建筑外墻節能設計及其數值模擬

楊景喬

北京麗貝亞建筑設計研究院有限公司，北京100043

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建筑外墻節能設計及其數值模擬

楊景喬

北京麗貝亞建筑設計研究院有限公司，北京100043

摘要：建筑物中外墻占據了很大的比例，所以外墻設計是建筑節能設計中最為重要的一個環節。本文首先簡單介紹了建筑節能的概念及建筑節能技術，對外墻外節能技術進行了詳細的分析。外墻外保溫措施主要從外墻外、外墻內、內外混合三個方面入手。最后，以具體的實例對外墻外節能設計中的熱工參數給出了詳細的數值模擬。

關鍵詞：建筑節能；外墻設計；熱工參數；數值模擬

隨著世界的進步社會的發展，不可再生的能源（石油、天然氣、煤炭等）的總量越來越少，消耗量在逐漸上升，人類不得不面對這一嚴峻的問題。而在當今的各行各業中，建筑行業屬于耗能量較大的產業，耗能量為總耗能量的三分之一，實行建筑節能措施，能夠促進社會經濟發展，將大氣污染減小，改善居住的熱環境。因此建筑節能成為了當今世界建筑行業中的熱點研究項目，是衡量各國建筑技術的一項指標，是建筑行業可持續發展戰略中的重要組成部分。建筑耗能通常指的是建筑物在運行過程中造成的能源損耗，包括給水、照明、電器、電梯、取暖、通風等［1］。世界上各發達國家在建筑規范中明確了建筑節能的要求，并且隨著建筑行業的不斷發展不斷地對建筑標準進行修改和完善，對建筑節能的要求也越來越高。如法國分別在1978年、1982年、1989年，將建筑采暖的能耗要求降低了25%。美國和丹麥在建筑節能上也做出了顯著的成效。從20世界80年代開始，我國開始著手于建筑節能，經過多年的發展，各省市都制定出了相關的節能準則。我國在《建筑節能‘九五’和2010年規劃》中將建筑節能劃分為三個階段：1、基于1980～1981年耗能量，1996年以前節能30%；2、基于第一階段的耗能量，2005年以前節能30%；3、基于第二階段，2005年之后節能30%。

1　建筑節能設計簡介

1.1建筑節能概念

建筑節能這一說法出現于1973年世界石油危機之后，按發展時間先后經歷了三個不同的階段：①建筑節能，即Energy saving in buildings；②建筑中保持能源，即Energy conservation in buildings，意在將建筑中的能源消耗降到最少；③建筑中能源利用率的提升，即Energy efficiency in buildings，區別與傳統的消極節省建筑中的能源，轉而積極地尋求提高能源利用率的方法。我國仍然采用建筑節能這一說法，但是含義采用的是第三個階段的含義，即合理規劃利用建筑能源，持續將建筑能源的利用效率擴大化。

我國對建筑節能范疇的定義經過了兩個階段。最初的階段中，國內的說法是建筑耗能從建筑施工開始算起，一直到建筑物使用報廢的階段，建筑物在這個過程中的總耗能，其中包括了建筑材料制造過程中的耗能，建筑物在運營過程中的耗能。然而這種說法與國際上通用的說法不同。為了與國際上保持一致，我國將建筑節能范疇的定義取與發達國家一致的說法，即第二階段。建筑節能的范圍應當僅僅包含建筑物在為居民使用的過程中所消耗的能源。建筑行業耗能量很大，與工業、交通業、農業同屬于民生能源消耗，占總能耗比例很大。所以施行建筑節能措施，對社會、國家、人類發展具有重要意義。

1.2建筑節能設計

建筑節能設計的實現主要從兩個方面入手：一是在空調暖氣等熱源、風熱的輸送管道等方面上尋找節能的方法，即最近這些年熱門的通風、空調、取暖節能研究；二是對建筑物的外圍結構進行某些優化設計提高外圍與外界環境之間的隔離效果，起到保溫效果，即建筑及其熱工節能研究。

1.2.1門窗的節能設計門窗的能源消耗占建筑物能源消耗的50%，因此，在保證門窗基礎的通風、采光的功能下，盡最大可能增強門窗的密閉性，減少門窗洞口的數量與面積，提高保溫效果。門窗的節能設計主要從建筑結構和玻璃兩方面入手。

1.2.2屋面保溫設計在地理位置處于夏熱冬冷的地區，常常采用屋面保溫的設計來達到節約能源的目的。傳統建筑中采用的小型架空鋼筋混凝土板來進行隔熱，鋼筋混凝土板有2500 kg/m3的密度，導致系數達到1.74 W/m·K。改用新型的EPU復合板，單位平方米能夠承受0.84 kN的載荷，導熱系數更是降低到0.14 W/m·K，大大提高了建筑物的防水隔熱效果。

1.2.3外墻保溫節能設計建筑物外圍結構的主要表現形式為外墻，因此外墻的隔熱保溫效果對建筑物的節能設計來講非常重要。我國傳統的建筑業中采用的是實心黏土來實現保溫，保溫性能達不到目前施行的相關條例的要求。外墻的保溫措施通常從外墻內、外墻外、外墻內外結合三個方面入手［2］。標準是點狀建筑物體形系數小于等于0.40，條形建筑物的體形系數要小于等于0.35，傳熱系數在1.5 W/m2·K以內。

2　外墻節能設計

外墻節能通常由隔熱效果較好的材料來實現，冬天能夠保證建筑物內部的溫度損耗最少，夏天能保證外部環境的溫度對建筑物內部造成最少的影響，減少了能源消耗的同時，將空調等熱源設備對空氣造成的影響也降到最低，進而完成現代社會對建筑節能的要求。外墻保溫技術中，將一些符合材料粘黏在一起以達到隔熱作用。目前，外墻保溫技術已經實現了保溫材料生產的流水線化，接著將材料輸送到施工工地，按照不同的設計及施工要求進行施工。施工要求不僅僅包括隔熱節能功能，還有其他的如抗裂、美觀、防滲等功能要求。

外墻節能保溫設計簡單來講，就是將隔熱保溫材料運用到外墻的不同位置中來完成建筑節能設計中外墻的設計，由前文可知，外墻保溫技術由外墻外保溫技術，外墻內保溫技術以及外墻內外混合保溫技術三種類型。

2.1外墻保溫技術

2.1.1外墻外保溫技術外墻外保溫技術已經被大范圍的應用到建筑業中。在外墻的外層建立保溫層，保溫層由隔熱保溫材料組成，這種設計能夠在維持建筑物質量和穩定的同時滿足隔離保溫的節能要求。保溫層通常采用各種類的復合材料，常用的材料有玻璃棉、絨面、礦棉，以及由陶粒混凝土與聚苯的復合材料、改性酚醛材料、改性聚氨酯材料組成的保溫板來形成保溫層，其中，改性聚苯保溫板的隔熱保溫效果很好。外墻外技能技術的提高能夠增強外墻的抗裂性能以及溫差抗性，從而提高外墻的使用壽命。外墻外保溫技術不僅可以用于節能建筑物的施工階段，還可以用于舊建筑物的維修和性能提高，很大程度上促進了建筑業的發展［3］。

2.1.2外墻內保溫技術外墻內保溫技術的保溫層嵌在建筑外墻的內側，與外墻外保溫技術的保溫層不同的是，外墻內測保溫層是通過使保溫材料發生化學反應來達到保溫效果的。保溫材料通常采用加氣混凝土塊，將脫脂鋁粉加入混凝土漿料中，在強堿環境下，混凝土漿料發生化學反應，其中產生的氫氣在混凝土漿料中形成大量氣泡并保存在凝固的混凝土中。圖1位常見的六種加氣混凝土砌塊的形狀與規格。

圖1　加氣混凝土砌塊常見規格Fig.1 The common sizes of aerated concrete blocks

外墻內側保溫技術中，例如加氣混凝土塊的材料占據了墻體結構較大的空間，令外墻結構的穩定性、美觀性都大大下降，在建筑物內外溫差過大的時候，還會出現結露現象，所以外墻內保溫技術還需要進行進一步的研究提高。

2.1.3外墻內外混合保溫技術外墻內外混合保溫技術將前兩種保溫技術融合起來，在建筑物外墻的內外側都進行保溫措施。但是這種技術的應用成本較高，并且需要做大量的施工工作，內外的保溫功能重復，若要將保溫功能最大化，需要進行復雜的設計計算。對建筑物的使用者來說，建筑物內部的使用空間變小，對生活影響較大。所以這種技術的應用并不是很廣泛，跟外墻內側保溫技術一樣需要進一步的研究提高。

2.2外墻保溫技術的質量控制

2.2.1抹灰時刻質量控制的方法在施工階段進行到后期的時候，墻面需要進行抹灰。在抹灰過程中，當沒有對墻體外側的保溫層進行質量控制，以及抹灰結束之后的墻面的維護工作沒有做到位的時候，強光、外界環境等所帶來的墻體內外溫差會影響到墻體的功能及穩定，嚴重的會造成保護層發生開裂破壞，造成墻體的質量問題。

為了避免抹灰時候出現上述問題，有以下兩種方法：①在設計階段的時候，應當將應力的柔性釋放、墻體各層的漸變等各種設計理念考慮進去，在抹灰工作順利進行的同時保溫層的混合材料能夠分布均勻，能夠滿足保溫層對使用壽命及韌性的要求；②在抹灰的時候，保證保溫層中涂料的膩子彈性足夠小，涂料彈性足夠大，將混凝土漿料完全嵌入保溫層中與之切合，這樣可以保證抹灰結束之后墻面裂縫的產生。

2.2.2裝飾磚裝飾轉常常用在建筑工程后期的裝修過程中，功能是裝飾與保溫。由于裝飾磚常常用在聚苯板保溫層的外面，因此在使用裝飾轉的時候，容易出現下面的問題：①從功能性來講，裝飾磚與聚苯板材料接觸的時候，會施加一個橫向作用的力，導致接觸的聚苯板材料發生變形開裂等問題，影響聚苯板材料正常的保溫功能；②從載荷承受方面進行分析，裝飾磚并不能與聚苯板材料完全貼合，在聚苯板材料外面直接貼裝飾磚的話，會導致聚苯板外部所承受的重力過大而發生脫落現象；③從防火安全來看，在將裝飾磚與聚苯板材料進行粘貼的時候，由于聚苯板燃點低，容易起火，導致墻外的裝飾磚發生脫落而墜下，威脅行人的身體安全，所以首先需要考慮二者的防火措施［4］。

3　外墻保溫的數值模擬計算

在建筑節能設計中，外墻節能設計中多采用保溫層，保溫層常采用的是聚苯板、改性酚醛材料、改性聚氨酯材料等復合材料。而傳統建筑中通常采用空間新、黏土磚、加氣混凝土砌塊等性質單一的材料。相比于節能復合材料，單一材料的導熱系數要大20多倍，大大超出了對材料的節能要求。因此，在建筑行業的節能設計中，不斷尋找與研究隔熱保溫材料是眾多研究人員的工作重心。我國的建筑結構通常以鋼筋混凝土或者磚混作為結構主體，這種結構具有熱容量較高、墻體厚重等特點，使用外墻外保溫，能夠提高建筑物的熱穩定性，適用于居民居住。從建筑學上來講，外墻外保溫技術施行方便，成本較低，不占建筑物內部面積，能夠減少建筑熱橋情況的發生，墻面在環境驟冷的時候結露現象大大減少；能夠減小因溫度墻體所產生的應力，保護墻的主體結構，增強墻體的使用壽命。在發達國家，外墻外保溫已經占據了建筑節能的大部分市場，我國也在大力地推廣外墻外技術的應用。

按照最冷月和最熱月的平均溫度為主要指標，我國的建筑熱工設計將全國劃分為溫和、夏熱冬暖、夏熱冬冷、寒冷、嚴寒五個地區。本文以夏熱冬冷地區——江蘇地區2010年新建的某小區住宅中A3戶型的設計為例，該建筑物施工的時候采用的是黏土磚，保溫層材料選擇的是聚苯乙烯保溫板，如下圖2所示。以此為例來進行建筑節能設計外墻外保溫的數值分析。

圖2　A3戶型的設計圖Fig.2 The design for A3 apartment

3.1墻體材料參數計算

在該住宅中用到的材料有鋼筋混凝土、抗裂砂漿、黏土磚、內側的混合砂漿（石灰與水泥混合）、保溫層的聚苯乙烯復合板。對這些材料的導熱系數分別進行計算，可得到如下結果：

鋼筋混凝土：導熱系數K1=1.74 W/m·K；

抗裂砂漿：導熱系數K2=0.93 W/m·K；

黏土磚：導熱系數K3=0.81 W/m·K，厚度為25 mm；

混合砂漿：導熱系數K4=0.87 W/m·K，厚度為20 mm；

聚苯乙烯：導熱系數K5=1.1×0.059=0.065 W/m·K，厚度為30 mm。

3.2建筑參數計算

令外墻的均傳熱系數為λm，則有：

令外墻主體部分的面積為Fp，傳熱系數為λp，有：

上式中，F表示傳熱面積，單位為m2；λ表示傳熱系數，單位為W/m2·K；R表示外墻的主體的熱阻，單位為m2·K/W。

外墻部分中出現熱橋現象區域的面積FB1、FB2、FB3為：

FB1=3.56×0.24+2.94×0.24=2.66 m2

FB2=3.56×0.3=1.068 m2

FB3=2.3×0.3+4.04×0.1=1.094 m2

熱橋現象區域的傳熱系數KB1、KB2、KB3為：

通過建筑工程的實際測量計算，當條形建筑物體型系數為0.35時，外墻傳熱系數為1.5 W/m2·K。外墻主體黏土磚的厚度為25 mm且外墻外的保溫層的聚苯乙烯板厚度為30 mm的時候，墻體的傳熱系數為1.272 W/m2·K，1.272＜1.5，故該住宅的建筑墻體能夠滿足節能規范。

在建筑節能設計外墻設計中，除了墻體的熱工數值，材料的熱惰性能、濕度、溫度也是能夠影響建筑物的節能效果。材料的熱惰性能對建筑物內部的舒適程度以及熱穩定性有著直接的影響。溫度和濕度則決定了材料的質量，保存不當材料會因為受潮而引起保溫效果大大降低，嚴重的會影響建筑物壽命。所以在建筑物的節能設計中，應當將這些因素同時考慮進去。

4　結語

建筑節能設計中外墻設計主要從外墻外保溫、外墻內保溫以及外墻內外混合保溫三個方面入手。目前運用最多的技術是外墻外保溫，在外墻外添加隔熱材料所構成的保溫層。本文以某住宅小區的戶型為例，對外墻外保溫的應用進行了數值模擬分析研究。我國的建筑節能設計還處于發展階段，應當吸取國外多種類的外墻外保溫技術來充實和發展我國的節能設計。

參考文獻

［1］龍恩深.建筑能耗基因理論與建筑節能實踐［M］.北京：科學出版社，2009：10

［2］李程.建筑節能設計中的外墻保溫技術分析［J］.科技展望，2016（7）：183

［3］楊翳緋.建筑外墻保溫在建筑節能中技術運用的分析探討［J］.內蒙占科技與經濟，2014（3）：129-131

［4］李剛.淺析建筑外墻保溫節能技術在建筑施工中的應用［J］.建筑·建材·裝飾，2015（5）：4

Energy-saving Design for Exterior Walls of a Building and Numerical Simulation

YANG Jing-qiao

LIBEIYAArchitectral Design and Research Institute CO.，LTD，Beijing 100043，China

Abstract：The exterior walls occupy a large proportion in a building，so the design for exterior wall is the most important aspect in the energy conservation of building design.This paper introduced the concept of building energy conservation and building energy-efficient technologies firstly and then it was analyzed in detail. The exterior insulation measures contained the outside，inside and the mix of inside and outside. Finally，the thermal parameters of the external wall energy-saving design in the specific example were given the numerical simulation in detail.

Keywords：Energy conservation of building；the design of exterior wall；thermal parameters；numerical simulation

中圖法分類號：TU201.5

文獻標識碼：A

文章編號：1000-2324（2016）03-0432-05

收稿日期：2015-01-12修回日期：2015-03-18

作者簡介：楊景喬（1984-），女，重慶人，碩士，主要研究方向為風景園林規劃設計、建筑設計. E-mail：ivy01_1110@sina.com