清華大學(xué)  姜思航  沈翀 李先庭

    【摘  要】嵌管式外墻將換熱管件嵌入墻體以調(diào)節(jié)溫度，現(xiàn)有的初步研究表明它可在夏季利用冷卻塔等自然冷源大幅降低建筑冷負(fù)荷。但目前鮮有針對(duì)其熱工性能影響因素的研究，布管方式也有待優(yōu)化。本文針對(duì)嵌管式墻體和傳統(tǒng)墻體建立了數(shù)值計(jì)算模型，研究了自然冷熱源溫度和室外溫度等外界因素對(duì)該類墻體熱工性能的影響，并基于能耗分析優(yōu)化了布管位置。結(jié)果表明，嵌管墻的內(nèi)外壁傳熱量、嵌管處傳熱量與室外氣溫、進(jìn)口水溫和太陽(yáng)輻射存在高度線性關(guān)系。擬合公式后發(fā)現(xiàn)水溫是影響內(nèi)壁熱流的主要因素。嵌管墻推薦采用外保溫，此時(shí)當(dāng)水溫明顯低于室溫時(shí)，嵌管應(yīng)當(dāng)盡量靠近室內(nèi)壁面布置，以避免引起過(guò)多的室外壁面?zhèn)鳠帷．?dāng)水溫明顯高于室溫時(shí)，嵌管應(yīng)盡量靠近室外壁面布置。

    【關(guān)鍵詞】自然能源；嵌管式墻體；數(shù)值模擬；冷負(fù)荷；建筑節(jié)能

    【基金項(xiàng)目】國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2016YFC0700302），國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：51638010）

Abstract:A pipe-embedded wall, which is a kind of wall with heat exchange pipes, has been developed recently to regulate the wall temperature. Preliminary studies showed that it can significantly reduce the cooling load of buildings by utilizing natural cooling sources. However, the studies on the influencing factors on the thermal performance of the pipe-embedded wall are insufficient. The structures of the pipe-embedded wall also should be further optimized. In this paper, numerical models are established for a pipe-embedded wall and a traditional wall. The influence of outdoor parameters on the thermal performance of the pipe-embedded wall is studied systematically. The pipe location is optimized based on the building energy efficiency. The results show that the relationships between the surface heat flow, heat flow of pipe, and the outdoor parameters are linear. Water temperature is the most important influencing factor. External insulation is recommended to save energy. When the water temperature is lower than the indoor air temperature, the pipe should be as close to the indoor side as possible. When the water temperature is higher than the indoor air temperature, the pipe should be as close to the outdoor side as possible.
Keywords: natural source, pipe-embedded wall, CFD, cooling load, building energy efficiency

0 引言

    墻體等非透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)建筑中所占的面積比例較大，其負(fù)荷是建筑負(fù)荷的重要組成部分。改善其保溫性能是降低非透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗的主流途徑，但這種途徑可能不利于建筑在夏季較涼天氣和過(guò)渡季的自然冷卻作用，因?yàn)樵谥車h(huán)境空氣溫度較低時(shí)，過(guò)度的隔熱將減弱自然空氣的免費(fèi)供冷潛力。張曉亮和江億等^[1]通過(guò)建筑能耗模擬軟件DeST分析了墻體保溫性能對(duì)房間供熱空調(diào)負(fù)荷的影響，認(rèn)為不能盲目地通過(guò)增加保溫層厚度來(lái)達(dá)到節(jié)能的效果，保溫的效果在冷負(fù)荷較高的地區(qū)并不顯著。因此，目前亟需保溫以外的節(jié)能措施。

    自然環(huán)境蘊(yùn)含了多種多樣的冷源，其中有部分冷源的溫度在夏季部分時(shí)間低于圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度，因此利用自然冷源降低建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷的方式日益受到重視。例如，近年來(lái)出現(xiàn)了通過(guò)在建筑外墻中埋設(shè)水管來(lái)減少透過(guò)墻體的傳熱量的做法^[2] ，學(xué)者們對(duì)其展開(kāi)了初步研究。Xu^[3]等提出了在墻體和屋頂埋設(shè)水管的做法，這種做法可充分利用自然環(huán)境低品位冷熱源，并研究了相關(guān)傳熱模型和實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明若此種結(jié)構(gòu)傳熱性能得到進(jìn)一步提升，將有很好的應(yīng)用前景；謝軍龍^[4]等通過(guò)數(shù)值模擬的手段研究了嵌管式墻體的夏季傳熱性能，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能顯著降低透過(guò)外墻的得熱以及外墻內(nèi)表面的溫度，大大提高了室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性。然而，目前對(duì)該類墻體傳熱效果的影響因素卻鮮有研究，傳熱機(jī)理還有待進(jìn)一步分析，這也在一定程度上制約了該類墻體的推廣應(yīng)用。

    本文針對(duì)嵌管式墻體建立了數(shù)值計(jì)算模型, 系統(tǒng)地研究了自然冷熱源溫度、室外溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等外界影響因素對(duì)該類墻體熱工性能的影響。并通過(guò)能耗對(duì)比分析，優(yōu)化了布管位置，以期為工程實(shí)踐提供一定的指導(dǎo)。

1 方法

    1.1 物理模型

    本文研究中采用了傳統(tǒng)墻體的典型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。嵌管墻完全參照傳統(tǒng)墻體的結(jié)構(gòu)做法^[4][5] ，由室內(nèi)側(cè)到室外側(cè)其結(jié)構(gòu)依次為：砂漿抹灰層、磚層、水管層、磚層、保溫層、砂漿抹灰層，在兩部分黏土磚之間增加一混凝土層固定水管。墻體材料熱工參數(shù)參考文獻(xiàn)[4][5],參考公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB50189-2015，北京地區(qū)墻體的綜合導(dǎo)熱系數(shù)取0.6 W/(m2·K)。所研究的墻體尺寸為10 m（長(zhǎng)）× 4 m（高）× 0.395 m（厚）,在厚度方向上的細(xì)部尺寸如圖1所示，室內(nèi)溫度設(shè)為26 ℃。

    1.2 數(shù)值方法

    結(jié)合本文的工況設(shè)置，采用商業(yè)軟件Fluent進(jìn)行二維穩(wěn)態(tài)模擬，利用有限體積法對(duì)導(dǎo)熱方程進(jìn)行離散，選用二階差分格式，同時(shí)通過(guò)UDF編程模擬了水溫的沿程變化。室內(nèi)空氣與內(nèi)壁面的傳熱、室外空氣與外壁面的傳熱、水與墻體的傳熱均設(shè)為第三類邊界條件。除水管周圍一小部分區(qū)域外的其它計(jì)算域采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，通過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，最終計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)為9萬(wàn)，方法驗(yàn)證參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

    1.3 能耗分析方法

    嵌管空調(diào)系統(tǒng)的嵌管部分輸運(yùn)能耗（Ppipe）由嵌管泵輸運(yùn)能耗和室外排熱末端（如冷卻塔）能耗組成：

    式中，Qpipe 為嵌管承擔(dān)負(fù)荷，W/m2；WTFpipe為嵌管水系統(tǒng)輸配系數(shù)；EERout 為室外設(shè)備輸配系數(shù)，取值可參考文獻(xiàn)[7]。

    傳統(tǒng)系統(tǒng)的輸運(yùn)能耗（Proom）由室內(nèi)泵輸運(yùn)能耗、室外排熱末端能耗和室內(nèi)末端（如風(fēng)機(jī)盤管）能耗組成：

    式中，Qroom ——室內(nèi)空調(diào)承擔(dān)負(fù)荷，W/m2；WTFroom 為室內(nèi)空調(diào)水系統(tǒng)輸配系數(shù)；EERin 為室內(nèi)設(shè)備輸配系數(shù)，取值可參考文獻(xiàn)[7]。

    傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的總能耗（Etrad）由冷機(jī)能耗和傳統(tǒng)系統(tǒng)輸運(yùn)能耗組成：

    式中，COP為冷機(jī)性能系數(shù)。

2 結(jié)果分析

    2.1 氣象條件的影響

    本部分重點(diǎn)研究進(jìn)口水溫、室外氣溫和太陽(yáng)輻射的影響，管內(nèi)水流速為0.25 m/s，保溫類型為外保溫，管間距為200 mm，管徑為20 mm。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度取500 W/m2[8]。研究室外氣溫的影響時(shí)，取進(jìn)口水溫為28 ℃；研究進(jìn)口水溫的影響時(shí)，分別計(jì)算室外氣溫為32 ℃和38 ℃時(shí)的墻內(nèi)壁傳熱量和嵌管處傳熱量。研究太陽(yáng)輻射影響時(shí)，從0到500 W/m2給出5檔梯度。

    以水溫26℃，外溫32℃為例，圖2給出了墻體內(nèi)的溫度分布云圖。可見(jiàn)，傳統(tǒng)墻體整體溫度較高，最高可超過(guò)45 ℃，在保溫層處出現(xiàn)了明顯的溫度梯度。與之相比，嵌管墻內(nèi)的冷卻水提供了一道屏障，當(dāng)進(jìn)口水溫為26 ℃時(shí)，可使墻體內(nèi)壁溫度降低1.4 ℃，內(nèi)壁傳熱量降低11.9 W/m² ，降低率為70.7%。

    圖3給出了室外氣溫和進(jìn)口水溫對(duì)墻內(nèi)壁傳熱量的影響趨勢(shì)。由圖3(a)可知，無(wú)論墻體是否嵌管，其他條件一定時(shí)，墻體內(nèi)壁傳熱量均隨著室外氣溫的升高而線性增加，且嵌管墻內(nèi)壁傳熱量較傳統(tǒng)墻低；嵌管處傳熱量也隨著室外氣溫的升高而線性增加。在圖中所示工況下，計(jì)算所得負(fù)荷降低率均在40%以上，最高可達(dá)47.5%（室外氣溫為38 ℃），表明嵌管墻具有良好的負(fù)荷降低效果，且室外氣溫越高，嵌管墻的負(fù)荷降低率越高。

    由圖3(b)可知，其他條件一定時(shí)，嵌管墻內(nèi)壁傳熱量隨著進(jìn)口水溫的升高而線性增加，且室外氣溫較高時(shí)嵌管墻內(nèi)壁傳熱量較室外氣溫較低時(shí)大；嵌管處傳熱量則隨著進(jìn)口水溫的升高而線性減少，且室外氣溫較高時(shí)嵌管處傳熱量較室外氣溫較低時(shí)高。需要注意的是，當(dāng)進(jìn)口水溫較低時(shí)，嵌管墻內(nèi)壁傳熱量可能會(huì)低于0，如圖3(b)所示，此時(shí)由于進(jìn)口水溫低于室溫，室內(nèi)的一部分熱量將被轉(zhuǎn)移，具有直接冷卻室內(nèi)空氣的效果。

    總結(jié)室外氣溫、進(jìn)口水溫和室外輻射強(qiáng)度的影響，可得到擬合公式(4)（R2≈1）：

    式中，Qroom為墻內(nèi)壁傳熱量 W/m²；tair為室外氣溫，℃；twater為進(jìn)口水溫，℃；Rsolar為室外輻射強(qiáng)度，W/m²。 

    顯然，由于嵌管墻的結(jié)構(gòu)和材料熱工參數(shù)是固定值，因此，嵌管墻的熱阻也為一固定值。所以其內(nèi)壁傳熱量、外壁傳熱量和嵌管處傳熱量與室外氣溫、進(jìn)口水溫和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在本研究中存在高度線性關(guān)系。

    2.2 布管位置的影響

    本部分分別就內(nèi)保溫和外保溫情形作布管位置的影響分析，首先定義無(wú)量綱管位置：

    式中，Di為無(wú)量綱管位置；xi為管中心距保溫層的距離，mm；x 為磚層與混凝土層的總厚度，mm。

    嵌管水溫分為22 ℃和30 ℃兩組工況進(jìn)行研究，室外溫度取33 ℃，室外輻射強(qiáng)度取500 W/m² 。圖4和圖5分別給出了外保溫和內(nèi)保溫墻體結(jié)構(gòu)下布管位置對(duì)傳熱量的影響。

    由圖4（a）可知，對(duì)于外保溫嵌管墻，水溫較低時(shí)，例如22 ℃，嵌管墻內(nèi)壁傳熱量可能出現(xiàn)負(fù)值，即室內(nèi)空氣失熱，失熱量隨著嵌管與保溫層之間的距離的增大而增大，且增加率逐漸升高，說(shuō)明水溫較低時(shí)，尤其是低于室溫時(shí)，靠近墻內(nèi)壁面布置嵌管負(fù)荷降低效果較好，例如在圖4（a）所示工況下，對(duì)于最靠近墻內(nèi)壁面的嵌管布置方式，室內(nèi)失熱量為 7.5 W/m²,嵌管處傳熱量為27 W/m²，普通墻內(nèi)壁傳熱量為17.4 W/m²；管位置對(duì)嵌管處傳熱量影響不大。

    由圖4（b）可知，對(duì)于外保溫嵌管墻，水溫較高時(shí)，例如30 ℃，嵌管墻內(nèi)壁傳熱量隨著嵌管與保溫層之間的距離的增大而增大，且增加率逐漸升高，說(shuō)明水溫較高時(shí)，尤其是高于室溫時(shí)，靠近墻外壁面布置嵌管負(fù)荷降低效果較好，例如在圖4（b）所示工況下，對(duì)于最靠近墻外壁面的嵌管布置方式，嵌管墻內(nèi)壁傳熱量為11 W/m²,嵌管處傳熱量為8.4 W/m²，普通墻內(nèi)壁傳熱量為17.4 W/m²，負(fù)荷降低率約為36.6%；嵌管處傳熱量隨著嵌管與保溫層之間的距離的增大而減小。需要注意的是，當(dāng)過(guò)于接近墻內(nèi)壁面布置嵌管時(shí)，可能導(dǎo)致嵌管墻內(nèi)壁傳熱量超過(guò)傳統(tǒng)墻，如圖4（b）所示，此時(shí)嵌管向室內(nèi)側(cè)釋放了許多額外的熱量，不具備節(jié)能潛力。
由圖5可知, 對(duì)于內(nèi)保溫嵌管墻，其內(nèi)壁傳熱量隨著嵌管與保溫層之間的距離的增大而增大，靠近墻內(nèi)壁面布置嵌管負(fù)荷降低效果較好。例如在圖5（a）所示工況下，對(duì)于最靠近墻內(nèi)壁面的嵌管布置方式，嵌管墻內(nèi)壁傳熱量為2.4 W/m²,嵌管處傳熱量為66.2 W/m²，普通墻內(nèi)壁傳熱量為17.4 W/m²。在圖5（b）所示工況下，嵌管墻負(fù)荷降低率最高可達(dá)60%；嵌管處傳熱量隨著嵌管與保溫層之間的距離的增大而增大，且增加率逐漸上升。

    圖6對(duì)比了不同布管位置對(duì)空調(diào)能耗的影響。墻體的保溫性能較好，所以墻體傳熱導(dǎo)致的空調(diào)能耗相對(duì)不高，如圖6所示，傳統(tǒng)墻的能耗為5.6 W/m2。若墻體采用內(nèi)保溫，則保溫層將嵌管層隔在了靠近室外部分，嵌管吸收了許多額外的外壁傳熱量，浪費(fèi)了冷量。此時(shí)無(wú)論布管位置在哪，都不具備節(jié)能潛力。若墻體采用外保溫，則布管位置的影響規(guī)律與水溫有關(guān)。當(dāng)水溫較高時(shí)，尤其是高于室溫時(shí)（如30 ℃），嵌管應(yīng)盡量靠近保溫層，即靠近室外壁面，該部分位置的原始溫度較高，嵌管帶走熱量的能力較強(qiáng)，向室內(nèi)傳遞的額外熱量較少。反之，若嵌管過(guò)于靠近室內(nèi)壁面，該部分的原始溫度就不高，甚至低于水溫，嵌管可能帶來(lái)負(fù)面作用。而當(dāng)水溫較低時(shí)，尤其是低于室溫時(shí)（如22 ℃），嵌管應(yīng)當(dāng)盡量靠近室內(nèi)壁面，以避免引起過(guò)多的室外壁面?zhèn)鳠幔藭r(shí)，能耗甚至出現(xiàn)負(fù)值，意味著可直接從室內(nèi)吸收熱量以降低室內(nèi)空調(diào)能耗。當(dāng)水溫適中時(shí)，例如與室溫一樣，則布管位置對(duì)能耗影響不大，此時(shí)能耗降低率在55%左右。

3 結(jié)論

    （1）嵌管墻的熱阻為一固定值，其內(nèi)外壁傳熱量、嵌管處傳熱量與室外氣溫、進(jìn)口水溫、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在本研究中存在高度線性關(guān)系。擬合公式后發(fā)現(xiàn)水溫是影響嵌管墻傳熱效果的主要因素。

    （2）嵌管墻降低負(fù)荷與能耗的效果較為顯著。即使進(jìn)口水溫接近室溫，也仍有很大的負(fù)荷降低效果和節(jié)能效果。例如當(dāng)進(jìn)口水溫為26 ℃時(shí)，可使墻體內(nèi)壁溫度降低1.4 ℃，內(nèi)壁傳熱量降低11.9 W/m² ，降低率可達(dá)70%。

    （3）嵌管墻推薦采用外保溫。當(dāng)水溫明顯低于室溫時(shí)，嵌管應(yīng)盡量靠近室內(nèi)壁面，以避免引起過(guò)多的室外壁面?zhèn)鳠幔藭r(shí)嵌管墻甚至可從室內(nèi)吸熱。當(dāng)水溫明顯高于室溫時(shí)，嵌管應(yīng)盡量靠近室外壁面，該部分位置的原始溫度較高，嵌管帶走熱量的能力也較強(qiáng)。當(dāng)水溫接近室溫時(shí)，布管位置對(duì)能耗影響不大，此時(shí)能耗降低率可達(dá)55%。

4 參考文獻(xiàn)

    [1]  張曉亮, 朱光俊, 江億. 建筑環(huán)境設(shè)計(jì)模擬分析軟件DeST第13講住宅模擬優(yōu)化實(shí)例[J]. 暖通空調(diào), 2005, 35(8):65-72.
    [2] 徐新華, 周利君, 朱求源. 建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌管道式空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)與應(yīng)用[J]. 建筑科學(xué), 2009, 25(10):105-109.
    [3] Xu Xinhua, Wang Shengwei, Wang Jinbo, et al. Active pipe-embedded structures in buildings for utilizing low-grade energy sources: A review[J]. Energy & Buildings, 2010, 42(10):1567-1581.
    [4] 謝軍龍, 朱求源, 徐新華. An active pipe-embedded building envelope for utilizing low-grade energy sources[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(英文版), 2012, 19(6):1663-1667.
    [5] 陸耀慶. 實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2008.
    [6] Shen Chong, Li Xianting. Dynamic thermal performance of pipe-embedded building envelope utilizing evaporative cooling water in the cooling season[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 106:1103-1113.
    [7] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 建筑門窗玻璃幕墻熱工程計(jì)算規(guī)程[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2009.
    [8] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì). GB/T 17981-2007 空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

    備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)文集）。
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