基于參數化的墻體外保溫裝飾一體化系統(tǒng)性能優(yōu)化研究*

文/北京工業(yè)大學城市建設學部 王文顥 戎卿文

北京工業(yè)大學城市建設學部 北京市歷史建筑保護工程技術研究中心 戴 儉 李 寧

0 引言

外圍護結構是影響建筑能耗的關鍵，建筑內部的熱量主要通過門窗和墻體散失，其中通過墻體散失的熱量占比較大，約占圍護結構散熱量的70%。目前，墻體保溫隔熱方式主要包括墻體外保溫、墻體內保溫及夾心保溫3種類型，其中墻體外保溫的性能最佳，市場應用最廣泛，但仍存在開裂、脫落及裝飾性差等問題。相較于傳統(tǒng)的墻體外保溫系統(tǒng)，保溫裝飾一體化系統(tǒng)集成了保溫與裝飾功能，施工過程中采用粘貼與機械錨固結合或龍骨干掛的方式，可防止保溫材料脫落和開裂，通過采用龍骨干掛保溫裝飾一體板進一步提高施工效率，以加快墻體外保溫的裝配化進程，同時在基層墻體與一體化板材之間形成的封閉空氣間層有利于提升墻體保溫隔熱性能。

目前基于空氣間層與外墻外保溫裝飾一體化系統(tǒng)的研究較少，模擬研究成果多基于少量樣本，無法得到研究變量與模擬結果的準確關系。本研究重點關注空氣間層與外墻保溫裝飾一體化系統(tǒng)耦合性能。基于Grasshopper參數化平臺，批量生成充足的模型樣本并借助Ladybug與Honeybee進行批量模擬，對比分析不同保溫材料及厚度、不同封閉空氣間層厚度對墻體保溫性能的影響，可較為準確地得到保溫層厚度、封閉空氣間層厚度與墻體傳熱系數之間的非線性關系，進而確定保溫裝飾一體化系統(tǒng)最佳的封閉空氣間層厚度，優(yōu)化保溫裝飾一體化系統(tǒng)的性能，為保溫裝飾一體板的裝配安裝提供理論指導。

1 研究路徑與要素設置

1.1 復合墻體構成

保溫裝飾一體化板也叫節(jié)能保溫裝飾一體板，是由黏結層、保溫裝飾成品板、錨固件、密封材料等組成。保溫裝飾一體板保溫材料種類豐富，分為有機材料和無機材料兩大類，有機材料包括擠塑聚苯乙烯板（XPS）、模塑聚苯乙烯板（EPS）、聚氨酯板（PU）、石墨聚苯板（SEPS）等；無機材料包括玻璃棉板、巖棉板、泡沫玻璃板等。飾面材料包括金屬、水泥纖維板、石材、涂料飾層、陶瓷及硅酸鈣板等。

本文模擬研究的復合墻體模型由基層墻體、封閉空氣間層、保溫裝飾一體化板3部分構成。以保溫材料為擠塑聚苯板（XPS）、飾面層材料為硅酸鈣板的保溫裝飾一體板為例進行展示，具體模型構造如圖1所示。

1墻體模型構造1a無封閉空氣間層厚度的墻體模型1b有封閉空氣間層厚度的墻體模型

1.2 墻體模型批量生成

常規(guī)模擬通常采用控制變量法設置多組對照組，分別建立各對照組模型，并進行網格劃分，再逐一進行模擬計算，最后用模擬所得的數據進行分析，繁雜的模擬計算流程不僅無法得到研究變量與模擬結果之間的準確關系，而且耗費大量的時間和精力。

借助Grasshopper參數化平臺可批量生成大量模型，為模擬提供充足的樣本（因特殊原因，參數化程序不做展示）。模擬采用簡化二維模型，基層墻體為3000mm×240mm的磚墻，一體化板材飾面材料為12mm厚硅酸鈣板。通常保溫層厚度不超過200mm。為保證樣本充足，每種保溫材料的保溫層厚度變化范圍為1～200mm，每種保溫材料共生成200組模型。封閉空氣間層位于墻體與保溫裝飾一體化板之間，為保證樣本充足，空氣間層厚度變化范圍為1～100mm，共生成100組模型。由于模型數量較大，截取部分模型進行展示（見圖2）。

2部分墻體生成模型

為方便研究，對模型進行簡化及假設：墻體傳熱為穩(wěn)態(tài)傳熱過程，各材料均勻且導熱僅發(fā)生在垂直于墻體的方向；忽略保溫裝飾一體板連接件對墻體性能的影響；各材料層上下兩端為絕熱壁面。

1.3 材質設定

墻體各材料的設定主要借助Honeybee插件，THERM內有常見材料的材質庫，可調用材質庫中的參數直接定義材料，材料屬性主要包括以下4個參數：導熱系數、吸附性、發(fā)射率及空腔模型。除調用材質庫定義材料外，也可通過輸入4個參數完成各材料的材質設定，墻體各材料的參數設定如下。

1）磚墻 導熱系數0.810W/（m·K），吸附性0.7，發(fā)射率0.93。

2）擠塑聚苯板 導熱系數0.029W/（m·K），吸附性0.5，發(fā)射率0.90。

3）聚氨酯 導熱系數0.024W/（m·K），吸附性0.5，發(fā)射率0.90。

4）玻璃棉 導熱系數0.038W/（m·K），吸附性0.5，發(fā)射率0.90。

5）巖棉 導熱系數0.042W/（m·K），吸附性0.5，發(fā)射率0.90。

6）硅酸鈣板 導熱系數0.042W/（m·K），吸附性0.5，發(fā)射率0.91。

7）空氣 導熱系數0.026W/（m·K），空腔模型ISO 15099。

1.4 邊界條件設定

本研究以北京地區(qū)氣象數據為例，氣象數據來源于Grasshopper平臺的Ladybug插件，為中國氣象局和清華大學實測數據。借助Ladybug插件計算北京地區(qū)冬季平均室外溫度及平均室外風速，計算所得北京地區(qū)冬季時段室外平均溫度為-1.96℃，平均風速為2.51m/s。通過Boundaries運算器設定墻體邊界條件，參數主要為邊界曲線、邊界類型、壁面溫度及對流換熱系數。拾取墻體室外側邊界曲線輸入Boundaries運算器，將其作為室外邊界條件，壁面溫度假設為冬季室外平均溫度-1.96℃，對流換熱系數通過室外風速換算，北京冬季室外平均風速為2.51m/s，對應對流換熱系數為20W/（m2·K），將數值輸入Boundaries運算器。拾取墻體室內側曲線輸入Boundaries運算器，將其作為室內邊界條件，溫度設為冬季供暖室內設計溫度18℃，對流換熱系數設為Boundaries運算器默認的indoor參數。

1.5 樣本批量模擬

模型生成與參數設定完成后，運用Honeybee插件中的Therm運算程序對墻體樣本進行批量熱工性能模擬，Therm是由美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）開發(fā)的軟件，主要用于模擬計算建筑墻體、門窗、幕墻等構件的熱工性能，Therm的二維穩(wěn)態(tài)傳熱分析基于有限元方法，可對建筑構件的復雜幾何形狀進行熱工模擬計算。

模擬時間間隔設置為5s，模擬程序按保溫層或空氣間層厚度由小到大的順序對墻體樣本逐一模擬，通過Data Recorder記錄每組樣本的模擬數據，分別批量模擬計算擠塑聚苯板、聚氨酯板、玻璃棉板、巖棉板4種材料及不同保溫層厚度的墻體樣本傳熱系數及熱通量，每種保溫材料各200組樣本，共得到800組有效數據，同時批量模擬不同空氣間層厚度的墻體傳熱系數及熱通量，共得到100組有效數據。

2 模擬結果與討論

2.1 不同保溫材料及厚度影響

如圖3所示，4種保溫材料變化趨勢相近，相較于無保溫措施的墻體，其傳熱系數大幅下降，但隨著保溫層厚度增加，墻體傳熱系數變化并非呈線性減小趨勢，而是呈“先急劇下降后逐漸變緩”趨勢，保溫層厚度增加至一定程度后外墻傳熱系數趨于穩(wěn)定。

3不同保溫層厚度的墻體傳熱系數變化

以擠塑聚苯板為例，其厚度為1～20mm時，墻體傳熱系數降幅較大，在此范圍內墻體傳熱系數變化范圍為0.69～1.26W/（m2·K），傳熱系數降低0.57W/（m2·K），熱通量變化范圍為13.77～25.12W/m2，熱通量降低11.15W/m2。保溫層厚度在20～60mm范圍內時，墻體傳熱系數下降趨勢逐漸變緩，保溫層厚度為60mm墻體傳熱系數為0.35W/（m2·K），墻體熱通量為7.06W/m2。當保溫層厚度從60mm增加至200mm時，傳熱系數僅降低0.22W/（m2·K），整體下降趨勢逐漸變緩，外墻傳熱系數趨于穩(wěn)定，故擠塑聚苯板較為合理的厚度約為60mm。聚氨酯板、玻璃棉板及巖棉板墻體的傳熱系數變化趨勢與擠塑聚苯板相似，其厚度分別為55，65，75mm時性價比最高。

2.2 不同封閉空氣間層厚度影響

以擠塑聚苯板為保溫材料的保溫裝飾一體化板為例，模擬研究其不同封閉空氣間層厚度對復合墻體性能的影響，保溫層厚度為60mm且無空氣間層的墻體模擬所得傳熱系數為0.354W/（m2·K），熱通量為7.06W/m2，熱阻為2.82（m2·K）/W。

如圖4所示，封閉空氣間層的引入有利于提高復合墻體冬季保溫性能，空氣間層厚度在0～20mm范圍內，隨著厚度增加，墻體傳熱系數下降較快；空氣間層厚度達20mm時，墻體的傳熱系數為0.333W/（m2·K），與無空氣間層的墻體相比傳熱系數降低0.021W/（m2·K），熱阻增大0.18（m2·K）/W；空氣間層厚度達25mm時，實現(xiàn)傳熱系數最小值0.332W/（m2·K），與空氣間層厚度為20mm時相比僅降低0.001W/（m2·K）；空氣間層厚度在25mm以上時，隨著厚度增加，墻體傳熱系數不再變化。考慮到保溫裝飾一體化板干掛安裝的便利性與準確性，故認為空氣間層較合理的厚度為20mm。

4不同空氣間層厚度的墻體傳熱系數變化

3 結語

研究基于Grasshopper參數化平臺，批量生成并模擬了大量墻體樣本（因特殊原因，參數化程序不做展示）。以北京地區(qū)氣象數據為依據，致力于分析不同保溫材料及厚度、不同封閉空氣間層厚度對墻體保溫性能的影響，得到保溫層厚度、封閉空氣間層厚度與墻體傳熱系數之間較為準確的非線性關系。

1）保溫層厚度對保溫裝飾一體化系統(tǒng)的性能影響較大，但性能并非隨著厚度增加呈線性增長趨勢，故應遵循當地節(jié)能設計標準，同時考慮保溫材料本身特性，合理選擇保溫材料。

2）保溫裝飾一體化板的保溫材料為擠塑聚苯板、聚氨酯板、玻璃棉板及巖棉板時，墻體傳熱系數變化趨勢相似，保溫層厚度分別為60，55，65，75mm時，其性價比最高。

3）封閉空氣間層的引入有利于提升保溫裝飾一體化系統(tǒng)性能，考慮到干掛安裝的便利性與準確性，當空氣間層合理厚度達20mm時，可使墻體傳熱系數降低0.021W/（m2·K），熱阻增大0.18（m2·K）/W。