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提高建筑物的热性能同时降低空调成本的墙体围护结构设计策略
印度泰米尔纳德邦韦罗勒理工学院热能与能源系，韦罗勒，632014，机械工程系，印度安得拉邦萨西技术与工程学院，534101，汉阳大学土木与环境工程系，首尔汪辛尼路222号，韩国庆明大学环境科学系，首尔，133-791，大邱，1095，东佑大学环境工程系，釜山，韩国，泰丁顿国家物理实验室环境系，英国
摘要：本文提出了一种应用于墙体围护结构的设计策略，用于改善非空调建筑不稳定的热性能，同时降低空调建筑的能耗。用热分析仪器对建筑材料(如烧砖、泥砖、红土石、煤渣混凝土、膨胀聚苯乙烯)的热物理特性进行了实验测定。以膨胀聚苯乙烯为保温材料，根据7种标准设计了28种组合墙体，采用8种不同的外表面换热系数，对其非定常热性能参数和空调节能潜力进行了测试。本文利用导纳法得到的非定常热透光率计算了不同类型墙体围护结构空调的节约成本潜力。结果表明，在风速为2 m/s的条件下，C-H5配置的烧砖、泥砖、红土石和煤渣混凝土复合围护结构的衰减滞后分别比普通墙体设计(C-H1)增加48.1%、49.0%、59.5%和47.0%。采用C-H5配置的红土石墙体在所有测试过的空调建筑建筑材料中，每年节省的能源成本最高(2米/秒时为1.71美元/平方米)，最大的生命周期成本节约(2m/s时为18.32$/m2)，最低的回收期(2m/s时为4.03年)。这项研究的整体结果有望为节能建筑提供简单的设计策略开辟新的途径。
关键词：高能效墙体设计，衰减因子，衰减滞后，年度能耗，生命周期
1 介绍
建筑材料在被动式建筑设计中充当热质。热量以辐射和对流的方式在空气和建筑墙体的界面上传递。这种界面上的对流传热取决于对流传热系数。这些系数受到大气风速的不利影响；因此，建筑墙体热特性的稳定性受到大气风速变化的影响。
当热正弦波穿过建筑物围护结构时，其振幅会减小。这种减少是因为围护结构所用建筑材料的热质。热正弦波从建筑围护结构的外围到内部的收缩被称为衰减因子。热正弦波穿透建筑围护结构所需的时间称为衰减延迟。建筑围墙材料应具有低衰减系数和高相移值，以保持舒适的室内条件。因此，利用Crank-Nicolson(C-N)程序来评估建筑围护层厚度和保温层位置(如围护层内部)对相位延迟或热延迟和衰减因子等变量的影响，采用导纳法求解建筑围护结构的表面系数并可用于评估屋顶和墙体围护结构的热特性。本文还探讨了墙体的热物性对衰减延迟和衰减系数的影响。大气湿度和温度也会影响红土建筑围护结构的衰减因子和衰减延迟。一项对地中海地区朝南墙壁的研究表明，太阳吸收率增加0.2会增加衰减的延迟，尽管这种延迟会随着太阳吸收率的进一步增加而减少。土耳其采用隐式有限差分法计算衰减因子和衰减延迟。导纳法采用了与湿度有关的非定常参数。研究发现，随着墙体材料热扩散系数的增大，衰减系数增大，衰减延迟减小。采用有限差分法和显式控制体积离散法计算衰减延迟和研究衰减因子值。研究表明，壁面的方位角对衰减延迟有一定的影响。此外，椰子纤维填充的钢筋水泥原型住宅在高峰时期比墨西哥的混凝土板屋顶具有更高的热流阻力。通风屋面的热性能研究表明，将隔热材料放置在靠近冷面和空气层以下，可以获得最佳的热性能。本文采用有限差分法和导纳法研究了各种围护结构的热性能。膨胀聚苯乙烯被认为是最佳的保温材料，因为其具有最大的寿命周期成本节约和最小的投资回收期。采用热经济方法优化隔热层厚度比基于入口的环境方法可以得到更好的结果。利用仿真工具和通用算法对相变材料和保温层的厚度进行了仿真和优化。结果表明，在温和气候条件下，保温层比相变材料更有效。本文建立并研究了非均质建筑墙体保温经济性和全寿命周期成本节约的数学模型。采用拉格朗日优化方法，以最大的全生命周期成本节约和最小的投资回收期优化保温层厚度。考虑燃烧参数和保温成本，采用经济实用的方法优化保温层厚度。
目前，关于墙体围护结构设计来减少对流热量的信息很少，特别是考虑到新兴经济体的低成本建筑选择。针对这种局限性，我们基于墙体的热性能参数，研究了建筑围护结构在高温气候环境下有利于室内舒适的最佳设计条件。本研究所考虑的热参数包括:导纳、非定常透光率、衰减因子、衰减延迟。能源经济参数：年度能源成本节约，生命周期成本节约和回收期在研究中也有考虑。建筑围护结构是建筑的热流控制元件。围护结构的合理设计降低了建筑的冷负荷。外层向内层的传热主要取决于外表面的传热系数。因此，在本文中，我们提出了在不同的外传热系数下降低冷负荷的最佳围护结构设计。结果的可靠性已通过《建筑设备工程师学会指南》进行了验证。
2 材料和方法
2.1 材料
在这项研究中，我们对印度使用最广泛的建筑材料(烧砖、泥砖、红土石、煤渣混凝土)的热性能进行对比分析。烧砖由粘土(质量占比20-30%)、粉砂(质量占比20-35%)和砂(质量占比35-50%)组成。模压砖在900至1000摄氏度的窑中烧制，以获得烧砖。烧砖的抗压强度应不低于印度标准的3.5 N/mm2。泥砖或土坯是由粘土(质量占比15%)、粉土(质量占比10-30%)、砂(质量占比50-70%)与稻草混合而成，在使用前风干。根据印度标准1725-1982：建筑用泥砖的抗压强度不应低于2N /mm2。印度西南海岸有大量红土矿。它是一种易得、环保、经济和含铁的建筑材料。对于建筑围护结构，红土石料的抗压强度不应小于3.5 N/mm2。煤渣混凝土包含比例为1:2:3的水泥、沙子和砾石。煤渣混凝土用粉煤灰代替了20%的波特兰水泥，其抗压强度不应小于2N /mm2。膨胀聚苯乙烯被用作墙体之间的保温材料。水泥抹灰(水泥与砂浆的比例为1:6)涂抹在所有材料类型的墙体围护结构的两侧。
2.2 实验方法
KD2 Pro 热性能分析仪
膨胀聚苯乙烯
煤渣混凝土
红土石
泥砖
烧砖
图1 墙壁维护的建筑和保温材料
图1为考虑墙体围护的建筑和保温材料的图像。本文将这些材料作为建筑围护材料进行热性能分析。使用KD2 Pro热性能分析仪(热线探头法)对比热容和导热系数等热性能进行了实验测量。上述设备可测量0.02-2.00W/mW范围内的热导率和0.5-4.0 MJ/m3K的体积比热，精度为10%。探头由一个双针(30毫米长，1.3毫米直径，6毫米间距)组成。瞬态热源由电输入提供。一根针作为加热源，另一根针作为监测源。热物性由温度-时间关系得到。在建筑材料上钻了两个相应尺寸的孔，这样探针针就能紧贴在孔里。在测量过程中，为了避免接触电阻误差，在双针上涂抹导热硅脂。砖的密度是由砖的平均质量与体积的比值得到的。计算每种测试建筑材料的导热系数、密度和比热的不确定度。表1给出了建筑材料热物性测量的不确定度。
表1建筑墙体围护材料的热物理性能
|
建筑材料 |
符号 |
热导率K |
密度rho; |
比热Cp |
|
|
W/mK |
Kg/m3 |
J/kgK |
|||
|
1 |
烧砖 |
BB |
0.811plusmn;0.003 |
1820plusmn;7 |
880plusmn;0.02 |
|
2 |
泥砖 |
MB |
0.75plusmn;0.002 |
1731plusmn;6 |
880plusmn;0.01 |
|
3 |
红土石 |
LS |
1.369plusmn;0.004 |
1000plusmn;4 |
1926plusmn;0.04 |
|
4 |
煤渣混凝土 |
CNC |
0.686plusmn;0.003 |
1406plusmn;3 |
840plusmn;0.03 |
|
5 |
膨胀聚苯乙烯 |
EP |
0.038plusmn;0.001 |
16plusmn;1 |
1340plusmn;0.05 |
|
6 |
水泥石膏 |
P |
0.721plusmn;0.002 |
1672plusmn;1 |
840plusmn;0.02 |
2.3 热分析
为了研究动态热特性，研究人员考虑了7种不同的围护结构，围护结构由4种砖材料(烧砖、泥砖、红土石和煤渣混凝土)组成，每一边都有水泥抹灰和一种保温材料(膨胀聚苯乙烯)。本文对不同大气风速下的热性能进行了分析。所研究的配置包括:(1)无保温层(C–H1)，(2)外侧面有保温层(C–H2)，(3)中间有一层保温层(C–H3)，(4)内侧有保温层(C–H4)，(5)外侧有一个保温层，内侧有一个保温层(C–H5)，(6)外侧有一个保温层，中间有一个保温层(C–H6)，(7)中间有一个保温层，围护结构的内侧有一个保温层。图2是所考虑的复合墙体围护结构和膨胀聚苯乙烯保温材料的配置。
图2 研究中复合墙体围护结构和膨胀聚苯乙烯保温材料的配置
本文对与墙体围护结构(多达28种复合墙体组合)的动态特性相关的信息进行了计算和研究，以确定在不同大气风速下减少冷却负荷的最佳墙体围护结构配置。采用热导纳法计算了墙体围护结构的动态热特性。导纳程序使用矩阵来简化复合建筑织物围护结构(墙壁或屋顶)的温度和能量循环，该结构在围护结构的太阳-空气节点处受到正弦温度变化的影响。建筑物的墙壁不产生任何内热，而且它们的热特性在三个方向上都是相同的。对于温度为T(x,y,z, T)的三维壁面，在没有内部生热的情况下，且三维壁面具有相同的热特性，其控制扩散方程可写成方程（1）:
（1）
建筑墙有三个维度(即长度、宽度(厚度)和高度)。由于沿壁长(y)和壁高(z)的温差较小，扩散方程简化为一维(即通过壁厚(x))。均匀和复合墙体暴露在周期性的温度循环变化中，热流通过墙体围护结构沿一个方向通过墙体厚度(即水平方向)。通过壁厚的热传递的扩散方程为方程（2）：
（2）
扩散方程的周期解为方程（3）-（7）：
（3）
方程 (3)应满足傅立叶方程，这只有在下列条件下才有可能：xi;2=azeta;
其中：
在给定周期的正弦激励下，有限厚度墙体的
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