不同保溫墻體的最優保溫層厚度研究

劉秀平

（廣西壯族自治區水利電力勘測設計研究院有限責任公司，廣西 南寧 530023）

0 引言

隨著對住宅建筑需求的不斷增加，人們對室內生活舒適度的要求越來越高，如何保持室內的熱舒適性是建筑設計的關鍵所在。其中外墻保溫則是最重要的措施之一，選擇合適的保溫材料和保溫厚度對保持室內熱舒適性至關重要[1]。保溫層的最佳厚度對外墻保溫非常重要，目前對這方面的研究多采用實驗研究和仿真模擬。ElvisWati[2]通過計算熱帶地區連續使用建筑外墻的最佳隔熱厚度得出，對于南向、北向和東/西向墻，最佳保溫厚度分別為0.035 cm、0.029 cm 和0.036 cm。Shanmuga Sundaram[3]進一步研究了印度城市的最佳保溫厚度、年電能消耗、年能源成本和回收期，并提供了詳細的保溫材料數據庫。L.Derradji[4]研究了阿爾及利亞一座原型建筑的熱行為和能源性能，計算結果表明，發泡聚苯乙烯的最佳保溫厚度在1～2.5 cm 之間。許成城[5]分析比較了發泡聚苯乙烯（EPS）、聚氨酯（PU）和擠塑聚苯乙烯（XPS）三種保溫材料的外保溫墻的經濟效益。三種材料的最佳厚度分別為69.8、39.8 和49.7 mm。Huang R&D[6]建立了外墻保溫最佳厚度的全生命周期數學模型，發現最佳厚度在32.9 ～111 mm，而大多數商用的保溫材料為8 mm，在最佳保溫厚度范圍內。Axaopoulos Petros J[7]研究了在烏茲別克斯坦使用發泡聚苯乙烯、發泡聚苯乙烯和礦物棉的最常見外墻的經濟最佳保溫厚度，發現最佳絕緣厚度在3.75 ～11.0 cm 之間。上述研究有助于對外墻保溫的合理設計，但對于不同保溫外墻形式的最優保溫層厚度的系統研究較少。

采用有限元仿真模擬技術深入探討內保溫、夾芯保溫、外保溫、砂漿保溫四種不同外墻保溫措施的最優保溫層厚度，分析結果可為住宅建筑的外墻設計提供一定理論支持。

1 外保溫墻體

在中國民用建筑外墻多采用20 mm 水泥砂漿+240 mm 黏土多孔磚+20 mm 水泥砂漿的施工構造，室內環境受室外溫度、太陽輻射、寒潮暴雨的影響顯著，需采取必要的保溫措施。目前常用的保溫措施分為內保溫、夾芯保溫、外保溫、砂漿保溫四類（表1），其中在內保溫、夾芯保溫、外保溫措施中多采用厚度40 ～80 mm 不等、導熱系數較低的聚苯板、擠塑板、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、巖棉礦棉玻璃棉板等，砂漿保溫措施則在黏土多孔磚外側增加一層保溫砂漿保溫。采取上述保溫措施后建筑空間可有效抵御外界氣候對室內溫度的不利影響，從而提升居住環境的舒適性。

表1 民用建筑外墻常見構造措施

2 外墻溫度場仿真分析

2.1 有限元模型

外墻保溫性能分析采用SOLID70 熱分析單元建立ANSYS 有限元分析模型（如圖1 所示），建筑外墻由砂漿單元、墻體基層單元（黏土多孔磚/加氣混凝土砌塊）和保溫層單元（保溫材料、保溫砂漿）組成，中間開設有1.5 m × 1.8 m 的窗口，各類材料的熱力學參數見表2。墻體外表面采用第三類邊界條件，散熱系數為23.0 W/m2·k，并同時計入外界氣溫變化、太陽輻射對室內溫度的影響。

圖1 民用建筑外墻有限元模型

表2 材料熱力學參數

2.2 結果分析

由人體對室內溫度舒適度體驗可知：人體較舒適的室內溫度為18 ～26 ℃，當室內溫度高于25 ℃時體感炎熱，低于10 ℃時體感寒冷，舒適度體驗較差，此時為提升人體在室內的舒適性往往需開啟空調等設備進行溫度調控。

保溫材料選用聚氨酯保溫塑料，分別模擬外保溫、內保溫、夾芯保溫和砂漿保溫工況不同保溫層厚度對南京室內溫度的影響（圖2～圖5）。計算結果表明：

圖2 外保溫不同保溫厚度溫度段累計天數

圖3 內保溫不同保溫厚度溫度段累計天數

圖5 砂漿保溫不同保溫厚度溫度段累計天數

（1）采取外保溫、內保溫、夾芯保溫以及砂漿保溫措施的民用建筑室內熱環境和人體舒適度隨著保溫層厚度的增加而有所改善。

（2）外保溫措施：50 mm 保溫層厚度建筑室內溫度在<10 ℃、10 ～18 ℃、18 ～26 ℃和>26 ℃溫度段的累計天數分為108 天、107 天、108 天和43 天，相較于30 mm 保溫層厚度（105 天、103 天、69 天和88 天）、40 mm 保溫層厚度（107 天、101 天、82 天和75 天）在人體舒適溫度和夏季高溫累計天數上表現更為優異。而50 mm、60 mm、70 mm 保溫層厚度在各溫度段的累計天數則十分接近，此時保溫層厚度的增加無法再有效提升建筑圍護結構保溫節能效應。因此，對于夏熱冬冷地區外墻外保溫措施的保溫層經濟厚度為50 mm。

（3）內保溫措施：60 mm 保溫層厚度建筑室內溫度在不同溫度段的累計天數分為102 天、107 天、82天和72 天，優于30 mm 保溫層厚度（104 天、95 天、61 天和105 天）、40 mm 保溫層厚度（106 天、97 天、67 天和95 天）和50 mm 保溫層厚度（110 天、98 天、69 天和88 天）。而60 mm、70 mm 保溫層厚度的保溫節能效應基本一致。因此，對于采取砂漿保溫措施的外墻，其保溫層經濟厚度為60 mm。

（4）夾芯保溫措施：50 ～60 mm 保溫層厚度建筑室內溫度在不同溫度段的累計天數（108 和107 天、105和104 天、72 和78 天、80 和76 天）相對優于30 mm 保溫層厚度（104 天、97 天、66 天和98 天）、40 mm 保溫層厚度（106 天、102 天、69 天和88 天），且60 mm 和70 mm 保溫層厚度的保溫節能效應基本一致。因此，相對于外保溫、內保溫措施，采取砂漿保溫措施的外墻，其保溫層經濟厚度建議取50 ～60 mm。

（5）砂漿保溫措施：40 mm 保溫層厚度建筑室內溫度在不同溫度段的累計天數分為104 天、104 天、74 天和83 天，優于20 mm 保溫層厚度（105 天、89天、64 天和107 天）、20 mm 保溫層厚度（106 天、99天、66 天和94 天）。而40 mm、50 mm、60 mm 保溫層厚度的保溫節能效應基本一致。因此，對于采取砂漿保溫措施的外墻，其保溫層經濟厚度為40 mm。

3 結語

本文借助ANSYS 有限元分析軟件構建了建筑保溫外墻的三維模型，開展了民用建筑室內溫度分析的仿真分析。分析結果表明：采取措施后的民用建筑室內熱環境和人體舒適度均隨著保溫層厚度的增加而有所改善。對于像我國這樣的夏熱冬冷地區，建筑外墻采用外保溫、內保溫、夾芯保溫、砂漿保溫措施時，建議最優保溫厚度分別為50 mm，60 mm，50 ～60 mm和40 mm。本文仿真模擬只考慮了聚氨酯保溫塑料一種保溫材料，后續可進一步展開不同方位墻體、不同保溫材料的最優保溫厚度分析，為外墻保溫設計提供更為精細化的數據。