历史砖砌建筑热质量（thermal mass）激活：现场双侧热流监测与校准模拟的夏季蓄放热性能评估

《Case Studies in Thermal Engineering》：Activating thermal mass in historic brick buildings: In situ monitoring and calibrated summer performance

　　

历史大体量砌体建筑常被认为具有有利的夏季热性能，但只有当蓄存热量能够在适宜边界条件下释放时，热质量（thermal mass）才可缓解过热。研究人员开发了一套实验与数值相结合的综合方法，用于评估西班牙Valladolid一栋历史教育建筑中大体量砖墙的夏季热行为。研究人员在厚63 cm的砖墙两侧安装热流传感器（heat-flux sensors）和表面温度探头（surface-temperature probes），该墙由60 cm厚大体量砖砌体和约3 cm厚内石膏抹灰饰面组成，并利用这些数据表征其动态蓄热—放热行为并校准EnergyPlus模型。在自由运行（free-running）夏季条件下，室外空气温度约在18–37 °C之间变化，而室内空气温度保持在26.8–28.4 °C。热流测量揭示了反复出现的日间热流反向，外墙表面每天约10–11 h从室外吸热。回归分析确定00:00–08:00为被动放热最有利时段。模拟内得热15 W/m²使室内空气温度升至约29–31 °C，而强化11 ACH（air changes per hour，换气次数）夜间冲刷策略使凌晨室内温度降低4–6 °C，并将日间峰值限制约2–3 °C。在占用时段，所有模拟情景均未超过II类自适应舒适上限（Category II upper adaptive comfort limit）。夜间通风仍显著降低室内温度，突出了热质量在有利夜间温度梯度和充分空气更新耦合下的冷却潜力。所提方法为诊断和激活高热惯性历史建筑与公共建筑的被动冷却潜力提供了可迁移框架。

研究背景：建筑部门在全球脱碳与气候适应中处于战略位置，既有建筑节能改造是优先事项，但历史与公共建筑需兼顾建筑与材料价值保护。夏季过热已成为改造核心问题，仅降低采暖需求的措施可能抬高夏季室温；自然通风、遮阳和热质量（thermal mass）是机械制冷的被动替代。历史围护结构的热工评估存在显著不确定性，理论值或表格值难以表征旧墙的非均质、含湿、保存状态和材料变异。热质量建筑是否有效取决于气候、保温、日温差和夜间放热；无充分放热时，大体量围护结构可能从热调节器转为蓄热源。已有现场测试多集中于传热系数估算，较少同时监测墙体两侧热流并识别吸收、蓄存和放热循环，也较少据此定义被动冷却运行策略。作者María Paz Sáez-Pérez、Alejandro Cabeza-Prieto、Gemma Ramón-Cueto和Alfredo Llorente-álvarez据此开展研究，目标是表征墙体夏季动态响应、识别日间吸热/蓄存/释放时段、校准可复现室内与表面温度的模型，并评估内得热和受控夜间通风的影响。研究结论表明：墙体应视为动态蓄放热系统而非稳态热屏障；热质量可衰减室外波动并稳定室温，但稳定不必然等于舒适；内得热显著抬高自由运行室温，而规定夜间通风可降低凌晨温度并限制日间峰值；热质量的被动冷却潜力取决于其与夜间温度梯度和充分空气更新的耦合。其意义在于提供可迁移的诊断框架，支持以非侵入运行策略激活历史与公共建筑热质量，而非仅依赖传热系数改进。

关键技术方法（≤250字）：样本来源为西班牙Valladolid一栋20世纪初历史教育建筑，监测期23天，详细分析与校准采用2025年8月4—10日无人自由运行数据。研究人员参考ISO 9869-1:2014热流计法，在63 cm砖墙内外两侧布置热流板（内部刚性环氧FQAD19T、外部柔性硅胶FQAD18TSI）及4个热电偶，15 min记录，并用FLIR ThermaCAM B29红外热像筛查热桥。用DesignBuilder/EnergyPlus建立动态模型，以室内空气温度和内外表面温度校准，背景渗透0.4 ACH作为有效模型参数；设置基线、15 W/m²内得热（08:00—15:00）及内得热加11 ACH夜间通风（00:00—08:00，ΔT=0 °C控制）三情景。校准指标包括平均绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）、平均偏差（MBE）、均方根误差变异系数（CVRMSE）、决定系数（R²）和Nash–Sutcliffe效率（NSE）。

研究结果：
3.1 热流测试：通过双侧热流与表面温度监测发现，内表面热流接近零（约?2.4—0.9 W/m²），外表面日变化大（约?20—?40 W/m²表示向墙内传热）；室外约18—37 °C时室内保持26.8—28.4 °C，内表面约26.7—27.7 °C，外表面暖时超过30—32 °C。结论是墙体并非单向传热屏障，而是动态蓄放热系统，室内稳定源于波动阻尼、热时滞和暂时蓄热，且蓄热若无放热可维持高室温。
3.2 外墙面负热流事件的时间分析：通过统计外板负热流累计时长，发现日均约10 h 30 min，约占全日40—45%，多始于10:30—11:45、止于20:15—22:15；室内温度稳定在26.8—28.0 °C，外热流多为?0.1—?5.6 W/m²。结论是墙体在夏季日间存在持续净得热时段；外热流还可能受长波辐射影响，但未独立量化。
3.3 基于回归的有利夜间运行条件评估：通过00:00—08:00外热流与室内外温差ΔT的日回归，R²为0.9253—0.9958，显示强描述性关联；因15 min时间序列存在自相关，仅作描述性解释。结论是该时段为监测条件下有利的夜间放热窗口，而非普适最优通风时段；墙内温度未测，回归未显式纳入墙体蓄热状态。
3.4 模拟结果：内得热与夜间通风的影响：通过三情景模拟，基线室温稳定在约26—28 °C并接近或略超25 °C固定参考；15 W/m²内得热使室温升至约29—31 °C；内得热加11 ACH夜间通风使凌晨降至约22—24 °C，较无通风降低约4—6 °C，日间峰值降低约2—3 °C。按EN 16798-1 II类自适应上限（运行平均室外温度计算，上限30.17—30.43 °C），占用时段三情景均未超限；固定25 °C超限不应直接解释为热不适。结论是夜间通风可显著改善室内热行为，但收益条件于规定换气率和夜间温差。
3.5 内得热与夜间通风下墙体内表面热流响应：通过模拟内表面热流发现，基线热流低幅规律；内得热时热流更负，墙体吸收部分内得热但仅为临时储存；夜间通风时热流反转为正，墙体向室内放热并由空气更新带走，形成日间吸热、夜间放热的有利循环。实测与模拟内热流均值接近，但R²=0.249、NSE近零，小时动态解释需谨慎。结论是有效策略不是孤立热质量，而是可用热质量、有利夜间梯度和充分换气的耦合。

讨论部分总结：热惯性对削峰和稳定室温有效，但有效性依赖气候、使用模式与放热策略；外热流信号含长波辐射和局部辐射环境，未独立量化；回归因时间自相关仅作描述性解释；内得热使室温约升高1—2 °C，固定阈值与自适应准则提供互补信息；夜间通风的降温依赖规定的11 ACH和校准的0.4 ACH背景渗透，不能直接推广；热质量并非自动有益，00:00—08:00也非普适最优；内保温等替代改造未模拟，不能据此建立热解耦阈值；未开展生命周期评估，不能得出隐含碳结论。局限包括单案例、单墙型、单朝向、23天监测与7天详细校准、热流安装与边界条件不确定、无独立太阳辐射/天空温度/风速测量、无湿度控制。

研究结论翻译：本研究开发并应用了一套综合方法，结合现场监测、动态热流分析和校准能耗模拟，表征历史教育建筑大体量砖砌围护结构的夏季热行为。主要贡献在于将墙体实测物理响应与代表性使用条件下运行性被动冷却策略的定义和评估联系起来。结果表明，围护结构不应被解释为稳态热屏障，而应视为动态蓄放热系统；高热质量可衰减室外波动并稳定室内温度，但这种稳定不一定意味着舒适，若缺乏有效放热机制，蓄存能量可能维持高室内温度。模拟显示，内得热在自由运行夏季条件下显著提高室内温度，而规定强化夜间通风情景使凌晨室内温度降低约4—6 °C，并将随后日间峰值限制约2—3 °C。以25 °C固定参考阈值计，夜间通风显著降低超限幅度和持续时间；但该阈值不应直接解释为自由运行建筑的热不适。采用EN 16798-1自适应方法评估模拟操作温度时，所有分析情景在占用时段均未超过II类上限，因此夜间通风的热收益应与自适应准则获得的舒适分类区分。预测降温依赖规定的11 ACH夜间通风率和校准的0.4 ACH背景渗透率，不能直接推广至更低夜间通风率建筑；通过自然通风实现规定气流仍需验证。从能效改造角度，既有大体量围护结构可构成相关生物气候资源，前提是保持与室内环境热耦合并通过适当被动策略管理；因此，高热惯性历史或公共建筑干预不应仅基于改善传热系数，还应基于围护结构动态评估、内得热控制、遮阳和受控夜间通风。结果还强调需考虑既有热质量与改造措施的相互作用；由于未分析替代保温配置，本研究不能建立热解耦定量阈值，确定此类阈值为未来研究方向。所提方法为诊断既有建筑热质量真实潜力和定义与建筑保护兼容的被动调节策略提供了可迁移框架；未来研究应将该方法扩展至其他气候、朝向、构造类型和气候变化情景，并评估其与自适应舒适准则和真实建筑运行的整合。