建筑熱惰性研究進(jìn)展

盧素梅 孟慶林

摘要：建筑熱惰性的合理利用可以降低室內(nèi)溫度波動(dòng)，提高舒適度，是被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)技術(shù)的重要手段之一。文章詳細(xì)分析了建筑熱惰性的理論基礎(chǔ)和研究方法，對(duì)熱惰性主要研究領(lǐng)域進(jìn)行了歸納整理，并對(duì)其研究進(jìn)展和存在問題進(jìn)行了總結(jié)。指出研究方向和研究重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：建筑熱惰性建筑能耗熱物性參數(shù)

中圖分類號(hào)：TU111.19+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2019）08-0056-03

1 理論基礎(chǔ)

建筑熱惰性的研究是基于周期性不穩(wěn)定傳熱對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性影響的相關(guān)理論。最先由蘇聯(lián)學(xué)者0.E.BдiaCOB教授（1933年）提出蓄熱系數(shù)S、條件厚度理論、以及溫度波振幅的衰減等一系列理論和公式。B.Д.馬欽斯基教授（1948年）在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了溫度波在圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部和內(nèi)表面的衰減、溫度波動(dòng)相位角的延遲，并提出了表征均質(zhì)材料熱物性的熱擴(kuò)散系數(shù)，奠定了建筑熱惰性相關(guān)理論的基礎(chǔ)[1]。F.Bruckmayer和B.C.Raychaudhury（1961年）進(jìn)一步提出了時(shí)間常數(shù)（TTC）的概念來表示多層結(jié)構(gòu)的等效熱擴(kuò)散系數(shù)。南非的范斯特拉頓（1968年）等采用整個(gè)建筑物單位外表面積內(nèi)的熱容量C與總傳熱系數(shù)U的比值（RC）來表示建筑物的有效擴(kuò)散系數(shù)，并作為在不穩(wěn)定傳熱條件下建筑物熱工性能的標(biāo)準(zhǔn)。不過目前關(guān)于熱惰性的理論研究主要是基于周期性不穩(wěn)定傳熱理論基礎(chǔ)上均質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外蓄熱體等對(duì)建筑熱穩(wěn)定性、室內(nèi)舒適性以及暖通空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷峰值的延遲和衰減等方面的影響研究，也有學(xué)者慮到現(xiàn)實(shí)中另外一些圍護(hù)結(jié)構(gòu)（窗戶、內(nèi)墻、樓板以及室內(nèi)陳設(shè)等）等的共同影響，嘗試對(duì)建筑物整體熱惰性進(jìn)行研究，還沒有取得突破性的進(jìn)展。

2 研究方法

建筑熱惰性的研究是建立在周期性不穩(wěn)定傳熱的動(dòng)態(tài)熱特性基礎(chǔ)上，其研究方法與現(xiàn)行常用的動(dòng)態(tài)熱特性研究方法基本一致。不過在分析建筑物熱惰性過程中，常遇到建筑物不同蓄熱質(zhì)之間的熱傳遞問題。特別是對(duì)于材料不一、形狀各異的室內(nèi)蓄熱質(zhì)，傳統(tǒng)分析法和數(shù)值法表達(dá)困難?？紤]到建筑熱惰性在此方面的獨(dú)特性，本文根據(jù)蓄熱質(zhì)傳熱的不同將其分成兩部分來歸納分析：外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和室內(nèi)不規(guī)則蓄熱體。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱是一個(gè)復(fù)雜的不穩(wěn)定傳熱過程。（1952年）蘇聯(lián)A.M.ⅢKJIOBep《周期熱作用下的傳熱》一書中提出諧波反應(yīng)法。（1965年）Carrier公司提出蓄熱系數(shù)法，加拿大D.C .Stephenson和G.P.Mitalas提出房間反應(yīng)系數(shù)法（1967年）和傳遞函數(shù)法（1971年）等。目前為止，基于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的多種非穩(wěn)態(tài)傳熱分析方法，建筑非穩(wěn)態(tài)傳熱基本分析方法已經(jīng)發(fā)展到動(dòng)態(tài)特性的研究。Antonopoulos將模擬建筑熱特性的方法總結(jié)分為兩類，一類是所謂的細(xì)致法。這類方法依賴于計(jì)算機(jī)程序計(jì)算，所需計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，步驟較多。一方法稱為簡(jiǎn)化法，如有效熱容模型，熱耗散模型，熱時(shí)間常數(shù)模型等。C.A.Balaras將這些簡(jiǎn)化模型根據(jù)其輸入因子、輸出結(jié)果和限制條件等進(jìn)行了分類，并在建筑熱惰性的影響、負(fù)載類型和其他設(shè)計(jì)因素限制水平等方面進(jìn)行了歸納整理分析。這些模型特點(diǎn)是將根據(jù)研究對(duì)象將建筑熱特性歸納于一兩個(gè)熱特性參數(shù)，通過這些參數(shù)來對(duì)建筑熱惰性進(jìn)行研究。

內(nèi)蓄熱體包括建筑隔斷和家具等，形式各異，材料不一，在計(jì)算過程中需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。目前主要有兩種方法：①有效板層法。Antonopoulos將家具假定為一定厚度的平板，然后對(duì)該平板傳熱采用非穩(wěn)態(tài)傳熱處理，該方法稱為有效板層法。目前模擬軟件Dest和EnergyPlus都利用了此方法來處理家具或者內(nèi)隔斷的蓄熱問題。②虛擬球法。虛擬球的概念首次由Gao為了分析解決復(fù)雜形狀物體的傳熱問題提出。Y.Li首次引入虛擬球法來研究具有不均勻溫度分布和材料不均一的蓄熱體特性，并在此基礎(chǔ)上提出了室內(nèi)溫度衰減系數(shù)和延遲時(shí)間計(jì)算公式。該方法利用Fo準(zhǔn)則數(shù)相同即溫度趨勢(shì)變化相同的特點(diǎn)，將不同的蓄熱體集中到一個(gè)虛擬球中去考慮它們的總蓄熱性能。該計(jì)算方法不僅僅適用于室內(nèi)家具傳熱，也可以用來研究整個(gè)建筑物的熱惰性。周軍莉?yàn)榉治鲂螤畈灰?guī)則的內(nèi)蓄熱體的蓄熱作用，引入虛擬球法，聯(lián)合外墻內(nèi)側(cè)溫度分布計(jì)算式及室內(nèi)熱平衡方程，最終得到了以虛擬球法模擬室內(nèi)蓄熱作用的自然通風(fēng)建筑室內(nèi)溫度計(jì)算方法。通過與其他模型結(jié)果比較，該方法更為準(zhǔn)確，尤其是在計(jì)算室內(nèi)溫度波動(dòng)上。

3 研究進(jìn)展

根據(jù)上述研究方法，采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、實(shí)驗(yàn)?zāi)M等手段在建筑熱惰性相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究。按照研究?jī)?nèi)容不同，本文將有關(guān)熱惰性領(lǐng)域大致分為以下四類，每種內(nèi)容之間會(huì)有不同交叉。

3.1 熱惰性影響因素

通過實(shí)際測(cè)量、數(shù)值模擬、參數(shù)分析等手段分析設(shè)計(jì)因素、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)蓄熱體和室內(nèi)熱源因素等對(duì)建筑熱惰性的影響。JoseA等通過對(duì)西班牙新舊兩棟教學(xué)樓測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)：墻體厚度并不是影響房屋熱慣性的主要因素，還有更多的諸如太陽(yáng)輻射、內(nèi)墻飾面材料，換氣次數(shù)等因素將對(duì)房屋的熱惰性產(chǎn)生更大的影響。Balcomb.J等對(duì)建筑中的墻壁、地板、天花板和家具等蓄熱體的位置、材料和厚度等對(duì)其蓄熱性能的影響進(jìn)行了研究，并提出了晝夜熱容量的概念。研究指出蓄熱性能和蓄熱體蓄熱量大小、蓄熱體位置等因素有緊密的關(guān)系。目前對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性的研究是最多的也是最全面的，其研究方法一般是通過不同材料和設(shè)計(jì)條件進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，降低建筑能耗。內(nèi)蓄熱體雖然在室內(nèi)沒有直接接觸到室外環(huán)境，Jonathan Karlsson等通過實(shí)驗(yàn)或模擬等證明了室內(nèi)蓄熱體對(duì)室內(nèi)熱舒適的有利影響。還有學(xué)者將室內(nèi)熱源強(qiáng)度處理為按正弦規(guī)律變化的周期函數(shù)，研究周期性變化內(nèi)熱源條件下室內(nèi)熱環(huán)境變化，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)溫度的雙峰值的現(xiàn)象以及某些情況下室內(nèi)溫度比室外溫度先達(dá)到最大值。

3.2 結(jié)合自然通風(fēng)

建筑熱惰性與自然通風(fēng)技術(shù)相結(jié)合的一種被動(dòng)式技術(shù)，即在自然運(yùn)行建筑中，最大限度地利用室外熱流，結(jié)合建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及室內(nèi)家具等的蓄熱作用，達(dá)到較舒適的室內(nèi)環(huán)境。這一領(lǐng)域的研究目前主要集中在夜間通風(fēng)的實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬應(yīng)用上，而有關(guān)自然通風(fēng)耦合蓄熱問題分析較少。G.Brow利用空心樓板蓄熱性能與機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合，即風(fēng)機(jī)日夜運(yùn)轉(zhuǎn)通過空心樓板中的通風(fēng)降溫而不采用空調(diào)制冷。Edna Shavi等模擬了以色列濕熱氣候下四個(gè)地區(qū)的夏季夜間通風(fēng)情況。分別對(duì)四種不同熱質(zhì)（輕質(zhì)、中輕質(zhì)、中重質(zhì)、重質(zhì)）和四種通風(fēng)條件（無(wú)夜間通風(fēng)、夜間自然通風(fēng)、夜間機(jī)械通風(fēng)、夜間機(jī)械通風(fēng)但不同換氣次數(shù)）下的室內(nèi)溫度變化的情況作了研究。得到了室內(nèi)外最高溫度的差與建筑物蓄熱特性的線性關(guān)系。JimmyYam等在周期性室外氣象條件下通過集總參數(shù)法對(duì)單區(qū)自然通風(fēng)建筑進(jìn)行了理論分析，分別對(duì)絕熱圍護(hù)結(jié)構(gòu)下定流量以及變流量（熱壓自然通風(fēng)）內(nèi)蓄熱體對(duì)室內(nèi)溫度影響進(jìn)行了詳細(xì)探討，并提出衡量?jī)?nèi)蓄熱體影響的參數(shù)：無(wú)量綱換熱數(shù)及內(nèi)蓄熱體時(shí)間常數(shù)。兩參數(shù)對(duì)室內(nèi)空氣溫度衰減系數(shù)和延遲時(shí)間有重要影響。而無(wú)論是定流量自然通風(fēng)還是變流量自然通風(fēng)，室內(nèi)溫度均呈現(xiàn)正弦周期性波動(dòng)。

3.3 相變蓄能復(fù)合技術(shù)

利用相變儲(chǔ)能復(fù)合材料構(gòu)筑建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)更大程度地降低室內(nèi)溫度波動(dòng)，提高舒適度，少用甚至不用暖通空調(diào)系統(tǒng)?？灯G兵等提出了夜間通風(fēng)相變貯能堆積床系統(tǒng)（NVP）的概念，分析了系統(tǒng)的實(shí)測(cè)降溫效果，表明利用相變儲(chǔ)能復(fù)合材料構(gòu)筑建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可以更大程度地降低室內(nèi)溫度波動(dòng)，提高舒適度，降低供暖空調(diào)能耗。李百戰(zhàn)等將自制復(fù)合輕質(zhì)相變墻體，結(jié)合夜間通風(fēng)技術(shù)，進(jìn)行了室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：相變材料應(yīng)用于輕質(zhì)房間，能顯著增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性，提高室內(nèi)的熱舒適性，采取夜間通風(fēng)技術(shù)，可以有效地將日間蓄積的熱量散至室外;與普通房間相比較，室內(nèi)溫度最高降低11℃左右，節(jié)能效果顯著?？傊嘧儍?chǔ)能與通風(fēng)結(jié)合，是一個(gè)相較于應(yīng)用普通的建筑材料更好的技術(shù)，有著廣闊的前景。

3.4 結(jié)合暖通空調(diào)系統(tǒng)調(diào)控

利用建筑熱惰性對(duì)室內(nèi)溫度波的延遲衰減現(xiàn)象，結(jié)合暖通空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)控作用，采用“削峰填谷”策略達(dá)到節(jié)能的目的。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此研究比較多，國(guó)外學(xué)者更傾向于研究利用建筑熱惰性達(dá)到零能耗的目的。Ruud等在佛羅里達(dá)州Jacksonville地區(qū)的一棟辦公建筑中利用建筑蓄熱在夜間和周末為建筑預(yù)冷以降低白天的空調(diào)負(fù)荷，結(jié)果顯示可減少約18%的制冷能耗，許建柳等通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)的方法研究了間歇供熱或制冷情況下，復(fù)合材料墻體的材料排列方式下室內(nèi)溫度波動(dòng)對(duì)HVAC系統(tǒng)調(diào)控作用的響應(yīng)。王蕾就不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性對(duì)空調(diào)啟停時(shí)間的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析。白貴平等引入了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的“熱穩(wěn)定性度時(shí)數(shù)（DH）”和“反應(yīng)系數(shù)（BER）”的概念，分析了不同形式的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷及室內(nèi)空氣熱穩(wěn)定性的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)建筑熱惰性的理論基礎(chǔ)和研究方法進(jìn)行了總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上將建筑熱惰性主要研究領(lǐng)域進(jìn)行了歸納分類。從目前的研究成果來看，國(guó)內(nèi)外對(duì)建筑熱惰性相關(guān)領(lǐng)域都進(jìn)行了較為廣泛的研究。在傳統(tǒng)領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)深入的研究，例如理論研究方面，基于周期性不穩(wěn)定傳熱理論基礎(chǔ)上對(duì)室內(nèi)外蓄熱體熱特性的研究，以及蓄熱部件優(yōu)化方面。不過現(xiàn)實(shí)中建筑熱特性是受到圍護(hù)結(jié)構(gòu)各因素（窗戶、內(nèi)墻、樓板以及室內(nèi)陳設(shè)等）的共同影響，現(xiàn)有的熱惰性的理論計(jì)算并不能完全描述用來建筑物整體的熱穩(wěn)定性。由于建筑物整體熱惰性的研究過于復(fù)雜，已有學(xué)者嘗試對(duì)建筑物整體熱惰性進(jìn)行研究，還沒有取得突破性的進(jìn)展。從建筑熱惰性的實(shí)際建筑利用來看，目前已經(jīng)有不少建筑采用了自然通風(fēng)與建筑蓄熱相結(jié)合的被動(dòng)式降溫方式、相變蓄熱圍護(hù)結(jié)構(gòu)在一些建筑中也得到了有效利用，不過建筑熱惰性與暖通空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)控結(jié)合使用僅在理論實(shí)驗(yàn)階段。

目前的這些研究對(duì)設(shè)計(jì)師而言，首要目標(biāo)是確定一個(gè)建筑的最佳熱惰性指標(biāo)（不是單指圍護(hù)結(jié)構(gòu)D），然后進(jìn)行室內(nèi)外蓄熱體的優(yōu)化布置，以達(dá)到降低室內(nèi)溫度波動(dòng)，提高舒適度，少用甚至不用暖通空調(diào)系統(tǒng)的目的。因此建筑熱惰性的研究需要建立一個(gè)具有特定標(biāo)準(zhǔn)的工具或者模型，能在設(shè)計(jì)最初的階段給予設(shè)計(jì)師指導(dǎo)。

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