溫度，如圖2 所示。

圖2 輻射供暖初始空氣溫度圖Fig.2 Initial air temperature of radiant heating

在墻體厚度相同的條件下，不同的外墻保溫方式及保溫材料使室內(nèi)空氣從初始溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度18℃所需的輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間如圖3 所示。

圖3 輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間圖Fig.3 Thermal response time of radiant heating

由圖2 及圖3 可知：

（1）在保溫層厚度相同的條件下，保溫方式及保溫材料的選擇均對(duì)輻射供暖初始溫度有影響，不同保溫材料條件下，選用外保溫時(shí)，輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間極差即最短的輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間與最長(zhǎng)的輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間之差，為68min；選用內(nèi)保溫時(shí)，極差為52min；選用自保溫+外保溫時(shí)，極差為14min；選用自保溫+內(nèi)保溫時(shí)，極差僅為8min。自保溫+外保溫及自保溫+內(nèi)保溫方式下墻體熱阻值高且墻體主體材料熱阻值高于保溫材料熱阻值，而外保溫及內(nèi)保溫方式下墻體熱阻值低且墻體主體材料熱阻值低于保溫材料熱阻值，因此自保溫+外保溫及自保溫+內(nèi)保溫方式下所營(yíng)造出的初始溫度高，輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間短，受保溫材料性能影響較小。

（2）在保溫材料及保溫層厚度相同條件下，因?yàn)榭拷覂?nèi)側(cè)的墻體材料蓄熱系數(shù)高于靠近室外側(cè)的墻體材料蓄熱系數(shù)時(shí)，墻體對(duì)室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)的抵抗能力增強(qiáng)，供暖系統(tǒng)關(guān)閉后室內(nèi)溫度短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生劇烈變化[14]，所以自保溫+外保溫所營(yíng)造出的初始溫度高于自保溫+內(nèi)保溫，外保溫所營(yíng)造出的初始溫度高于內(nèi)保溫。但墻體對(duì)室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)的抵抗能力增強(qiáng)會(huì)使室內(nèi)空氣溫升速度減慢，輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18℃時(shí)，在溫升過程中，由于自保溫+內(nèi)保溫方式的溫升速率優(yōu)勢(shì)弱于自保溫+外保溫方式的初始溫度優(yōu)勢(shì)，內(nèi)保溫方式的溫升速率優(yōu)勢(shì)弱于外保溫方式的初始溫度優(yōu)勢(shì)，所以自保溫+外保溫和外保溫方式下的輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間分別短于自保溫+內(nèi)保溫和內(nèi)保溫方式下的輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間。

（3）在保溫層厚度相同時(shí)，不同保溫方式下，選用擠塑聚苯時(shí)，輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間極差為38min；選用硬質(zhì)聚氨酯時(shí)，極差為28min；選用模塑聚苯時(shí)，極差為66min；選用巖棉時(shí)，極差為72min；選用玻璃棉時(shí)，極差為52min。因?yàn)楸夭牧蠠嶙柚翟诳偀嶙柚抵姓急认鄬?duì)越大，對(duì)墻體傳熱過程的影響程度越大，對(duì)保溫方式的兼容性越強(qiáng)，所以硬質(zhì)聚氨酯作為保溫材料其兼容性最強(qiáng)。

（4）在保溫方式和保溫層厚度相同時(shí)，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)越小，通過墻體的散熱量越少，輻射供暖系統(tǒng)開啟后，室內(nèi)溫升越快。因此保溫材料對(duì)于初始室溫及輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間的有利性大小為：硬質(zhì)聚氨酯＞擠塑聚苯＞玻璃棉＞模塑聚苯＞巖棉。

（5）綜合考慮保溫方式及保溫材料對(duì)輻射供暖初始溫度的影響，可知自保溫+外保溫的保溫方式最優(yōu)，其次是自保溫+內(nèi)保溫，再次是外保溫及自保溫，最后是內(nèi)保溫。自保溫+外保溫的保溫方式結(jié)合硬質(zhì)聚氨酯作為保溫材料最優(yōu)。綜合考慮保溫方式及保溫材料對(duì)輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間的影響，可知自保溫+外保溫的保溫方式采用硬質(zhì)聚氨酯作為保溫材料最優(yōu)，輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間僅需76min。

3.2 保溫層厚度影響

墻體保溫層厚度也是影響墻體熱工性能的重要因素，而墻體保溫層厚度并非越厚越好，保溫材料具有其有效蓄熱層厚度[18]。輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間是評(píng)價(jià)輻射供暖性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，就輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間而言，硬質(zhì)聚氨酯作為保溫材料，其導(dǎo)熱系數(shù)小，保溫性能好，可使房間迅速升溫，因此對(duì)硬質(zhì)聚氨酯在不同厚度條件下的熱工性能進(jìn)行分析。

在保溫材料相同的條件下，不同的外墻保溫方式及保溫層厚度所營(yíng)造出的初始空氣溫度如圖4所示。

圖4 輻射供暖初始空氣溫度圖Fig.4 Initial air temperature of radiant heating

在保溫材料相同的條件下，不同的外墻保溫方式及保溫層厚度使室內(nèi)空氣達(dá)到設(shè)計(jì)溫度18℃所需的輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間如圖5 所示。

圖5 輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間圖Fig.5 Thermal response time of radiant heating

由圖4 及圖5 可知：

（1）在保溫材料相同但保溫層厚度不同的條件下，選用外保溫時(shí)，輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間極差為34min；選用內(nèi)保溫時(shí)，極差為30min；選用自保溫+外保溫時(shí)，極差為16min；選用自保溫+內(nèi)保溫時(shí)，極差為14min。自保溫+外保溫及自保溫+內(nèi)保溫方式下墻體主體材料熱阻值高，在總熱阻中占比大，因此自保溫+外保溫及自保溫+內(nèi)保溫方式下所營(yíng)造出的初始空氣溫度和輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間受保溫層厚度的影響小于外保溫及內(nèi)保溫。

（2）在保溫材料和保溫方式相同時(shí)，隨著保溫層厚度的增加，墻體熱阻值增加，通過墻體的散熱量減少，因此所營(yíng)造出的初始溫度逐漸上升，輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間逐漸縮短；但保溫層厚度的增加可能使保溫層處于溫度劇烈波動(dòng)層之外，溫度劇烈波動(dòng)層之外溫度波幅小，蓄熱作用相對(duì)減小，所以初始溫度上升幅度及輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間縮短幅度均有逐漸減小趨勢(shì)[18]。

3.3 傳熱系數(shù)及熱惰性影響

傳熱系數(shù)和熱惰性是墻體熱工性能的重要表征性參數(shù)，在墻體厚度為260mm 時(shí)，傳熱系數(shù)及熱惰性不同的條件下，室內(nèi)空氣達(dá)到設(shè)計(jì)溫度18℃時(shí)的輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間數(shù)值如表4 所示。

表4 響應(yīng)時(shí)間表Table 4 Response schedule

續(xù)表4 響應(yīng)時(shí)間表

由表4 可知：

外保溫、內(nèi)保溫、自保溫+外保溫及自保溫+內(nèi)保溫條件下，均有傳熱系數(shù)越大，響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，可見相比于熱惰性，墻體傳熱系數(shù)對(duì)輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間的影響更強(qiáng)。

4 結(jié)論

（1）在墻體厚度及保溫層厚度相同的條件下，總熱阻值高且墻體主體材料熱阻值高于保溫材料熱阻值的墻體所營(yíng)造出的初始溫度高，輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間短，受保溫材料性能影響較小。在保溫材料及保溫層厚度相同條件下，輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間的快慢取決于初始溫度優(yōu)勢(shì)和溫升速率優(yōu)勢(shì)的相對(duì)強(qiáng)弱，在室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18℃時(shí)，自保溫+外保溫和外保溫方式下的輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間分別短于自保溫+內(nèi)保溫和內(nèi)保溫方式下的輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間。在保溫方式和保溫層厚度相同時(shí)，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)越小，輻射供暖系統(tǒng)開啟后，室內(nèi)溫升越快。

（2）當(dāng)墻體厚度為260mm 時(shí)，選用硬質(zhì)聚氨酯作為保溫材料所營(yíng)造出的初始溫度更高，所需輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間更短，保溫性能更優(yōu)。在自保溫+外保溫的保溫形式下可實(shí)現(xiàn)76min 室內(nèi)溫度達(dá)到18℃。

（3）在保溫材料和保溫方式相同時(shí)，隨著保溫層厚度的增加，初始溫度逐漸上升，輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間逐漸縮短，但其幅度均逐漸減小，熱工性能優(yōu)勢(shì)均逐漸弱化。

（4）外保溫、內(nèi)保溫、自保溫+外保溫及自保溫+內(nèi)保溫條件下，相比于熱惰性，墻體傳熱系數(shù)對(duì)輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間的影響更強(qiáng)。隨著墻體的傳熱系數(shù)增加，輻射供暖熱響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。