玻化微珠整體式保溫隔熱建筑分析

劉 泳，李 珠，王文婧

（1.山西臨汾市規劃局，山西 臨汾 041000；2.太原理工大學 建筑與土木工程學院，太原 030024）

在我國，現階段大量拆除建筑物和新建建筑對環境和能源帶來了巨大的壓力，如何在建筑物全壽命周期內實現節能減排是科學工作者關注和亟待解決的問題。研究者從多種途徑進行了研究和試驗，包括新能源的開發與利用，建筑圍護結構材料與形式的研發等[1-3]。建筑物運營期內的節能成為整個壽命期內最主要的節能部分，按需使用能源可節約能源，減少能源浪費，就需要我們能夠實現能源的按需調控。

因此，本著實現分戶計量與分室控溫的要求，李珠教授提出了“城市窯洞”式綠色建筑的概念，其定義是：利用新型綠色材料、科學合理的結構構造方法，對城鎮建筑進行設計或改造而形成的形狀上不似窯洞，而功能上勝似窯洞的專利建筑。中國傳統土窯洞有冬暖夏涼、恒溫恒濕、節能、隔音、潔凈、安靜、健康長壽、環保生活、生態平衡、保護自然風景、適應氣候、滿足人類居住要求等特征。“城市窯洞”式綠色建筑將傳統土窯洞熱濕環境的優勢引入到現代建筑的設計理念中，而提出的一種新型建筑體系。“城市窯洞”式綠色建筑是有機結合傳統土窯洞和現代建筑各自優點的產物，它在保持現代建筑原有風格和使用功能不變的前提下，達到傳統土窯洞的效果，同時很好地解決了傳統土窯洞難以解決的問題[4]。整體式保溫隔熱建筑是實現城市窯洞的一種方式，即在建筑物外墻面和房間六面壁（包括墻體、樓地板和頂棚面等）用一定厚度玻化微珠保溫砂漿作為保溫隔熱層，形成結構自保溫體系，并進行與之相應的建筑、結構、地基處理、暖通、消防等設計，完成各項施工技術工作和工程實體而形成的節能保溫隔熱建筑[5]。研究者對玻化微珠整體式保溫隔熱建筑的保溫材料、施工方式、施工機器等進行了大量的試驗研究[6-8]，并對建筑物保溫隔熱性能進行了實測研究[9]，但目前還未對玻化微珠整體式保溫隔熱建筑進行過模擬定量分析。因此，對玻化微珠整體式保溫隔熱建筑的保溫性能缺乏更直觀的了解。

筆者對玻化微珠整體式保溫隔熱建筑與50節能房的保溫隔熱性能進行了有限元建模對比分析，模擬了兩種目標房間周圍的熱環境，定量分析了兩種房屋構件的傳熱過程與保溫隔熱性能。

1 試驗工程概述

本試驗工程位于山西省臨汾市安澤縣黃景怡苑住宅小區，屬于我國北方寒冷地區。建筑設計時執行的是節能50%的標準。本試驗測試選擇7號樓二單元8層801室和8號樓二單元8層801室為測試對象，戶型相同。其中，7號樓采用玻化微珠外墻外保溫形式；8號樓采用玻化微珠保溫砂漿整體式保溫隔熱形式。將7號樓801室對比戶命名為U-nit-A，8號樓801室試驗戶命名為Unit-B。Unit-A、Unit-B在對應平面圖和立面圖上的位置以及戶型圖如圖1和圖2所示。

2 建筑保溫隔熱性能的模擬及分析

2.1 模型概述及基本分析

1）模型概述。以Unit-A和Unit-B的外墻和樓地面作為研究對象，分別建立單位面積兩種建筑的外墻和樓地面斷面模型。兩種體系的外墻和樓地面構造形式和材料性能參數如表1和表2所示。

表1 Unit-A、Unit-B外墻構造形式

表2 Unit-A、Unit-B樓地面構造形式

2）有限元模型概述。本模擬采用的單元類型為“Thermal Solid，Quad 4node 55”，4節點二維平面單元，網格劃分方式采用自由劃分方式，除厚度方向外，其他均取1個單位長度。為了模擬計算快速準確，在外墻模型中網格尺寸由外向內沿墻體厚度方向分別為：5mm抗裂砂漿層的網格尺寸取0.001；40mm玻化微珠保溫砂漿層的網格尺寸取0.005；200mm鋼筋混凝土墻的網格尺寸取0.01；20mm水泥砂漿層取0.005。同樣，樓地面網格尺寸從上到下方向為水泥砂漿層取0.005；玻化微珠保溫砂漿層取0.005；100mm鋼筋混凝土樓面板取0.01；7mm水泥砂漿層取0.001。

3）模型分析假設。

a.材料完全符合各向同性、彈性以及連續性。

b.依據傳熱學理論，當平面板壁的高度和寬度是厚度的8～10倍時，可按一維導熱處理，其計算誤差不大于1%。因此，本研究對象墻體和樓地面均為沿厚度方向的一維導熱。

2.2 建筑外墻穩態傳熱分析

相鄰戶間是否采暖對外墻散熱量沒有影響，因此在進行玻化微珠保溫砂漿整體式保溫隔熱建筑外墻穩態傳熱分析時，設定室內溫度均勻分布，溫度值取定為民用建筑熱工設計規范中規定的室內溫度為18℃，室外溫度取民用建筑熱工設計規范中采暖期室外平均溫度為-0.9℃，外墻模型的邊界條件屬于對流邊界條件[10]。室內墻面對流換熱系數采用8.6 W／（m2·K），室外墻面對流換熱系數采用23W／（m2·K）[11]。Unit-A、Unit-B外墻穩態傳熱分析的溫度沿墻體厚度的路徑映射圖和溫度場云圖如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

圖3 Unit-A外墻溫度路徑圖

圖4 Unit-B外墻溫度路徑圖

由Unit-A外墻溫度路徑圖可以計算得出，由外到內溫度梯度分別是：4cm玻化微珠保溫砂漿層溫度變化梯度為3.00℃／cm；20cm鋼筋混凝土墻體的溫度變化梯度為0.097℃／cm；2cm水泥砂漿溫度梯度為0.15℃／cm。

由Unit-B外墻溫度路徑分布圖可知，有外到內各層材料對應的溫度梯度分別為：4cm玻化微珠保溫砂漿層的溫度梯度為2.21℃／cm；20cm鋼筋混凝土墻體的溫度梯度為0.065℃／m；20mm玻化微珠保溫砂漿層的溫度梯度為2.42℃／cm。

對比圖3和圖4中Unit-A、Unit-B外墻溫度路徑圖中各層材料對應溫度變化情況可以得出：Unit-B外墻中玻化微珠保溫砂漿層溫度變化較Unit-A外墻中玻化微珠保溫砂漿層溫度變化舒緩，表明采用玻化微珠保溫砂漿整體式保溫隔熱建筑可以有效地降低玻化微珠砂漿保溫層的溫度集中現象，有利于保溫層材料的耐久性。同樣的，Unit-B外墻中墻體基層溫度變化較Unit-A外墻中的溫度變化舒緩，表明采用玻化微珠保溫砂漿整體式保溫隔熱建筑可以有效地保護主體結構免受溫度波動的影響，對結構層的耐久性是一項非常有利的條件。

由Unit-A外墻溫度場云圖（圖5）可以得知，當采用玻化微珠外墻外保溫時，室外溫度取-0.9℃，室內溫度為18℃時，墻體溫度外側最低溫度為-0.061℃，墻體內側最高溫度為15.73℃，對應主體結構層的溫度分布范圍為13～15.7℃。外界空氣與墻體外表面的溫差為0.84℃，室內空氣溫度與墻體內表面的溫差為2.3℃。

圖5 Unit-A外墻溫度場云圖

圖6 Unit-B外墻溫度場云圖

由Unit-B外墻溫度云圖（圖6）可知，當采用玻化微珠整體保溫體系時，室外溫度取-0.9℃，室內溫度為18℃時，墻體外側表面溫度最低溫度為-0.258℃，墻體內側表面最高溫度為16.283℃，對應主體結構層的溫度分布范圍為9.684～11.333℃。外界空氣與墻體外表面的溫差為0.642℃，室內空氣溫度與墻體內表面的溫差為1.7℃。

對比圖5和圖6中Unit-A、Unit-B外墻溫度場云圖可以得出：Unit-B外墻外表面溫度較Unit-A外墻外側溫度低，表明玻化微珠整體式保溫隔熱外墻的復合保溫形式有效地阻隔外界低溫向室內傳遞。相應Unit-B外墻內表面溫度高于Unit-A外墻內表面溫度，表明玻化微珠整體式保溫隔熱外墻的復合保溫形式有效地阻隔室內高溫向室外傳遞。

2.3 建筑樓地面穩態傳熱分析

相鄰戶間是否采暖對樓地面散熱量的影響較大，因此在進行玻化微珠保溫砂漿整體式保溫隔熱建筑樓地面的穩態傳熱分析時，分鄰戶間采暖和不采暖兩種情況。當鄰戶間采暖時，鄰戶間溫差取2℃，分別取16，18℃；室內樓地面對流換熱系數采用8.6W／（m2·K），相鄰戶樓地面對流換熱系數采用8.6W／（m2·K）[4]。

2.3.1 相鄰住戶采暖時樓地面穩態傳熱分析

Unit-A、Unit-B相鄰住戶采暖時樓地面穩態傳熱分析的溫度沿樓板厚度的路徑映射圖和溫度場云圖如圖7、圖8、圖10和圖11所示。

圖7 相鄰戶間采暖Unit-A樓地面溫度路徑圖

圖8 相鄰戶間采暖Unit-B樓地面溫度路徑圖

當相鄰住戶采暖時，由Unit-A樓地面溫度路徑圖可以計算得出，由下到上溫度梯度分別是：0.7 cm水泥砂漿層溫度變化梯度為0.049℃／cm；10 cm混凝土樓板層的溫度梯度為0.034℃／cm；5cm水泥砂漿溫度梯度為0.06℃／cm。

當相鄰住戶采暖時，由Unit-B樓地面溫度路徑圖可以計算得出，由下到上溫度梯度分別是：0.7cm水泥砂漿層溫度變化梯度為0.047℃／cm；10cm混凝土樓板層的溫度梯度為0.017℃／cm；3cm玻化微珠保溫砂漿層的溫度梯度為0.39℃／cm；2cm水泥砂漿溫度梯度為0.043℃／cm。

根據圖7和圖8相鄰戶間采暖時Unit-A、Unit-B的樓地面溫度路徑圖可以得出如圖9所示Unit-A、Unit-B的樓地面各層材料溫度對比圖。

由圖9可以得出，Unit-B中各層材料的溫度均低于Unit-A中各層材料的溫度，且對應各材料的溫度梯度也較Unit-A中各層材料小；30mm厚玻化微珠保溫砂漿層中溫度變化接近2℃，表明玻化微珠保溫砂漿有效地阻隔了相鄰戶間熱量通過樓地面的傳遞。

圖9 相鄰戶間采暖Unit-A、Unit-B樓地面各層材料溫度對比圖

由圖10可以得知，當相鄰住戶采暖時，鄰戶間溫差取2℃，即7層室內溫度取16℃，8層室內溫度取18℃時，樓地面表面溫度分別為16.662℃和17.338℃，室內空氣與樓地面表面的溫差均為0.662℃。

由圖11可知，當相鄰住戶采暖時，鄰戶間溫差取2℃，即7層室內溫度取16℃，8層室內溫度取18℃時，樓地面表面溫度分別為16.284℃和17.716℃，室內空氣與樓地面表面的溫差均為0.284℃。

對比圖10和圖11中Unit-A、Unit-B樓地面溫度場云圖可以得出，Unit-B樓地面下表面溫度較Unit-A樓地面下表面的溫度低，表明玻化微珠整體式保溫隔熱樓地面的保溫層有效地阻隔下層低溫向室內傳遞。相應Unit-B樓地面上表面溫度高于Unit-A樓地面上表面溫度，表明玻化微珠整體式保溫隔熱樓地面保溫層有效地阻隔室內高溫向下層傳遞。

2.3.2 相鄰住戶不采暖時樓地面穩態傳熱分析

圖10 相鄰戶間采暖Unit-A樓地面溫度場云圖

圖11 相鄰戶間采暖Unit-B樓地面溫度場云圖

當鄰戶間不采暖時，室內溫度分別取5℃和18℃，鄰戶間的溫差為13℃，室內樓地面對流換熱系數取8.6W／（m2·K），相鄰戶樓地面對流換熱系數取8.6 W／（m2·K）[4]。Unit-A、Unit-B相鄰戶間不采暖時樓地面穩態傳熱分析的溫度沿樓板厚度的路徑映射圖和溫度場云圖如圖12、圖13、圖15和圖16所示。

圖12 相鄰戶間不采暖Unit-A樓地面溫度路徑圖

圖13 相鄰戶間不采暖Unit-B樓地面溫度路徑圖

當相鄰住戶不采暖時，由圖12可以得出，由下到上溫度梯度分別是：0.7cm水泥砂漿層溫度變化梯度為0.31℃／cm；10cm混凝土樓板層的溫度梯度為0.22℃／cm；5cm水泥砂漿溫度梯度為0.40℃／cm。

由圖13可以得出，由下到上溫度梯度分別是：7 cm水泥砂漿層溫度變化梯度為0.31℃／cm；10cm混凝土樓板層的溫度梯度為0.18℃／cm；3cm玻化微珠保溫砂漿層的溫度梯度為2.61℃／cm；2cm水泥砂漿溫度梯度為0.28℃／cm。

根據圖12和圖13相鄰戶間不采暖時Unit-A、Unit-B的樓地面溫度路徑圖可以得出如圖14所示Unit-A、Unit-B的樓地面各層材料溫度對比圖。

圖14可得出，Unit-B中各層材料的溫度均低于Unit-A中各層材料的溫度，且對應各材料的溫度梯度也較Unit-A中各層材料小；3cm厚玻化微珠保溫砂漿層中溫度變化大于5℃，表明當相鄰戶有一戶不采暖時，玻化微珠保溫砂漿有效地阻隔了通過樓地面相鄰戶間熱量的傳遞。

圖14 相鄰戶間不采暖Unit-A、Unit-B樓地面各層材料溫度對比圖

由圖15可以得知，當相鄰住戶不采暖時，鄰戶間溫差為13℃，即7層室內溫度取5℃，8層室內溫度取18℃時，樓地面表面溫度分別為9.303℃和13.697℃，室內空氣與樓地面表面的溫差均為4.303℃。

圖15 相鄰戶間不采暖Unit-A樓地面溫度場云圖

由圖16可得，當相鄰戶間不采暖時，鄰戶間溫差為13℃，即7層室內溫度取5℃，8層室內溫度取18℃時，樓地面表面溫度分別為6.846℃和16.154℃，室內空氣與樓地面表面的溫差均為1.846℃。

對比圖15和圖16中Unit-A、Unit-B樓地面溫度場云圖可以得出，當相鄰住戶間不采暖時，采用玻化微珠保溫砂漿整體式保溫隔熱建筑可以有效地降低相鄰戶間熱量的散失，有效提高其保溫性能，更好地實現分戶計量和分室控溫。

圖16 相鄰戶間不采暖Unit-B樓地面溫度場云圖

3 結論

通過對50節能建筑和玻化微珠整體式保溫隔熱建筑的保溫隔熱性能的分析，得出以下結論：

1）采用玻化微珠整體式保溫隔熱建筑可以有效地降低玻化微珠砂漿保溫層的溫度集中現象，有利于保溫層材料的耐久性。

2）采用玻化微珠整體式保溫隔熱建筑可以有效地保護主體結構免受溫度波動的影響，對結構層的耐久性起到有利的影響。

3）對建筑外墻而言，玻化微珠整體式保溫隔熱外墻的復合保溫形式有效地阻隔外界低溫向室內傳遞，玻化微珠整體式保溫隔熱外墻的復合保溫形式有效地阻隔室內高溫向室外傳遞。

4）對樓地面而言，當相鄰戶有一戶不采暖時，玻化微珠保溫砂漿可有效地阻隔通過樓地面相鄰戶間熱量的傳遞，可有效地阻隔室內高溫向下層傳遞，阻隔下層低溫向室內傳遞。

5）采用玻化微珠保溫砂漿整體式保溫隔熱建筑的保溫層可以有效降低外界和相鄰戶間熱量的傳遞，有利于實施分戶計量和分室控溫。

總之，綠色城市、低碳社會的理念對每一個城市規劃從業者提出了更高更細的要求，研究并推廣玻化微珠保溫砂漿整體式保溫隔熱建筑只是我們小小的一步。大力推進綠色建筑產業化發展，形成高效合理的綠色建筑產業鏈，方能讓我們規劃綠色低碳的中國夢早日實現。

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