浙西農村地區建筑外墻保溫措施的適用性分析

(浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310023)

截至2010年，建筑能耗已占全球總能源使用量的32%，且仍呈現不斷增長的趨勢，降低建筑能耗是建筑行業可持續發展的關鍵[1]。在中國，農村建筑面積占全國總建筑面積的41.1%[2]，并且農村建筑能源利用率普遍較低。龔敏等對既有住宅建筑節能改造措施進行了能耗分析，證實節能改造措施有助于提高節能效果[3]。建筑墻體的能量損失占建筑圍護結構總能量損失的60%～70%，因此墻體節能技術對于改善建筑圍護結構的能耗起著關鍵作用[4]。墻體節能保溫體系中適用于既有農村建筑的有外墻外保溫和外墻內保溫兩種。近年來，?；⒅楸厣皾{作為防火耐老化性好、強度高、無毒性的無機保溫材料，在外墻保溫系統中具有優異的綜合性能[5]。Walker等實地測量了歷史建筑材料的熱工性能，結果發現歷史建筑墻體的保溫效果隨時間逐漸降低[6]。但目前對保溫材料的研究大多針對其耐久性和耐候性等基本性能[7]，對其保溫性能的衰減性研究較少。由于使用環境的影響，外墻外保溫與外墻內保溫的性能衰減存在明顯差異[8]。因此，在考慮保溫性能衰減的情況下結合經濟效益，分析外墻內外保溫系統的綜合性能差異性對農村地區建筑節能改造有著重要的意義。

筆者以浙西地區杭州市淳安縣既有農村建筑為例，使用Matlab軟件開發了有限差分數值模擬，計算墻體的熱損失。根據對墻體傳熱系數衰減的假設并結合經濟效益，使用有限差分數值模擬，研究墻體內外保溫系統性能隨時間衰減對建筑能耗的影響，分析冬季采暖和夏季制冷時外墻內外保溫的節能效果的差異性。

1 數值模擬

1.1 基本理論

假設外墻傳熱是沿x方向(從外墻的內表面到外表面)的一維傳熱，并且傳熱與時間有關，則一維瞬態熱傳導方程為

(1)

式中：ρ為材料密度；C為材料比熱；T為墻體在x處的溫度；k為材料導熱系數；t為時間；x為距墻體內表面的距離。利用Matlab中的pdepe函數，可用離散的數值解作為上式連續偏微分方程近似解求解方程。

1.2 數據參照

根據《民用建筑熱工設計規范》(GB 50176—2016)的規定[9]，以最熱月(七月)和最冷月(一月)平均氣溫作為氣候分區的主要指標。我國將氣候劃分為五個建筑氣候區：嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、溫和地區和夏熱冬暖地區。浙西包括金華、衢州、嚴州等地，正屬于夏熱冬冷地區(最冷月平均溫度滿足0～10 ℃，最熱月平均溫度滿足25～30 ℃)。因此根據《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》(JGJ 134—2010)[10]分別設定冬季室內溫度為Tg1=18 ℃和夏季室內溫度為Tg1=26 ℃。

室外溫度選取浙江省杭州市淳安縣作為本次研究的數據調查點，對其近十年的氣溫數據(數據來源于淳安縣氣象局)進行分析和篩選，并從中選出最熱的一年，按照《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》采暖期和制冷季計算期規定，選取2013年12月1日至次年2月28日和當年6月15日至8月31日每天的逐時氣溫數據用于假設冬季和夏季室外溫度Tg2在24 h內的變化。

將每個數據點轉化為秒，并利用Matlab的polyfit函數對其進行擬合，得出和時間相關的溫度函數(圖1)。根據擬合曲線的相關系數，最終確定溫度函數的最佳擬合方式為六次多項式，用于定義變量Tg2，為了保證精度，在Matlab中保留小數點后14 位。六次多項式為

Tg2=p1t6+p2t5+p3t4+p4t3+p5t2+p6t+p7

(2)

圖1 淳安縣夏季和冬季24 h溫度變化曲線

1.3 邊界條件

筆者所研究的是一維熱傳導問題，墻體內部無熱源。因為墻體直接接觸的是空氣，所以確定邊界條件時要考慮空氣的對流和輻射。物體表面向外的傳熱速率總和為

(3)

式中：T為物體的絕對溫度，K；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；ε為表面輻射系數，其值在0和1之間，由物體表面性質決定；A是與熱流方向相垂直的墻壁的面積，對于平壁，A是與x無關的常數。因此，熱流密度為

(4)

屬于第二類邊界條件，即Neumann問題

(5)

所以邊界條件為

(6)

式中：對流換熱系數α=10 W/(m2·K)，斯忒藩-玻爾茲曼常數σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；表面輻射系數ε=1。

故初始邊界條件(墻體內表面邊界條件)為

(7)

結束邊界條件(墻體外表面邊界條件)為

(8)

2 墻體材料熱工性能衰減假設

2.1 外墻保溫材料熱工性能

通過對浙西地區農村建筑情況的調查，農村住宅改造過程中外墻改造工程的一般做法為20 mm石灰水泥砂漿外抹面+240 mm實心黏土磚墻+20 mm石灰水泥砂漿內抹面，幾乎沒有考慮和采取有效的保溫措施。主要原因在于：1)保溫節能材料的價格比一般建筑材料要高，出于經濟方面考慮而忽略保溫環節；2)村民們的節能環保意識薄弱。

考慮到?；⒅楸厣皾{優異的綜合性能，為了達到50%的節能標準，擬采用玻化微珠保溫砂漿作為保溫材料。根據《農村居住建筑節能設計標準》(GB/T 50824—2013)[11]規定，并為了方便分析經濟效益，保溫砂漿的厚度一致設為30 mm，外墻內外保溫系統飾面層擬用20 mm的混合砂漿代替計算，詳細構造：1)外保溫系統為20 mm混合砂漿+240 mm實心黏土磚墻+30 mm?；⒅楸厣皾{+20 mm混合砂漿抹灰；2)內保溫系統為20 mm混合砂漿+30 mm?；⒅楸厣皾{+240 mm實心黏土磚墻+20 mm混合砂漿抹灰。構造做法如圖2所示。材料熱工性能參考《民用建筑熱工設計規范》(GB 50176—2016)[9]，如表1所示。

圖2 外墻保溫系統構造圖

表1 保溫材料熱工性能

2.2 衰減假設

外墻外保溫材料的保溫性能隨著建筑使用時間的增加而逐漸失效，最顯著的標志為材料的導熱系數隨之增加[8]。通過各種老化實驗表明：相變熱和濕傳導對保溫材料熱工參數影響較大[12]。由于室內外保溫的使用環境不同，室外的相對濕度要遠高于室內，熱相變和濕傳導對外墻內保溫性能的影響要比外墻外保溫小得多，故外墻內保溫性能衰減要更為緩慢。在正常使用條件下?；⒅楸厣皾{的最低使用壽命為40 年，遠高于有機保溫材料。故參考潘志穎等[8]對不同工況的衰減設定以50 年為一個計算周期，墻體外保溫性能每10 年衰減25%。為顯示內外保溫系統保溫性能受環境影響的差異性，假設墻體內保溫性能每10 年降低5%。

3 結果與分析

3.1 能耗結果分析

根據不同保溫系統的性能衰減情況和夏熱冬冷地區的氣候特征，分別考慮供暖期與制冷期的建筑能耗情況。圖3顯示了根據氣象數據和所選標準，農村建筑外墻保溫材料性能隨時間衰減情況與年制冷能耗和年供熱能耗之間的關系。當不考慮保溫材料性能衰減時，內保溫系統的制冷能耗和供熱能耗則都要略高于外保溫系統。在考慮保溫材料性能衰減后，從圖3(a)可知：在50 年的使用年限內，內保溫系統年制冷能耗增長了13.33%，外保溫系統年制冷能耗增長了58.43%。從圖3(b)可知：在50 年的使用年限內，內保溫系統年供熱能耗增長了13.41%，外保溫系統年供熱能耗增長了53.72%。內外保溫系統所需制冷、供熱能耗隨保溫性能的衰減逐漸增大，但外保溫系統的增長幅度遠大于內保溫系統。

圖3 保溫系統年制冷能耗和供熱能耗

通過對不同保溫系統材料性能衰減情況的模擬計算得到的內外保溫系統的建筑年能耗如圖4所示。圖4顯示了建筑能耗與保溫材料性能衰減之間的關系，可以發現：不同保溫系統的建筑能耗隨保溫材料性能的衰減呈增大的趨勢，其中外保溫系統的增大趨勢明顯快于內保溫。在不考慮性能衰減時，外保溫的建筑年能耗略小于內保溫，為內保溫的94.94%；在考慮性能衰減后的第一個10 年內，外保溫的建筑年能耗就已經超過內保溫。在50 年的使用年限內，內保溫系統年能耗增長了13.39%，而外保溫系統年能耗增長了54.75%。內保溫系統年能耗以每10 年0.29%左右的幅度均勻而緩慢增長；外保溫系統能年耗則在第一個10 年時增長了14.7%，之后的增長幅度隨時間逐漸降低，最后一個10 年的僅增長0.54%，年能耗的增長趨勢逐漸平緩。這也表示隨著保溫材料性能衰弱達到一定值，保溫材料性能的衰弱對建筑能耗的影響將微乎其微。

圖4 保溫系統全年供熱和制冷總能耗

3.2 成本結果分析

筆者對?；⒅楸厣皾{保溫系統進行了經濟效益分析，結果見表2。其中，材料成本參照張澤平等[13]對?；⒅楸厣皾{保溫系統的平米造價。運營成本根據調研確定杭州市淳安縣的電費為0.55 元/kWh，并將保溫系統50 年來的年度能耗化算為費用成本。由表2可知：在?；⒅楸厣皾{厚度相同，即材料成本一致的情況下，雖然外墻外保溫系統受氣候環境影響較大而材料性能衰減更為顯著，但是由材料性能衰減造成的能耗差距并不顯著。在50 年的使用年限內，外保溫系統的總運營成本比內保溫系統高16.14%，總造價比內保溫系統高14.48%。最終通過比較可得，因外保溫系統性能衰減造成的能耗更大，外保溫系統的總造價高于內保溫系統。

表2 ?；⒅楸厣皾{保溫系統成本

Table 2 Cost of thermal insulation system of thermal insulation glazed hollow bead mortar單位：元/m2

外墻保溫系統材料成本運營成本總平米造價外墻內保溫68.28598.28666.56外墻外保溫68.28694.83763.11

4 結 論

筆者調查模擬了適用于浙西地區農村住宅的外墻保溫系統的年度供暖和制冷能耗，并根據內外保溫系統受氣候環境影響的差異性分析其保溫性能衰減對建筑能耗的影響。模擬結果表明：由于保溫性能衰減程度不同，不同保溫系統的年均累計供熱能耗和制冷能耗存在差異，在50 年的使用年限內，外保溫系統年能耗增長了54.75%，而內保溫系統年能耗增長了13.39%，內保溫系統隨保溫材料性能衰減而建筑能耗增加的趨勢較外保溫系統更為平緩。在考慮材料性能衰減的情況下，外保溫系統運營成本比內保溫系統高16.14%。通過綜合經濟分析，外保溫系統的總造價比內保溫系統高14.48%，因此，單從外墻方面考慮，在浙西地區外墻內保溫的經濟性和適用性要高于外墻外保溫系統。