嵌管式外墙夏季传热效果的影响因素分析与优化

清华大学  姜思航  沈翀 李先庭

    【摘  要】嵌管式外墙将换热管件嵌入墙体以调节温度，现有的初步研究表明它可在夏季利用冷却塔等自然冷源大幅降低建筑冷负荷。但目前鲜有针对其热工性能影响因素的研究，布管方式也有待优化。本文针对嵌管式墙体和传统墙体建立了数值计算模型，研究了自然冷热源温度和室外温度等外界因素对该类墙体热工性能的影响，并基于能耗分析优化了布管位置。结果表明，嵌管墙的内外壁传热量、嵌管处传热量与室外气温、进口水温和太阳辐射存在高度线性关系。拟合公式后发现水温是影响内壁热流的主要因素。嵌管墙推荐采用外保温，此时当水温明显低于室温时，嵌管应当尽量靠近室内壁面布置，以避免引起过多的室外壁面传热。当水温明显高于室温时，嵌管应尽量靠近室外壁面布置。

    【关键词】自然能源；嵌管式墙体；数值模拟；冷负荷；建筑节能

    【基金项目】国家重点研发计划项目（编号：2016YFC0700302），国家自然科学基金资助项目（编号：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

    墙体等非透光围护结构在传统建筑中所占的面积比例较大，其负荷是建筑负荷的重要组成部分。改善其保温性能是降低非透光围护结构能耗的主流途径，但这种途径可能不利于建筑在夏季较凉天气和过渡季的自然冷却作用，因为在周围环境空气温度较低时，过度的隔热将减弱自然空气的免费供冷潜力。张晓亮和江亿等^[1]通过建筑能耗模拟软件DeST分析了墙体保温性能对房间供热空调负荷的影响，认为不能盲目地通过增加保温层厚度来达到节能的效果，保温的效果在冷负荷较高的地区并不显著。因此，目前亟需保温以外的节能措施。

    自然环境蕴含了多种多样的冷源，其中有部分冷源的温度在夏季部分时间低于围护结构温度，因此利用自然冷源降低建筑围护结构冷负荷的方式日益受到重视。例如，近年来出现了通过在建筑外墙中埋设水管来减少透过墙体的传热量的做法^[2] ，学者们对其展开了初步研究。Xu^[3]等提出了在墙体和屋顶埋设水管的做法，这种做法可充分利用自然环境低品位冷热源，并研究了相关传热模型和实际应用，结果表明若此种结构传热性能得到进一步提升，将有很好的应用前景；谢军龙^[4]等通过数值模拟的手段研究了嵌管式墙体的夏季传热性能，结果表明该结构能显著降低透过外墙的得热以及外墙内表面的温度，大大提高了室内环境的热舒适性。然而，目前对该类墙体传热效果的影响因素却鲜有研究，传热机理还有待进一步分析，这也在一定程度上制约了该类墙体的推广应用。

    本文针对嵌管式墙体建立了数值计算模型, 系统地研究了自然冷热源温度、室外温度和太阳辐射强度等外界影响因素对该类墙体热工性能的影响。并通过能耗对比分析，优化了布管位置，以期为工程实践提供一定的指导。

1 方法

    1.1 物理模型

    本文研究中采用了传统墙体的典型结构，如图1所示。嵌管墙完全参照传统墙体的结构做法^[4][5] ，由室内侧到室外侧其结构依次为：砂浆抹灰层、砖层、水管层、砖层、保温层、砂浆抹灰层，在两部分黏土砖之间增加一混凝土层固定水管。墙体材料热工参数参考文献[4][5],参考公共建筑节能设计标准GB50189-2015，北京地区墙体的综合导热系数取0.6 W/(m2·K)。所研究的墙体尺寸为10 m（长）× 4 m（高）× 0.395 m（厚）,在厚度方向上的细部尺寸如图1所示，室内温度设为26 ℃。

    1.2 数值方法

    结合本文的工况设置，采用商业软件Fluent进行二维稳态模拟，利用有限体积法对导热方程进行离散，选用二阶差分格式，同时通过UDF编程模拟了水温的沿程变化。室内空气与内壁面的传热、室外空气与外壁面的传热、水与墙体的传热均设为第三类边界条件。除水管周围一小部分区域外的其它计算域采用四边形网格进行结构化网格划分，通过网格独立性检验，最终计算域内的网格数为9万，方法验证参见文献[6]。

    1.3 能耗分析方法

    嵌管空调系统的嵌管部分输运能耗（Ppipe）由嵌管泵输运能耗和室外排热末端（如冷却塔）能耗组成：

    式中，Qpipe 为嵌管承担负荷，W/m2；WTFpipe为嵌管水系统输配系数；EERout 为室外设备输配系数，取值可参考文献[7]。

    传统系统的输运能耗（Proom）由室内泵输运能耗、室外排热末端能耗和室内末端（如风机盘管）能耗组成：

    式中，Qroom ——室内空调承担负荷，W/m2；WTFroom 为室内空调水系统输配系数；EERin 为室内设备输配系数，取值可参考文献[7]。

    传统空调系统的总能耗（Etrad）由冷机能耗和传统系统输运能耗组成：

    式中，COP为冷机性能系数。

2 结果分析

    2.1 气象条件的影响

    本部分重点研究进口水温、室外气温和太阳辐射的影响，管内水流速为0.25 m/s，保温类型为外保温，管间距为200 mm，管径为20 mm。太阳辐射强度取500 W/m2[8]。研究室外气温的影响时，取进口水温为28 ℃；研究进口水温的影响时，分别计算室外气温为32 ℃和38 ℃时的墙内壁传热量和嵌管处传热量。研究太阳辐射影响时，从0到500 W/m2给出5档梯度。

    以水温26℃，外温32℃为例，图2给出了墙体内的温度分布云图。可见，传统墙体整体温度较高，最高可超过45 ℃，在保温层处出现了明显的温度梯度。与之相比，嵌管墙内的冷却水提供了一道屏障，当进口水温为26 ℃时，可使墙体内壁温度降低1.4 ℃，内壁传热量降低11.9 W/m² ，降低率为70.7%。

    图3给出了室外气温和进口水温对墙内壁传热量的影响趋势。由图3(a)可知，无论墙体是否嵌管，其他条件一定时，墙体内壁传热量均随着室外气温的升高而线性增加，且嵌管墙内壁传热量较传统墙低；嵌管处传热量也随着室外气温的升高而线性增加。在图中所示工况下，计算所得负荷降低率均在40%以上，最高可达47.5%（室外气温为38 ℃），表明嵌管墙具有良好的负荷降低效果，且室外气温越高，嵌管墙的负荷降低率越高。

    由图3(b)可知，其他条件一定时，嵌管墙内壁传热量随着进口水温的升高而线性增加，且室外气温较高时嵌管墙内壁传热量较室外气温较低时大；嵌管处传热量则随着进口水温的升高而线性减少，且室外气温较高时嵌管处传热量较室外气温较低时高。需要注意的是，当进口水温较低时，嵌管墙内壁传热量可能会低于0，如图3(b)所示，此时由于进口水温低于室温，室内的一部分热量将被转移，具有直接冷却室内空气的效果。

    总结室外气温、进口水温和室外辐射强度的影响，可得到拟合公式(4)（R2≈1）：

    式中，Qroom为墙内壁传热量 W/m²；tair为室外气温，℃；twater为进口水温，℃；Rsolar为室外辐射强度，W/m²。 

    显然，由于嵌管墙的结构和材料热工参数是固定值，因此，嵌管墙的热阻也为一固定值。所以其内壁传热量、外壁传热量和嵌管处传热量与室外气温、进口水温和太阳辐射强度在本研究中存在高度线性关系。

    2.2 布管位置的影响

    本部分分别就内保温和外保温情形作布管位置的影响分析，首先定义无量纲管位置：

    式中，Di为无量纲管位置；xi为管中心距保温层的距离，mm；x 为砖层与混凝土层的总厚度，mm。

    嵌管水温分为22 ℃和30 ℃两组工况进行研究，室外温度取33 ℃，室外辐射强度取500 W/m² 。图4和图5分别给出了外保温和内保温墙体结构下布管位置对传热量的影响。

    由图4（a）可知，对于外保温嵌管墙，水温较低时，例如22 ℃，嵌管墙内壁传热量可能出现负值，即室内空气失热，失热量随着嵌管与保温层之间的距离的增大而增大，且增加率逐渐升高，说明水温较低时，尤其是低于室温时，靠近墙内壁面布置嵌管负荷降低效果较好，例如在图4（a）所示工况下，对于最靠近墙内壁面的嵌管布置方式，室内失热量为 7.5 W/m²,嵌管处传热量为27 W/m²，普通墙内壁传热量为17.4 W/m²；管位置对嵌管处传热量影响不大。

    由图4（b）可知，对于外保温嵌管墙，水温较高时，例如30 ℃，嵌管墙内壁传热量随着嵌管与保温层之间的距离的增大而增大，且增加率逐渐升高，说明水温较高时，尤其是高于室温时，靠近墙外壁面布置嵌管负荷降低效果较好，例如在图4（b）所示工况下，对于最靠近墙外壁面的嵌管布置方式，嵌管墙内壁传热量为11 W/m²,嵌管处传热量为8.4 W/m²，普通墙内壁传热量为17.4 W/m²，负荷降低率约为36.6%；嵌管处传热量随着嵌管与保温层之间的距离的增大而减小。需要注意的是，当过于接近墙内壁面布置嵌管时，可能导致嵌管墙内壁传热量超过传统墙，如图4（b）所示，此时嵌管向室内侧释放了许多额外的热量，不具备节能潜力。
由图5可知, 对于内保温嵌管墙，其内壁传热量随着嵌管与保温层之间的距离的增大而增大，靠近墙内壁面布置嵌管负荷降低效果较好。例如在图5（a）所示工况下，对于最靠近墙内壁面的嵌管布置方式，嵌管墙内壁传热量为2.4 W/m²,嵌管处传热量为66.2 W/m²，普通墙内壁传热量为17.4 W/m²。在图5（b）所示工况下，嵌管墙负荷降低率最高可达60%；嵌管处传热量随着嵌管与保温层之间的距离的增大而增大，且增加率逐渐上升。

    图6对比了不同布管位置对空调能耗的影响。墙体的保温性能较好，所以墙体传热导致的空调能耗相对不高，如图6所示，传统墙的能耗为5.6 W/m2。若墙体采用内保温，则保温层将嵌管层隔在了靠近室外部分，嵌管吸收了许多额外的外壁传热量，浪费了冷量。此时无论布管位置在哪，都不具备节能潜力。若墙体采用外保温，则布管位置的影响规律与水温有关。当水温较高时，尤其是高于室温时（如30 ℃），嵌管应尽量靠近保温层，即靠近室外壁面，该部分位置的原始温度较高，嵌管带走热量的能力较强，向室内传递的额外热量较少。反之，若嵌管过于靠近室内壁面，该部分的原始温度就不高，甚至低于水温，嵌管可能带来负面作用。而当水温较低时，尤其是低于室温时（如22 ℃），嵌管应当尽量靠近室内壁面，以避免引起过多的室外壁面传热，此时，能耗甚至出现负值，意味着可直接从室内吸收热量以降低室内空调能耗。当水温适中时，例如与室温一样，则布管位置对能耗影响不大，此时能耗降低率在55%左右。

3 结论

    （1）嵌管墙的热阻为一固定值，其内外壁传热量、嵌管处传热量与室外气温、进口水温、太阳辐射强度在本研究中存在高度线性关系。拟合公式后发现水温是影响嵌管墙传热效果的主要因素。

    （2）嵌管墙降低负荷与能耗的效果较为显著。即使进口水温接近室温，也仍有很大的负荷降低效果和节能效果。例如当进口水温为26 ℃时，可使墙体内壁温度降低1.4 ℃，内壁传热量降低11.9 W/m² ，降低率可达70%。

    （3）嵌管墙推荐采用外保温。当水温明显低于室温时，嵌管应尽量靠近室内壁面，以避免引起过多的室外壁面传热，此时嵌管墙甚至可从室内吸热。当水温明显高于室温时，嵌管应尽量靠近室外壁面，该部分位置的原始温度较高，嵌管带走热量的能力也较强。当水温接近室温时，布管位置对能耗影响不大，此时能耗降低率可达55%。

4 参考文献

    [1]  张晓亮, 朱光俊, 江亿. 建筑环境设计模拟分析软件DeST第13讲住宅模拟优化实例[J]. 暖通空调, 2005, 35(8):65-72.
    [2] 徐新华, 周利君, 朱求源. 建筑结构内嵌管道式空调系统的技术与应用[J]. 建筑科学, 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] 谢军龙, 朱求源, 徐新华. An active pipe-embedded building envelope for utilizing low-grade energy sources[J]. 中南大学学报(英文版), 2012, 19(6):1663-1667.
    [5] 陆耀庆. 实用供热空调设计手册(第二版)[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 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] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑门窗玻璃幕墙热工程计算规程[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2009.
    [8] 国家发展和改革委员会. GB/T 17981-2007 空气调节系统经济运行[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.

    备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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