保溫層對墻體保溫效果的影響★

楊 晨 廖紹凱 莊偉晨 張婷婷 鄭芷倩

(嘉興學院建筑工程學院，浙江嘉興 314001)

0 引言

隨著我國建筑節能研究的不斷深入，建筑外墻節能保溫事業也越來越受到關注。在我國的建筑能耗已占全國總能耗的27.8%，而且這個比例正在迅速上升，必將同發達國家一樣達到35%左右。另一方面，我國建筑節能現況與發達國家又相差甚遠，我國單位建筑面積的能耗是發達國家的2倍～3倍［1，2］，其中外墻熱損失占據了很大份額，所以建筑節能的重點應是外墻節能技術［3］。

建筑熱環境的優劣，與圍護結構的保溫隔熱性能的高低密切相關。而對于多層建筑，外墻面積一般約占圍護結構總面積的66%以上，在高層和超高層建筑中，此比例更將大幅提高，可見墻體是圍護結構的重要組成部分，是室內外傳熱的重要橋梁。因此，墻體節能設計是降低建筑使用能耗的重要途徑［4，5］。

建筑墻體傳熱是一個復雜的非穩態過程，從目前國內外研究現狀可以看出，很多文獻研究了當各個因素(如:基層墻體材料和尺寸變化［6］、氣候［7］、外墻朝向［8，9］、墻體保溫形式(內保溫、夾心保溫和外保溫)［10，11］、外墻表面顏色以及空調運行方式［12］)單獨作用時，對墻體的溫度場分布［13，14］的影響，分析了復合墻體的傳熱傳濕特性及保溫效果，但甚少涉及保溫層熱物理性能參數變化對墻體保溫效果的影響。

在我國建筑節能法規、標準的推動下，我國墻體保溫技術發展勢頭迅猛，保溫材料產業也空前繁榮。然而目前國內墻體保溫技術尚處基礎研發階段，如何將保溫材料置于主體圍護結構上(包括內保溫、夾心保溫和外保溫)，解決冬夏兩季室內外溫差大而造成的能源損失問題，以達到保溫隔熱的目的，而且還能保護建筑物的主體結構，延長建筑物的使用壽命，代表了節能保溫技術的發展方向。

為此，本文通過墻體傳熱的理論模型和有限元仿真技術，模擬了穩態條件下各類墻體溫度場分布。即通過建立模型描述保溫層(包括位置、厚度和熱物理參數的變化)對墻體保溫系統溫度場的影響，進而得到既滿足保溫要求又經濟的墻體保溫構造。

1 墻體傳熱的理論模型

眾所周知，墻體的保溫系統可以簡化成由基層墻體、保溫層和飾面層組成，室外空氣的溫度經過保溫系統傳入到室內的途徑如圖1所示。

圖1 墻體穩態導熱模型

墻體穩態溫度場傳播的模型可以用傅里葉導熱定律來模擬，其導熱原理類似于歐姆定律，即熱流量Q相當于電流;溫差ΔT相當于電位差;溫差與熱流量之比可稱為熱阻R。對于墻體保溫體系而言，溫差 ΔT=T外－T內，熱阻其中，A為墻體面積;α1，α2分別為室外和室內熱交換系數;δ，λ分別為保溫體系中各層的厚度和導熱系數。

本文將基于上述穩態溫度場模型，采用ANSYS有限元軟件對墻體保溫體系的溫度場進行仿真分析，分別仿真模擬了保溫層位置的變化，厚度以及導熱系數對墻體溫度場的影響，以探索最佳的保溫措施。

2 墻體傳熱仿真計算

本文采用ANSYS有限元軟件按如圖1所示的墻體保溫體系進行仿真建模，具體的模型參數在以下各小結中詳細給出，單元均采用平面單元Plane55，仿真分析結果如下各小結。

2.1 保溫層位置變化對溫度場的影響

本節考慮保溫層的位置排布對墻體保溫體系溫度場的影響，現分析三種情形:外墻外保溫體系(保溫層在基層墻體的外側)、外墻夾心保溫體系(保溫層夾在基層墻體中間)以及外墻內保溫體系(保溫層在基層墻體內側)，具體建模參數和熱物理參數如表1所示。

表1 保溫體系模型參數

分別對上述三種保溫體系進行了夏季和冬季穩態溫度場仿真模擬，沿著厚度方向取各點的溫度值匯總進行比較，如圖2所示。

圖2 三種保溫體系沿厚度方向的溫度場

在墻體保溫系統中，保溫層內溫度變化幅度較大，基層墻體內溫度變化特征明顯不同，結構穩態溫度場分布與保溫形式密切相關，內保溫墻體沿厚度的溫度變化早于夾心保溫墻體沿厚度的溫度變化，夾心保溫墻體沿厚度的溫度變化早于外保溫墻體沿厚度的溫度變化。其次，當墻體內外溫差較大時，由于熱脹冷縮墻體會產生變形，根據冬夏季保溫體系仿真結果可知，對于內保溫墻體和夾心保溫墻體，冬夏墻體的溫差達到近40℃，因此變形發生在基層墻體，對墻體會產生一定程度的破壞，對于外保溫墻體，變形發生在保溫層，可以有效防止和減少墻體的溫度變形，從而有效地提高了主體結構的使用壽命。因此，通過理論分析外墻外保溫更具有推廣意義。

2.2 保溫層厚度變化對溫度場的影響

通過前面的分析得到外墻外保溫系統具有較好的熱穩定性，因此本文采用外墻外保溫體系進行下一步研究，在此考慮保溫層厚度對外墻外保溫系統的溫度場的影響。外墻外保溫系統的有限元仿真模型同2.1節中的參數，僅改變保溫層的厚度，本文計算了夏季的四種厚度 d 的情況，分別為0.04 m，0.09 m，0.15 m 和0.18 m。圖3為保溫層厚度變化下墻體沿厚度方向上的溫度場分布。

圖3 保溫層厚度變化時墻體的溫度場

通過以上溫度隨厚度變化的趨勢，可以看出:隨著保溫層厚度增加，保溫體系的熱阻也在增加，由于室內外空氣溫差保持恒定，因此通過體系的熱流量在減少，進而導致室內溫度經熱交換傳入墻體內壁的溫差在逐漸減少，墻體外側的變化也如此;其次，保溫層厚度越大基層墻體沿厚度的溫度上升變化越小，保溫效果越好，厚度為0.09 m時，其溫差不到1℃，因此，從經濟綜合效益來考慮，取厚度為0.09 m的保溫層進行設計，能達到較好的保溫效果。

2.3 保溫層導熱系數對溫度場的影響

本節考慮保溫層導熱系數對外墻外保溫系統的溫度場的影響。外墻外保溫系統的有限元仿真模型同2.1節中的參數，僅改變保溫層的導熱系數的變化，本文計算了夏季的四種導熱系數的情況，分別為0.04 W/(m·K)，0.1 W/(m·K)，1 W/(m·K)和10 W/(m·K)。圖4為保溫層導熱系數變化下墻體沿厚度方向上的溫度場分布。

圖4 保溫層導熱系數變化時墻體的溫度場

通過以上溫度隨厚度變化的趨勢，可以看出:隨著保溫層導熱系數的增加，保溫體系的熱阻在減少，由于室內外空氣溫差保持恒定，因此通過體系的熱流量在增加，進而導致室內溫度經熱交換傳入墻體內壁的溫差在逐漸增加，墻體外側的變化也如此;其次，對于外墻外保溫墻體，墻體沿厚度的溫度變化從室內到室外逐漸上升，保溫層導熱系數越大，墻體沿厚度的溫度上升變化越快，當保溫層材料導熱系數小于0.1時，基層墻體的溫差較小，基本保持穩定;當導熱系數大于1時，基層墻體的溫度變化較大，整個保溫體系基本呈線性變化。

3 結語

本文通過墻體傳熱的理論模型和有限元仿真技術，模擬了穩態條件下各類墻體溫度場分布。即通過建立模型描述保溫層(包括位置、厚度和熱物理參數的變化)對墻體保溫系統溫度場的影響，通過對不同墻體的結構分析，可得出如下結論:

1)外墻外保溫既能保護墻體，又有很好的熱穩定性，更具有推廣意義。

2)綜合考慮保溫層厚度引起的保溫效果及資金投入，保溫層厚度為0.09 m時基本能滿足保溫要求。

3)墻體沿厚度的溫度變化從室內到室外逐漸上升，保溫層導熱系數越大，墻體沿厚度的溫度上升變化越快，當保溫層導熱系數大于1時，保溫系統的溫度變化接近正比關系，小于0.1時，基層墻體的溫差較小，能較好的保護墻體。

［1］蔡大風.杭州地區居住建筑墻體節能設計研究［D］.杭州：浙江大學學位論文，2004.

［2］溫念珊.湖南地區建筑外墻外保溫體系設計方法研究［D］.長沙：湖南大學學位論文，2006.

［3］張繼媛，張聯英，王灃浩.外墻保溫技術的研究現狀和發展趨勢［J］.建筑技能，2010(38)：71-77.

［4］沈 正，王新榮.墻體自保溫技術的應用現狀及發展前景［J］.墻材革新與建筑節能，2010(5)：21-22.

［5］楊子江.夏熱冬冷地區村鎮住宅建筑節能探索［J］.工業建筑，2005(7)：45-46.

［6］楊 藝，鄧啟紅，時冰冰，等.建筑墻體的延時與削弱作用［J］.建筑熱能通風空調，2005(4)：66-70.

［7］張 君，高 原，黃振利.考慮太陽輻射的保溫墻體溫度場溫度應力及其計算軟件［J］.工業建筑，2009(39)：162-167.

［8］Asan H.Effect of wall’s insulation thickness and position on time lag and decrement factor［J］.Energy and Building，1998(28)：299-305.

［9］Kontoleon K J，Eumorfopoulou E A.The influence of wall orientation and exterior surface solar absorptivity on time lag and decrement factor in the Greek region［J］.Renewable Energy，2008(33)：1652-1664.

［10］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，2008(35)：31-34.

［11］張 君，黃振利，李志歡，等.不同保溫形式墻體溫度場數值模擬與分析［J］.哈爾濱工程大學學報，2009(12)：1356-1365.

［12］葉國棟，華 貴，胡文斌.夏熱冬冷地區墻體保溫對高層住宅空調消耗的影響分析［J］.新型建筑材料，2004(4)：41-44.

［13］杜艷新，郭海豐，陳 萍，等.建筑墻體保溫的節能分析［J］.節能，2005(8)：31-33.

［14］尚建麗，王 茜，武 強，等.外墻保溫體系的溫度場及耐候性研究［J］.新型建筑材料，2009(10)：36-38.