建筑墻體熱性能動態分析和保溫厚度優化

吳國忠，王 晶，支 艷，白浩然，李 棟，3

（1.東北石油大學土木建筑工程學院，黑龍江大慶 163318； 2.中國石油天然氣管道局北戴河培訓中心，河北秦皇島 066100； 3.哈爾濱工業大學能源科學工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

建筑墻體熱性能動態分析和保溫厚度優化

吳國忠1，王 晶1，支 艷2，白浩然1，李 棟1，3

（1.東北石油大學土木建筑工程學院，黑龍江大慶 163318； 2.中國石油天然氣管道局北戴河培訓中心，河北秦皇島 066100； 3.哈爾濱工業大學能源科學工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

為研究動態熱條件下不同結構材料的建筑墻體熱性能和保溫厚度優化問題，針對大慶地區冬季氣候特征，建立墻體非穩態傳熱模型，分析分別采用Concrete、Briquette、Brick、Blokbims、AAC等5種結構材料和擠塑聚苯乙烯EPS、泡沫聚苯乙烯XPS等2種保溫材料的建筑墻體熱性能，計算大慶地區1月典型日的室外綜合溫度并進行各種墻體傳熱分析和保溫厚度優化.結果表明：冬季最大溫度波動和峰值負載發生在Concrete結構材料墻體中，其次是Briquette、Brick、Blokbims和AAC結構材料墻體中，且在相同情況下AAC結構材料墻體的保溫效果明顯優于其他結構材料墻體；綜合考慮影響保溫層經濟厚度的主要因素，通過經濟分析計算，得出在相同經濟條件下、大慶地區采用5種不同結構材料240mm厚度墻體保溫時的最優保溫厚度，為建筑墻體工程應用提供指導.

建筑墻體；熱性能；保溫厚度優化；傳熱分析；動態熱條件；非穩態傳熱模型；經濟分析

DOI 10.3969／j.issn.2095－4107.2012.04.013

0 引言

采暖能耗是建筑物的主要能耗，降低采暖能耗是節能的關鍵.在建筑外墻及屋頂保溫可以減少建筑物熱損耗，以降低采暖系統的運行成本.以一個較高的初投資成本為前提，隨著保溫厚度的增加，節能量也隨之增多；但最優保溫厚度應該滿足總成本最小的要求，其中總成本包括保溫材料的成本和建筑在使用周期中能耗成本［1］.

涉及到最佳保溫厚度研究的文獻大多數采用戶外度日平均溫度法，它是靜態條件下估計熱負荷的粗糙模型，并且未考慮太陽輻射和建筑熱惰性的影響.也有一些研究的文獻考慮太陽輻射的影響［2］，也采用戶外度日平均溫度法，如為獲得精確的最優保溫厚度，提出穩定周期條件下基于隱式有限體積法的數值計算方法［3－4］，以及基于復雜傅立葉變換的有限元分析方法［5］.其中，Al－Sanea S A等［4］研究穩定周期條件下空心墻保溫層的最佳厚度，基于現值分析法達到總成本最小化，結果表明經濟的空腔結構依賴于保溫材料類型.文獻［6］采用Al－Sanea S A提出的動態傳熱模型分析建筑墻體最優保溫厚度對電價的影響，結果表明最小電價總費用隨不同最優保溫厚度而發生線性變化.Daouas N等［5］用解析法計算突尼斯氣候條件下不同建筑方向的最優絕緣厚度.

為確定大慶地區5種結構材料和2種保溫材料構成的建筑墻體的熱性能和最優保溫厚度，建立不同結構材料和保溫材料墻體的非穩態傳熱模型，根據大慶地區1月的氣候資料［7］，計算該地區的室外綜合溫度，并以此作為邊界條件對不同類型墻體結構的熱性能展開模擬分析；考慮大慶地區的氣候條件、供熱方式、燃料類型及墻體各層材料等參數，優化最佳保溫厚度.

1 數理模型

由M個不同厚度和物性建筑材料層組成的復合墻體結構見圖1.墻體外表面以室外綜合溫度為溫度邊界條件，內表面為定溫.為便于分析，假定：墻體無內熱源；忽略墻體材料熱物性參數的變化情況，為常數；在墻體傳熱過程中，不考慮濕傳導及其相變潛熱對墻體的熱物性參數和溫度的影響；材料層間接觸緊密，忽略各層之間的熱阻.多層墻體一維瞬態熱傳導方程為

式中：x和t分別是空間和時間坐標；ρj、cj和kj分別為第j層的密度、比熱容和導熱系數.

為求解方程（1），需要指定初始條件和邊界條件.假定任意一個均勻溫度場為初始條件，室內、外墻體的表面邊界條件為

圖1 M層復合墻體

式中：ho和hi分別為室外和室內墻壁表面的對流換熱系數；Ti為室內空氣溫度；Te為包括太陽輻射影響的室外綜合溫度，

不透明墻的太陽吸收率等于深色表面的太陽吸收率，一般取0.9［8－9］.

根據大慶地區1月的室外溫度［5］及對應朝向的太陽輻射值［10］，由式（4）以南墻為例求解大慶地區1月的室外綜合溫度，將其作為墻體外表面的邊界條件.以24h為1周期，分析墻體的傳熱性能［11－12］.墻體的邊界條件見表1.

表1 墻體邊界條件

2 非保溫和保溫墻體的熱性能

墻體由2個20mm厚水泥砂漿、240 mm厚結構層和不同厚度保溫層構成.結構層分別由Concrete、Briquette、Brick、Blokbims和AAC等5種不同材料構成，保溫材料主要為擠塑聚苯乙烯（XPS）和泡沫聚苯乙烯（EPS）［14］.建筑墻體熱工性能由墻體結構決定，非保溫和保溫墻墻體見圖2.

非保溫墻由20mm厚外石膏、240mm結構材料和20mm內石膏組成的；保溫墻由20mm外部石膏、保溫材料（厚度待定）、240mm結構材料和20mm內石膏組成.墻體結構材料的熱物性［14］見表2.

圖2 典型墻體結構

表2 建筑材料的熱物性

以大慶地區1月15日為最冷月典型日，模擬240mm厚的不同結構非保溫墻體和40mmXPS保溫墻體在室外綜合溫度作用下的墻體內表面溫度和熱流密度的逐時變化曲線，結果見圖3和圖4.

圖3 墻體內表面溫度變化曲線

圖4 墻體內表面熱流密度變化曲線

由圖3可見，在非保溫墻體中，采用Concrete、Briquette、Brick、Blokbims和AAC結構材料墻體的室內溫度波動分別為2.16，1.72，0.97，0.60，0.46℃；在保溫墻體中，它們分別為0.17，0.18，0.11，0.12，0.13℃.

由圖4可見，由Concrete、Briquette、Brick、Blokbims和AAC結構材料非保溫墻體獲得的峰值熱流密度分別為98.52，73.60，56.38，27.49，19.26W／m2；保溫墻體獲得的峰值熱流密度分別為18.76，17.57，16.18，12.38，10.34W／m2.冬天最大溫度波動和峰值負載發生在由Concrete結構材料構成的墻體，其次分別是Briquette、Brick、Blokbims和AAC結構材料構成的墻體.Concrete結構材料墻體具有最高的導熱系數，熱負荷最大，而AAC結構材料墻體相反.由此可見，保溫墻與非保溫墻相比能夠有效降低內表面的溫度波動和熱負載峰值.

由Concrete、Briquette、Brick、Blokbims和AAC結構材料構成的非保溫墻體和2種不同保溫墻的內表面熱流密度的逐時變化曲線見圖5.由圖5可見，當墻體采用保溫材料時，峰值熱負荷降低.當采用XPS作為墻體保溫材料時，墻體峰值熱負荷減少量：Concrete結構材料墻體為81.0%，Briquette結構材料墻體為76.1%，Brick結構材料墻體為71.3%，Blokbims結構材料墻體為55.0%和AAC結構材料墻體為46.3%，可見Concrete、Briquette和Brick結構材料墻體比Blokbims和AAC結構材料墻體有更顯著的保溫性能.

圖5 240mm厚度5種不同墻體非保溫與保溫結構內表面熱流密度變化曲線

相同厚度的不同結構材料在保溫厚度相同，且為40mm厚度EPS和XPS保溫材料時墻體內表面的熱流密度變化曲線見圖6.由圖6可以看出，在保溫材料相同的情況下，由于結構材料不同，內表面熱流也有很大差異，差異主要由結構材料的本身物性引起.根據熱流密度變化，XPS比EPS保溫材料保溫效果要好.

3 保溫厚度優化

當保溫材料的類型確定時，保溫層厚度是影響建筑物保溫性能的重要因素.保溫厚度的確定一般采用保證傳熱系數法［1］或經驗值法，很少采用優化設計方法［15－16］，而采用保證傳熱系數法或經驗值法時，通常很難保證其經濟性［17－18］.充分考慮大慶地區的氣候條件、供熱方式、燃料類型及墻體各層材料等參數，在動態傳熱條件下利用新的經濟分析方法［15］，計算由5種不同結構材料和2種不同保溫材料構成的建筑墻體的最優保溫厚度.優化時只考慮傳熱部分的采暖負荷，因為其他負荷不影響最佳保溫厚度［6］.

圖6 5種不同結構材料40mm厚度不同保溫材料墻體內表面熱流密度變化曲線

墻體單位面積內的總成本［14］為

式中：Ct為單位面積的總成本；Ci為每單位體積絕緣材料的成本；Li為絕緣厚度；CA和PWF分別為每年的能量總成本和現值因素，

式中：CA，H為每年每單位面積取暖的能源成本，

式中：CF為燃料成本；Ql為每年每平方米墻體的總熱損失；HC為燃料的低熱值；ηs為供熱系統的效率，ηs＝η1·η2，其中η1為室外管網傳輸效率，一般取0.9，η2為鍋爐的運行效率，一般取0.68.

同樣，對于空調系統，每年每單位面積的能源成本CA，C為

式中：Qg為每年的總熱量；CE為電力成本；COP為制冷系統的性能參數.

將N年使用壽命的總成本連同現值因素PWF一起評價，其中PWF取決于通貨膨脹率g和利率i，PWF［18］定義為

在戶外每日平均溫度法中，分別給出每單位面積的每年供暖和制冷的能源成本：

式中：HDD和CDD分別為采暖和制冷的度日數；U為墻的總傳熱系數，U＝［Rwt＋（Li／ki）］－1，Rwt為不包括保溫層墻的總熱阻.

選用吉林白山電煤作為供熱燃料，電能作為制冷能源，計算使用參數［14－15，19］見表3.數值選取以大慶當地市場成本和當地條件為依據.經過計算，大慶地區240mm厚度結構墻體EPS和XPS保溫材料的最優保溫厚度見表4.

表3 計算使用參數

表4 240mm厚度結構墻體的最優保溫厚度mm

4 結論

（1）考慮太陽輻射影響，計算大慶地區1月典型日的室外綜合溫度.

（2）冬天最大溫度波動和峰值負載發生在由Concrete結構材料構成的墻體，其次分別是Briquette、Brick、Blokbims和AAC結構材料.與非保溫墻相比，保溫墻能夠有效降低內表面的溫度波動和熱負載峰值.

（3）采用經濟性分析方法，計算大慶地區240mm厚度Concrete、Briquette、Brick、Blokbims、AAC等5種結構材料墻體的EPS或XPS保溫材料的最優保溫厚度，為建筑墻體工程應用提供數據支持.

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Dynamic analysis of thermal performance and insulation thickness optimization of building walls／2012，36（4）：68－73

WU Guo－zhong1，WANG Jing1，ZHI Yan2，BAI Hao－ran1，LI Dong1，3
（1.School of Architecture and Civil Engineering，NortheastPetroleum University，Daqing，Heilongjiang163318，China；2.Beidaihe Training Center，PetroChina Gas Line Bureau，Qinhuangdao，Hebei 066100，China；3.School of Architecture and Civil Engineering，Harbin Institute of Technolo－gy，Harbin，Heilongjiang150001，China）

This study deals with thermal performance and optimum insulation thickness of building walls with differentstructure materials under dynamic thermal conditions.According to the winter climate characteristic of Daqing area，the wall unsteady heattransfer model was established.Thermal performance of building walls constructed of concrete，briquette，brick，blokbims and autoclaved aerated concrete（AAC）five differentstructure materials and extruded polystyrene（XPS）and expanded polystyrene（EPS）two differentinsulation materials used in external walls of buildings were analyzed.The outdoor comprehensive temperature for representative day of January in Daqing was calculated and heattransfer analysis and thermal insulation thickness optimization of the wall under the action of the outdoor comprehensive temperature were carried out.Results show thatthe maximum temperature swings and peak load occur for the wall made with concrete and this is respectively followed by briquette，brick，blokbims and AAC，and the insulation effectof AAC wall was obviously superior to other walls under the same condition.Besides，comprehensive consideration of the main influence factors of economic insulation layer thickness，the optimal insulation thickness of five differentstructure wall with 240mm thick are calculated through the economic analysis on Daqing area.

building walls；thermal performance；insulation thickness optimum；heattransfer analysis；dynamic thermal conditions；unsteady heattransfer model；economic analysis

book=4,ebook=130

TU 551

A

2095－4107（2012）04－0068－06

2012－06－21；編輯：任志平

黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12511024）

吳國忠（1961－），男，博士，教授，主要從事建筑熱環境分析方面的研究.