小框體復合保溫墻體熱工性能分析

李建光， 童麗萍

(鄭州大學 土木工程學院 河南 鄭州 450001)

小框體復合保溫墻體熱工性能分析

李建光， 童麗萍

(鄭州大學 土木工程學院 河南 鄭州 450001)

基于墻體非穩定傳熱的物理模型，以熱力學能量理論寫出非穩定傳熱的導熱微分方程，并根據房屋內外壁實測的溫度擬合成簡諧溫度波作為外部擾量.采用第三類邊界條件，計算出小框體復合保溫隔熱體系的內壁面溫度、熱流密度、衰減倍數及延遲時間等性能指標，在此基礎上計算出不同構造墻體的熱流量.計算結果表明，該體系相對于聚氨酯保溫隔熱體系熱流量單位面積內降低3.4%；相對于聚苯乙烯保溫隔熱體系熱流量單位面積內降低7.1%，從而證明了小框體復合保溫隔熱體系的優越性.

小框體； 熱工性能； 衰減倍數； 延遲時間； 熱流密度

0 引言

隨著我國現代化進程的不斷加快，能源問題已經嚴重制約社會經濟的發展，建筑節能已經成為構建和諧社會及實行能源可持續發展的國家戰略舉措[1].針對國家“十二五”節能減排目標及當前建筑節能存在的質量通病，鄭州大學建筑節能課題組研發了小框體復合保溫隔熱體系(簡稱“XKT”)，并獲得國家專利(專利號：ZL200820220705.4)[2].

1.保溫隔熱復合板；2.外表面防裂抗剪鍵；3.外側板；4.空氣分離層；5.內側板

XKT主要由結構體系、保溫隔熱體系、連接構造體系3部分組成.保溫隔熱體系如圖1所示.保溫板依據所在地的氣候特點、節能標準等條件選擇匹配的保溫材料，XKT的保溫隔熱體系是由聚氨酯保溫材料與空氣夾層組合而成.該體系將成本廉價的空氣通過巧妙的構造形成封閉不流動的保溫隔熱層，使得保溫隔熱體系在幾乎不增加成本的基礎上能較大幅度提高保溫隔熱效率[2].同時，該封閉空氣夾層的存在有利于阻止裂縫開展后繼續向近墻面的內側板開展，并能有效地將水聚集在空氣分離層的空間里，由于內側板相對于現在的一個整體的板塊很難出現裂縫，則外部滲水也就很難進入砂漿層及墻體，進而提高了圍護墻體的整體穩定性及耐久性.

依據民用建筑熱工設計規范(GB 50176—1993)[3]中的技術要求，與河南省居住建筑節能設計標準(寒冷地區)(DBJ41/062—2005)[4]中的2種復合墻體構造形式進行對比，計算出小框體復合保溫隔熱體系的熱工性能指標，證明了小框體復合保溫隔熱體系的優越性.

1 復合保溫墻體組合形式

3種復合保溫墻體構造均采用外墻外保溫形式.其中，小框體復合保溫隔熱墻體記作W-Ⅰ，由室內到室外順序為：20 mm厚水泥砂漿粉刷層、KPI多孔磚、XKT保溫板、20 mm厚外飾砂漿層.文獻[4]中2種用于對比的構造形式分別記作W-Ⅱ和W-Ⅲ.W-Ⅱ由室內到室外順序為：20 mm厚水泥砂漿粉刷層、KPI多孔磚、聚氨酯保溫層、20 mm厚外飾砂漿層.W-Ⅲ由室內到室外順序為：20 mm厚水泥砂漿粉刷層、KPI多孔磚、聚苯乙烯保溫層、20 mm厚外飾砂漿層.以上各材料的物理參數見表1.

表1 復合墻體各層材料的物理參數[2，4-5]

2 數值分析

2.1計算假定

結合文獻[6]，數值分析采用以下基本假定：①各層材料材質均勻，各向同性；②熱物理特性不隨室內外溫度的變化而變化；③不考慮內部熱量擾值.

2.2數理方程

在不考慮墻體內熱源的情況下[6]，無論是均質墻體還是復合墻體的非穩態傳熱微分方程均可寫為

(1)

從垂直于墻體厚度方向的整體傳熱過程分析時，由于建筑外墻的高度、寬度遠大于其厚度，墻體傳熱可視為一維傳熱，且采用一維模型可以獲得足夠精確的近似解[6].基于此及上述假設，方程(1)可簡寫為

(2)

式中：T為單元體的溫度；t為時間；λ為構件的導熱系數；z為建筑物外表面到計算單元的距離；ρ為建筑保溫材料的密度；c為建筑保溫材料的比熱容.

計算中考慮到外保溫復合墻體內外表面與周圍空氣的接觸作用，采用熱結構分析中的第三類邊界條件[7]：夏季外墻內表面換熱系數為8.7 W/(m2·K)，外表面換熱系數取19 W/(m2·K)；冬季外墻內表面換熱系數為8.7 W/(m2·K)，外表面換熱系數取23 W/(m2·K).

2.3外部擾量

圍護結構非穩定傳熱計算時，視室外空氣綜合溫度Tout為墻體外側的連續擾量.在進行能耗計算時采用差分法計算可獲得滿意的精度，一般以1 h為步長進行離散，對任意一個周期函數f(τ)都可以分解為若干個頻率呈整數倍的正弦或者余弦的函數[8]，即

(3)

式中：An為n階諧波的振幅；φn為n階的初相位；ω為函數的基頻，等于2π/T，T為函數的周期.然而把間隔為1 h的周期室外綜合溫度離散數據進行函數化，利用這些等間隔的離散數據近似求得有限項傅氏級數，進行函數變化的諧波分析，最終得到室外綜合溫度的傅氏展開式.

以鄭州市(寒冷(B)區)[5]冬日某小區試點工程南墻面某天的實測溫度擬合成簡諧溫度波作為其外部擾量，擬合溫度簡諧波方程為

(4)

3 計算及結果分析

3.1延遲時間及衰減倍數

根據文獻[3]中計算方法，延遲時間計算結果如圖2所示.外墻延遲時間最大為W-Ⅰ，其次為W-Ⅱ，最小為W-Ⅲ.依據河南省居住建筑節能設計標準(寒冷地區)，在傳熱系數同樣滿足規范限值0.75的情況下，W-Ⅰ需要保溫層厚22 mm，延遲時間為11.15 h；W-Ⅱ需要保溫層厚27 mm，延遲時間為11.12 h；W-Ⅲ需要保溫層厚35 mm，延遲時間為10.98 h.

同樣根據河南省居住建筑節能設計標準(寒冷地區)，并參照文獻[3]中計算方法，衰減倍數計算結果如圖3所示.在同一墻材KPI多孔磚組成復合墻體時，在傳熱系數相同情況下，不同構造組合時其衰減倍數大小依次為：W-Ⅰ>W-Ⅱ>W-Ⅲ.W-Ⅰ保溫層厚22 mm，衰減倍數為16.8；W-Ⅱ保溫層厚27 mm，衰減倍數為16.4；W-Ⅲ保溫層厚35 mm，衰減倍數為15.8.

由圖3可知，隨保溫層厚度的增加，W-Ⅰ的衰減倍數相對其他兩種墻體形式增長較快，這也說明W-Ⅰ抵抗室外溫度波變化的能力更強，熱穩定性更好；W-Ⅱ和W-Ⅲ次之.

圖2復合墻體延遲時間圖3復合墻體衰減倍數

Fig.2Delay time of the composite wallsFig.3Attenuation coefficient of the composite walls

3.2內壁面溫度

由于復合墻體延遲時間這一自身屬性的存在，因此，在進行計算時從延遲時間過后開始計時，內壁面熱流密度的計算同此.

在外部擾量溫度波式(4)的作用下，復合墻體內壁面溫度計算結果如圖4所示.對比傳熱系數同為0.75的復合墻體，內壁面溫度W-Ⅰ最高，W-Ⅱ次之，W-Ⅲ最低；且W-Ⅰ的內壁面溫度波動最小，該指標也說明在同一溫度波連續作用下，當墻體傳熱系數相同時，墻體的內壁面溫度更接近室溫18 ℃，熱穩定性更好.因此，對于XKT保溫隔熱體系來說，空氣層與聚氨酯的組合更具有優越性.

3.3內壁面熱流密度

熱流密度是評價建筑節能的一個重要指標.熱流密度越小，單位時間內通過復合墻體的熱流量就越小，墻體吸收的熱量就越少，溫度就升高得越慢，室內空調制冷(制熱)的時間就越短，其需要的電能量就越小，消耗的能源量也越小，從而達到建筑節能的目的.

外部擾量T(t)作用下，各墻體熱流密度計算結果如圖5所示.由計算結果可知，3種墻體熱流密度大小依次為：W-Ⅰ

圖4各墻體內壁面溫度變化 圖圖5各墻體內壁面熱流密度變化圖

Fig.4The inside temperature chart of each wallFig.5The inside heat flux density chart of each wall

3.4熱負荷總量

圖6 三種復合墻體的熱流總量Fig.6 Total heat flows of three composite walls

由式(2)及文獻[9]中的SIMPLE算法可求得3種復合保溫隔熱墻體在外部擾量下24 h的單位面積內熱流總量，結果如圖6所示.

由計算結果可知：在同一工況條件下，W-Ⅰ相對于W-Ⅱ熱流量單位面積內降低3.4%；相對于W-Ⅲ熱流量單位面積內降低7.1%.

通過上述分析可得：復合墻體W-Ⅰ與復合墻體W-Ⅱ的保溫材料同為聚氨酯板，前者加入封閉空氣層后，其各項保溫隔熱指標均有改善，同時也證明了封閉空氣層保溫隔熱的合理性及可行性.與文獻[5]中給出的復合墻體保溫隔熱體系相比，在滿足傳熱系數限值0.75的情況下，W-Ⅰ可節省保溫材料近30%，不但提高了節能效果和降低了能耗，而且降低了對保溫材料的需求量，也同時降低了后期廢料的產生量.

4 結語

通過上述數值計算的方法獲得3種保溫隔熱復合墻體的相應指標，得到如下結論：

1)同一熱工環境及指標情況下，延遲時間：小框體復合保溫隔熱體系>聚氨酯保溫隔熱體系>聚苯乙烯保溫隔熱體系；衰減倍數：小框體復合保溫隔熱體系>聚氨酯保溫隔熱體系>聚苯乙烯保溫隔熱體系.相對于聚氨酯復合保溫隔熱體系及聚苯乙烯復合保溫隔熱體系，小框體復合保溫隔熱體系不僅降低了對保溫材料的需求量，而且能較好地延遲外部環境溫度變化帶給室內熱環境的影響，并有效降低對室內熱環境影響的幅度.

2)同一熱工環境及指標情況下，小框體復合保溫隔熱體系相對于聚氨酯保溫隔熱體系熱流量單位面積內降低3.4%；相對于聚苯乙烯保溫隔熱體系熱流量單位面積內降低7.1%.

3)不同組成材料在傳熱系數相同時，墻體W-Ⅰ抵抗室外溫度波變化能力更強，熱穩定性更好，室內舒適性能也更好.

小框體復合保溫隔熱體系通過合理構造封閉空氣層能顯著提高保溫隔熱性能，并降低對保溫材料的需求量，既能滿足第三階段節能標準，又能給居住環境帶來較好的熱舒適度，在目前同類體系中具有一定的優勢.

[1] 童麗萍．從能源危機看建筑節能的必然趨勢[J]．鄭州大學學報：理學版，2008，40(4)：105-109.

[2] 童麗萍，李建光，曹源，等．一種空腔式小框體保溫隔熱復合板：中國，ZL200820220705.4 [P]．2010-02-03.

[3] 中國建筑科學研究院．GB 50176—1993民用建筑熱工設計規范[S]．北京：中國建筑工業出版社，1996.

[4] 河南省建筑科學研究院．DBJ41/062—2005河南省居住建筑節能設計標準(寒冷地區)[S]．北京：中國廣播電視出版社，2005.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部．JGJ26—2010嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準[S]．北京：中國建筑工業出版社，2010.

[6] 章熙民，任澤霈，梅飛鳴．傳熱學[M]．3版．北京：中國建筑工業出版社，1993：66-75.

[7] 任玲玲．EPS板保溫系統裂縫問題的數值分析[D]．鄭州：鄭州大學，2010：45-66.

[8] 清華大學DeST開發組．建筑環境系統模擬分析方法：DeST[M].北京：中國建筑工業出版社，2006：26-30.

[9] 湯莉，湯廣發．三種墻體保溫隔熱性能的數值分析[J]．湖南大學學報：自然科學版，2008，35(2)：31-34.

ThermalTechnicalPerformanceAnalysisForXiaokuangtiExternalWallInsulationSystem

LI Jian-guang， TONG Li-ping

(CollegeofCivilEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

Based on the physical model of unsteady heat transfer,the unsteady heat-conduction differential equations under the third boundary on the principle of the thermodynamic theory were written. With the measured amount of outdoor temperature for the external disturbance,the heat flux density,attenuation coefficient,delay time and other performance indicators of the xiaokuangti composite thermal insulation system were calculated;and the results of the heat flux of different structural walls were also got according to the inner and outer wall temperature of the pilot projects under the same environmental conditions. Data showed that the heat flow per unit area decreased by 3.4% and 7.1% according to the comparison between xiaokuangti with the system of polyurethane and polystyrene. Therefore,the superiority of xiaokuangti external wall insulation system was proved.

xiaokuangti;thermal technical performance;attenuation coefficient;delay time;heat flux density

TU 761

A

1671-6841(2011)04-0116-05

2011-05-23

河南省重大公益科研項目，編號081100910400；鄭州市重大科技攻關項目，編號082SGZS32079；鄭州大學研究生科學研究基金資助項目，編號重點類A181.

李建光(1980-)，男，博士研究生，主要從事建筑節能與結構性能研究,E-mail:lijian7553@163.com．