建筑外墻延遲衰減特性的組合優(yōu)化方法

楊昌智，陳王小琛

（湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

在全球能源消費(fèi)中，建筑領(lǐng)域能耗約占36%［1］.2019 年我國(guó)建筑全過(guò)程能耗總量為22.33 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的45.9%［2］，降低建筑能耗也因此成為解決能源短缺問(wèn)題的重要途徑［3］.空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的50%～70%［4-5］，其中大約有30%～50%被圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱產(chǎn)生的冷/熱負(fù)荷所消耗［6］.因此，進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能研究對(duì)降低建筑能耗具有重要意義.

在外擾作用下，墻體實(shí)際傳熱呈非穩(wěn)態(tài)變化，即影響墻體傳熱的參數(shù)不光有導(dǎo)熱性，還包括蓄熱性［7］.蓄熱性是指外墻在其表面溫度或熱流波動(dòng)作用下吸收熱量的性能［8］，在蓄熱性的影響下，墻體內(nèi)表面峰值溫度出現(xiàn)時(shí)間會(huì)有所延遲，內(nèi)表面溫度波幅會(huì)發(fā)生衰減，由延遲時(shí)間與衰減倍數(shù)來(lái)量化影響程度.內(nèi)表面峰值溫度是計(jì)算墻體峰值傳熱量的重要參數(shù)，峰值傳熱量則是構(gòu)成建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)峰值冷負(fù)荷的主要部分.在夏季，極端氣候周期較短，空調(diào)系統(tǒng)不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于額定工作狀態(tài)，若峰值冷負(fù)荷過(guò)大導(dǎo)致空調(diào)設(shè)備選型過(guò)大，則不僅會(huì)影響初投資與后期的維護(hù)成本，還會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)運(yùn)行能效降低等問(wèn)題［9-10］.因此，研究延遲衰減特性與墻體峰值傳熱的關(guān)系對(duì)實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能具有重要意義.

目前，利用延遲時(shí)間與衰減倍數(shù)評(píng)價(jià)新型墻體的熱物性［11-12］、探究不同因素對(duì)墻體延遲時(shí)間與衰減倍數(shù)的影響［13-14］和研制新型材料以提高墻體延遲衰減特性［15-16］等是主要研究方向.上述研究中，延遲時(shí)間與衰減倍數(shù)主要作為目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)或評(píng)價(jià)指標(biāo)，而直接利用延遲衰減特性進(jìn)行建筑能耗分析的相關(guān)研究還較少.由于墻體延遲特性不能改變墻體傳熱量的大小，多種墻體之間不同延遲時(shí)間的比較無(wú)法得出延遲時(shí)間與峰值傳熱的相關(guān)結(jié)論，因此采用墻體組合的形式對(duì)延遲特性進(jìn)行研究.

本文基于諧波反應(yīng)法，介紹了延遲衰減參數(shù)與墻體傳熱量的關(guān)系.構(gòu)造延遲衰減特性不同的墻體，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法得出多種墻體組合，采用EnergyPlus對(duì)各墻體組合進(jìn)行模擬，研究墻體組合延遲衰減特性對(duì)建筑峰值傳熱冷負(fù)荷的影響.根據(jù)結(jié)論，提出一種基于墻體組合延遲衰減特性的外墻峰值傳熱優(yōu)化方法，以期對(duì)建筑蓄熱設(shè)計(jì)提供參考.

1 延遲衰減特性與墻體傳熱

1.1 墻體傳熱的延遲時(shí)間與衰減倍數(shù)

延遲時(shí)間與衰減倍數(shù)是墻體蓄熱能力的表征參數(shù).室外空氣綜合溫度與墻體內(nèi)表面溫度的波幅之比為衰減倍數(shù)ξ，衰減倍數(shù)越大，墻體對(duì)外擾波幅的削減就越大；室外空氣綜合峰值溫度與墻體內(nèi)表面峰值溫度的出現(xiàn)時(shí)間之差為延遲時(shí)間φ，延遲時(shí)間越大，外擾峰值進(jìn)入室內(nèi)的時(shí)間就越長(zhǎng).

式中：Asa與Ain分別為室外空氣綜合溫度與墻體內(nèi)表面溫度的波幅，℃；與分別為室外空氣綜合溫度的最大值與最小值，℃；與分別為墻體內(nèi)表面溫度的最大值與最小值，℃；與分別為室外空氣綜合峰值溫度與墻體內(nèi)表面峰值溫度的出現(xiàn)時(shí)間，h；P為時(shí)間周期，h.

室外空氣綜合溫度是在室外空氣溫度的基礎(chǔ)上加上了當(dāng)量太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的“等效溫度值”，計(jì)算式如下：

式中：tout，air為室外空氣溫度，℃；a為墻體外表面太陽(yáng)輻射吸收率；I為太陽(yáng)輻射總強(qiáng)度，W/m2；αout為外表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）.

1.2 墻體傳熱計(jì)算

諧波反應(yīng)法是計(jì)算墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱的經(jīng)典方法，其特點(diǎn)是：對(duì)室外邊界條件利用傅氏變換，將周期性非簡(jiǎn)諧溫度波轉(zhuǎn)換為周期性簡(jiǎn)諧波［17］.根據(jù) 式（3）求出室外空氣綜合溫度逐時(shí)值曲線(xiàn)，利用傅氏變換分解曲線(xiàn)，得到室外空氣綜合溫度傅氏級(jí)數(shù)展開(kāi)式：

式中：A0為室外空氣綜合溫度平均值，℃；An為第n階外擾的振幅，℃；ω為外擾頻率，ω=π/12；φn為第n階外擾的初相位，rad；n為外擾階數(shù)，一般取3階即可滿(mǎn)足工程精度；τ為時(shí)間變量.

諧波反應(yīng)法計(jì)算墻體傳熱中很重要的一環(huán)在于求解墻體對(duì)各階外擾的頻率響應(yīng)，即延遲時(shí)間與衰減倍數(shù).設(shè)室內(nèi)溫度恒定，采用傳熱頻率響應(yīng)計(jì)算.根據(jù)式（4），設(shè)外擾為周期性正弦波，即正弦波頻率為ωn，振幅為An，初相位為φn，則式（5）中的虛部表示墻體輸入的溫度波：

式中：C（s）為系統(tǒng)輸出函數(shù)；H（s）為傳遞函數(shù)；R（s）為系統(tǒng)輸入函數(shù).

根據(jù)板壁熱力系統(tǒng)傳遞函數(shù)的推導(dǎo)過(guò)程，墻體內(nèi)外表面溫度的拉氏變換存在如下關(guān)系：

式中：T(x，s)為墻體內(nèi)表面溫度，℃；T(a，s)為墻體外表面溫度，℃；分式為墻體傳遞函數(shù)，其中αin為內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）.

結(jié)合式（5）～式（7）得出墻體內(nèi)表面非穩(wěn)態(tài)溫度波：

式中：Ain為內(nèi)表面溫度振幅，℃；φn為墻體對(duì)n階外擾的延遲時(shí)間，rad.

墻體的延遲時(shí)間φn與衰減倍數(shù)ξn為：

內(nèi)表面平均溫度可由傳熱系數(shù)計(jì)算，利用穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)，墻體內(nèi)表面平均溫度--Tin為：

式中：k為傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；Tin，air為室內(nèi)空氣溫度，℃.

結(jié)合式（11）得出墻體內(nèi)表面溫度表達(dá)式：

定義內(nèi)表面綜合溫度（Integrated temperature of inner surface，ITIS 指標(biāo)），用于計(jì)算建筑外墻總傳熱量，同時(shí)也可以反映各朝向墻體的內(nèi)表面溫度綜合情況.設(shè)建筑為正南北朝向：

式 中：TinE、TinS、TinW、TinN為各朝 向墻體 內(nèi)表面 溫度，℃；FE、FS、FW、FN為各朝向墻體的面積，m2；ΣF為墻體總面積，m2.

已知墻體內(nèi)表面溫度與室內(nèi)空氣溫度，即可計(jì)算建筑墻體總傳熱量：

2 延遲衰減組合特性對(duì)傳熱峰值冷負(fù)荷的影響

2.1 建筑傳熱峰值冷負(fù)荷模擬計(jì)算

2.1.1 建筑模型

以長(zhǎng)沙市某高層辦公建筑為研究對(duì)象，采用 EnergyPlus 進(jìn)行模擬，該建筑為正南北朝向，建筑模型如圖1所示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造與傳熱系數(shù)見(jiàn)表1.

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of the building envelope

圖1 建筑數(shù)值模型Fig.1 Building numerical model

為獲得不同墻體組合，構(gòu)造12 種延遲衰減特性不同的墻體，墻體結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2.為降低穩(wěn)態(tài)傳熱的作用，突出延遲衰減特性的影響，結(jié)合規(guī)范［18］提出的外墻平均傳熱系數(shù)應(yīng)小于1 W/（m2·K）的要求，各墻體傳熱系數(shù)均相等，數(shù)值為0.757 W/（m2·K）.

表2 W1～W12墻體結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of W1～W12

模擬計(jì)算中，將供冷季空調(diào)房間室內(nèi)溫度設(shè)為26 ℃，模擬周期設(shè)為全年，選擇7 月21～22 日進(jìn)行分析.

2.1.2 組合數(shù)值試驗(yàn)

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究多種墻體組合對(duì)建筑峰值傳熱冷負(fù)荷的影響規(guī)律，選擇東（A）、南（B）、西（C）、北（D）四個(gè)朝向作為因素，W1～W12 墻體作為水平，各水平遵循隨機(jī)分配原則，因素水平表見(jiàn)表3.

表3 因素水平表Tab.3 Factors level table

各朝向墻體內(nèi)表面之間存在對(duì)流與輻射換熱，常規(guī)正交試驗(yàn)無(wú)法滿(mǎn)足要求，需考慮各朝向之間的交互作用.考慮西朝向與其他朝向的交互作用，選用L27（3）13正交表得到27種墻體組合，模擬得出各組建筑峰值冷負(fù)荷并作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以此確定最優(yōu)墻體組合.墻體組合情況與建筑峰值冷負(fù)荷結(jié)果如表4所示，正交試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)總和見(jiàn)表5.

表4 墻體組合與負(fù)荷模擬結(jié)果Tab.4 Wall combination and load simulation results

表5 正交試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)總和Tab.5 Sum of orthogonal test evaluation indexes

建筑峰值冷負(fù)荷作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其數(shù)值越小越好.如表5 所示，取各因素中評(píng)價(jià)指標(biāo)總和最小的水平組成最優(yōu)墻體組合，結(jié)合表3 可得出最優(yōu)組合為W2、W1、W9、W10，將其設(shè)為第28 組并進(jìn)行模擬，峰值冷負(fù)荷為721.57 kW，28種墻體組合模擬結(jié)果見(jiàn)圖2.不同組合峰值冷負(fù)荷存在顯著差異，第27、28組差異最大，相差11.8%.第27 組為最大值，數(shù)值為818.3 kW；第28組為最小值，數(shù)值為721.6 kW.

圖2 建筑峰值冷負(fù)荷模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of building peak cooling load

2.2 墻體組合延遲衰減特性分析

2.2.1 延遲時(shí)間與衰減倍數(shù)計(jì)算

評(píng)價(jià)墻體組合延遲衰減特性，需要求出12種墻體的延遲時(shí)間與衰減倍數(shù)，計(jì)算如下：1）利用EnergyPlus模擬各墻體組合的內(nèi)表面溫度逐時(shí)值，溫度逐時(shí)值取各樓層的平均值，再根據(jù)氣象參數(shù)與式（1）、式（2）計(jì)算延遲時(shí)間與衰減倍數(shù)；2）對(duì)各組合中相同墻體的延遲時(shí)間與衰減倍數(shù)取平均值，得出最終結(jié)果.如：對(duì)表4 中墻體組合1～9 的W2 墻體的延遲時(shí)間與衰減倍數(shù)取平均值，可求出W2的延遲衰減參數(shù).計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6.

表6 W1～W12墻體延遲時(shí)間與衰減倍數(shù)Tab.6 Time lags and decrement factors of W1～W12

2.2.2 墻體組合延遲衰減特性分析

根據(jù)表6對(duì)各組合延遲衰減特性進(jìn)行分析.圖3所示為各組合內(nèi)表面峰值溫度的出現(xiàn)時(shí)間，圖3 中縱坐標(biāo)為時(shí)間轉(zhuǎn)換值，小于0的值為0：00的時(shí)刻，如-1 為23：00 等.不同組合峰值溫度出現(xiàn)時(shí)間存在顯著差異，第27 組峰值溫度出現(xiàn)時(shí)間差異性較小，第28組差異性較大.

圖3 各組墻體內(nèi)表面峰值溫度出現(xiàn)時(shí)間Fig.3 Walls inner surface peak temperature occurrence time of each group

圖4 墻體組合衰減倍數(shù)面積加權(quán)值Fig.4 Decrement factor area weighted value of wall combination

上述結(jié)果表明，選擇不同種類(lèi)的墻體進(jìn)行延遲時(shí)間與衰減倍數(shù)的組合搭配，可得到建筑墻體峰值傳熱最小的優(yōu)化墻體組合.但在實(shí)際情況下，不論從結(jié)構(gòu)還是材料來(lái)說(shuō)，墻體種類(lèi)千變?nèi)f化，即便是在地區(qū)性墻體熱工性能參數(shù)的限定值下，仍然會(huì)有數(shù)量龐大的“組合方案”，導(dǎo)致優(yōu)化墻體組合篩選的工作量巨大.為此，提出一種建筑墻體峰值傳熱優(yōu)化組合方法，該方法無(wú)需構(gòu)造大量墻體即可完成峰值傳熱優(yōu)化設(shè)計(jì).

3 墻體峰值傳熱優(yōu)化組合方法

3.1 優(yōu)化組合原理

墻體峰值傳熱優(yōu)化組合方法的核心有兩點(diǎn)：1）在合理范圍內(nèi)確定建筑各朝向墻體內(nèi)表面峰值溫度出現(xiàn)時(shí)間差異最大的延遲時(shí)間組（即“錯(cuò)峰”）；2）在延遲時(shí)間與墻體熱工參數(shù)等限定條件下，通過(guò)理論計(jì)算確定在當(dāng)前限定條件下盡可能大的衰減倍數(shù)，進(jìn)而得出最優(yōu)墻體組合.為了調(diào)節(jié)延遲時(shí)間，定義錯(cuò)峰指標(biāo)（Peak shifting indicator，PSI 指標(biāo)），在PSI指標(biāo)合理范圍內(nèi)求出墻體總傳熱量峰值最小的PSI組合，即可得出各朝向的最佳延遲時(shí)間.將PSI指標(biāo)代入式（12），得到包含錯(cuò)峰指標(biāo)PSIX的墻體內(nèi)表面溫度關(guān)系式：

式中：PSIX為各朝向的錯(cuò)峰指標(biāo)，rad；X為朝向代碼，分別表示E、S、W、N.

將式（15）代入式（13）式（14），得到墻體總傳熱量計(jì)算表達(dá)式.以墻體總傳熱量Q為目標(biāo)函數(shù)，PSIX為設(shè)計(jì)變量，對(duì)該函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化求解，即可得出最優(yōu)PSIX值.

3.2 案例

3.2.1 建筑墻體總傳熱量計(jì)算

下面進(jìn)行峰值傳熱優(yōu)化設(shè)計(jì)的案例分析.對(duì)第2節(jié)中的建筑案例進(jìn)行外墻傳熱計(jì)算，東朝向墻體面積為1 768.5 m2，南朝向?yàn)? 660.8 m2，西朝向?yàn)?1 479.36 m2，北朝向?yàn)? 389.9 m2.外墻結(jié)構(gòu)由外至內(nèi)分別為：10 mm 水泥砂漿找平層+240 mm 多孔磚+15 mm難燃型擠塑聚苯板+10 mm水泥砂漿找平層，墻體傳熱系數(shù)為0.91 W/（m2·K），材料熱工性能參數(shù)見(jiàn)表7，將該外墻設(shè)為基準(zhǔn)墻體.

表7 墻體材料熱工性能參數(shù)Tab.7 Thermal parameters of wall material

根據(jù)國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的長(zhǎng)沙地區(qū)全年氣象參數(shù)，選擇7 月21 日的室外空氣溫度與太陽(yáng)輻射總強(qiáng)度數(shù)據(jù)，由式（3）計(jì)算室外空氣綜合溫度逐時(shí)值，對(duì)逐時(shí)值用式（4）進(jìn)行擬合，得到各朝向室外空氣綜合溫度傅氏三階展開(kāi)式，綜合溫度數(shù)據(jù)與擬合曲線(xiàn)如圖5 所示.由擬合優(yōu)度R2可知，曲線(xiàn)與數(shù)據(jù)高度吻合，表明擬合度較好.

圖5 逐時(shí)數(shù)據(jù)與擬合曲線(xiàn)Fig.5 Hourly data and fitting curve

根據(jù)式（5）～式（10）與表7 數(shù)據(jù)，使用MATLAB計(jì)算基準(zhǔn)墻體在3 階外擾作用下的延遲時(shí)間與衰減倍數(shù)，內(nèi)外表面對(duì)流換熱系數(shù)分別取8.7 與19［19］，結(jié)果見(jiàn)表8.

表8 墻體延遲衰減參數(shù)Tab.8 Time lags and decrement factor of wall

將表8 結(jié)果代入式（12），得出各朝向墻體的內(nèi)表面溫度，見(jiàn)式（16）～式（19）.將內(nèi)表面溫度曲線(xiàn)代入式（13），求出ITIS 曲線(xiàn)，內(nèi)表面溫度曲線(xiàn)與ITIS 曲線(xiàn)如圖6所示.

圖6 內(nèi)表面溫度曲線(xiàn)與ITIS曲線(xiàn)Fig.6 Inner surface temperature curve and ITIS curve

由圖6 可知，在延遲衰減作用下，墻體內(nèi)表面峰值溫度出現(xiàn)時(shí)間有所延遲，溫度波幅存在衰減，但各朝向峰值溫度的出現(xiàn)時(shí)間較為接近.將ITIS 代入式（14）計(jì)算墻體總傳熱量Q，室內(nèi)空氣溫度設(shè)為26 ℃，對(duì)Q取最大值，得出墻體總傳熱量峰值Qmax為63.98 kW.

3.2.2 延遲時(shí)間差異性組合計(jì)算

將PSI 指標(biāo)代入式（16）～式（19），得到建筑各朝向延遲時(shí)間調(diào)節(jié)式：

受限于墻體結(jié)構(gòu)、材料與室外氣候等因素影響，各朝向墻體的延遲時(shí)間調(diào)節(jié)需在合理范圍內(nèi)，即要確定PSI 指標(biāo)的取值范圍.選定合適的時(shí)間區(qū)間并利用弧度轉(zhuǎn)換公式（時(shí)間=弧度×12/π），將時(shí)間區(qū)間轉(zhuǎn)換為PSI指標(biāo)區(qū)間，見(jiàn)表9.

表9 PSI指標(biāo)取值范圍Tab.9 PSI value range

基于Visual Studio Code 平臺(tái)，使用Python 語(yǔ)言進(jìn)行編程計(jì)算，PSI 指標(biāo)取值步長(zhǎng)設(shè)為0.261 8（1 h），計(jì)算得出各朝向PSI 取值的所有組合及其總傳熱量峰值Qmax，Qmax最小的PSI 組合為最優(yōu)解.經(jīng)計(jì)算，共計(jì)得到10 692 種PSI 組合，結(jié)果見(jiàn)圖7，其中第9 732組Qmax為最小值，數(shù)值為50.166 kW.僅考慮延遲時(shí)間的情況下，總傳熱量峰值相比基準(zhǔn)墻體降低了21.5%，各朝向PSI 為：PSIE=1.047 2，PSIS=-1.047 2，PSIW=-1.309 0，PSIN=1.570 8.最佳延遲時(shí)間為：東朝向7 h，南朝向15 h，西朝向14 h，北朝向5 h.優(yōu)化后各朝向內(nèi)表面溫度曲線(xiàn)見(jiàn)圖8.

圖7 不同PSI組合總傳熱量峰值Fig.7 Peak heat transfer of different PSI combinations

圖8 優(yōu)化后內(nèi)表面溫度曲線(xiàn)與ITIS曲線(xiàn)Fig.8 Inner surface temperature curve and ITIS curve after optimization

與圖6 相比，優(yōu)化后各朝向峰值溫度出現(xiàn)時(shí)間存在顯著差異，ITIS 曲線(xiàn)波動(dòng)幅度減小.原因在于，各朝向峰值溫度呈“波峰波谷”疊加態(tài)，東、北朝向溫度波峰在16：00～17：00 與西、南朝向溫度波谷相疊加，波峰波谷疊加可以抵消部分傳熱量，從而降低總傳熱量峰值.從表9 與最優(yōu)PSI 組合的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，東、北朝向PSI 指標(biāo)為取值范圍最大值，西、南朝向?yàn)樽钚≈?，說(shuō)明最優(yōu)PSI 數(shù)值與區(qū)間范圍限值有關(guān)，區(qū)間范圍的選擇主要取決于目前墻體材料的熱工性質(zhì).隨著各種新型建筑材料的推出，若在此優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上引入新型材料，則PSI區(qū)間范圍會(huì)更大，節(jié)能率更高.

3.2.3 優(yōu)化墻體計(jì)算

由文獻(xiàn)［7］及文獻(xiàn)［20］可知，穩(wěn)定性計(jì)算法的延遲衰減結(jié)果與傳遞函數(shù)法一階計(jì)算結(jié)果近似.對(duì)基準(zhǔn)墻體分別用兩種方法計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表10，兩種方法的延遲衰減參數(shù)相差2.11%與3.62%，數(shù)值基本吻合.根據(jù)此結(jié)論對(duì)優(yōu)化墻體進(jìn)行選擇，通過(guò)墻體材料的組合搭配，得出滿(mǎn)足最佳延遲時(shí)間與基準(zhǔn)墻體傳熱系數(shù)的墻體結(jié)構(gòu).使用穩(wěn)定性計(jì)算法得出衰減倍數(shù)，若衰減倍數(shù)小于基準(zhǔn)墻體，則重新組合.確定合適的墻體后，采用傳遞函數(shù)法計(jì)算各階外擾的延遲衰減參數(shù)，得出內(nèi)表面溫度曲線(xiàn)與總傳熱量峰值.各朝向優(yōu)化墻體結(jié)構(gòu)與延遲衰減參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表11.

表10 延遲衰減計(jì)算方法對(duì)比Tab.10 Comparison of time lags and decrement factor calculation methods

表11 優(yōu)化墻體結(jié)構(gòu)及延遲衰減參數(shù)Tab.11 Optimization of wall structure and time lags and decrement factor parameters

最終計(jì)算得出優(yōu)化墻體組合的總傳熱量峰值為51.74 kW，相比基準(zhǔn)墻體減少了19.1%.傳熱量增加的原因在于：受到傳熱系數(shù)與墻體結(jié)構(gòu)的限制，優(yōu)化墻體組合的延遲時(shí)間無(wú)法完全滿(mǎn)足最佳PSI 組合的要求，削弱了“波峰波谷”的疊加效果.由圖8 可知，雖然優(yōu)化墻體組合的衰減倍數(shù)大于基準(zhǔn)墻體，但I(xiàn)TIS 曲線(xiàn)波動(dòng)區(qū)間很小，墻體衰減特性的作用被弱化.

3.3 模擬驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)墻體峰值傳熱優(yōu)化組合方法的正確性，采用EnergyPlus 進(jìn)行墻體傳熱量模擬.優(yōu)化墻體組合與基準(zhǔn)墻體總傳熱量峰值模擬結(jié)果見(jiàn)圖9.理論與模擬計(jì)算的結(jié)果基本保持一致，數(shù)據(jù)存在偏差的原因在于理論計(jì)算僅考慮了外擾對(duì)墻體的熱作用，忽略了室內(nèi)環(huán)境熱量對(duì)內(nèi)表面的影響，該部分內(nèi)容將在后續(xù)研究中展開(kāi).經(jīng)模擬計(jì)算，基準(zhǔn)墻體總傳熱量峰值為68.46 kW，優(yōu)化墻體組合為55.58 kW，相比基準(zhǔn)墻體降低了18.8%，與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了該優(yōu)化方法的正確.

圖9 理論與模擬計(jì)算對(duì)比Fig.9 Comparison between calculation and simulation calculation

4 結(jié)論

1）利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，將12 種傳熱系數(shù)相同、延遲衰減特性不同的墻體進(jìn)行搭配，得到28 種墻體組合，采用EnergyPlus 對(duì)各組合進(jìn)行建筑峰值冷負(fù)荷模擬.結(jié)果表明，各墻體組合對(duì)外擾具有明顯不同的延遲衰減作用，各組峰值冷負(fù)荷存在顯著差異.

2）以墻體延遲衰減特性與諧波反應(yīng)法計(jì)算墻體傳熱為基礎(chǔ)，提出一種外墻峰值傳熱優(yōu)化方法，該方法在建筑不同朝向設(shè)置延遲時(shí)間與衰減倍數(shù)不同的墻體，讓各朝向峰值傳熱量曲線(xiàn)呈“波峰波谷”疊加態(tài)，疊加后可降低外墻總傳熱量峰值.

3）通過(guò)對(duì)建筑案例進(jìn)行優(yōu)化分析，采用本文提出的設(shè)計(jì)方法可得到綜合延遲衰減特性最佳的優(yōu)化墻體組合，其總傳熱量峰值相比基準(zhǔn)墻體降低了19.1%.

4）隨著新型建筑材料的不斷推出，墻體的延遲衰減性能范圍將不斷擴(kuò)大，優(yōu)化組合后建筑峰值傳熱的降低程度將更顯著.