不同結(jié)構(gòu)墻體的絕熱性能數(shù)值分析

摘 要

摘要：針對武漢地區(qū)夏季特征氣候條件，利用計算傳熱學的方法對該地區(qū)不同結(jié)構(gòu)墻體的絕熱性能進行數(shù)值分析。在同一溫度波連續(xù)作用下，墻體外壁面溫度與是否采取絕熱措施有關，與采用
摘要：針對武漢地區(qū)夏季特征氣候條件，利用計算傳熱學的方法對該地區(qū)不同結(jié)構(gòu)墻體的絕熱性能進行數(shù)值分析。在同一溫度波連續(xù)作用下，墻體外壁面溫度與是否采取絕熱措施有關，與采用的絕熱形式基本無關；在傳熱系數(shù)和熱惰性指標相同的情況下，墻體的衰減度越大，墻體內(nèi)壁面溫度越低，節(jié)能效果越好；夏熱冬冷地區(qū)既有建筑外墻節(jié)能改造宜采用外保溫形式，新建建筑外墻宜采用自保溫形式。
關鍵詞：夏熱冬冷地區(qū)；墻體；絕熱性能；外保溫；內(nèi)保溫；自保溫
Numerical Analysis of Heat-insulating Property of Walls with Different Structures
WU Cheping，PENG Jiahui，JIANG Han
Abstract：According to the climatic characteristics of Wuhan in summer，the numerical analysis of heat-insulating property of walls with different structures is carried out by computational heat transfer method.The external surface temperature of the walls is related to whether insulation measures are taken，and it is not related to the ways of insulation under the same continuous temperature wave.The larger the attenuation of the walls，the lower the internal surface temperature，and the better the energy saving effect under the same heat transfer coefficient and thermal inertia indicator.The external insulation of external walls for existing buildings in hot summer and cold winter zone for the energy saving reconstruction should be adopted，and the self insulation of external walls for new buildings should be adopted.
Key words：hot summer and cold winter zone；wall；heat-insulating property；external insulation；internalinsulation；self insulation
   目前，我國建筑能耗已超過全社會總能耗的33%[1]，建筑領域的節(jié)能減排已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略的重要組成部分。對于建筑，圍護結(jié)構(gòu)的絕熱性能對建筑供暖、空調(diào)能耗水平具有較大影響[2～4]。夏熱冬冷地區(qū)的圍護結(jié)構(gòu)必須滿足夏季隔熱的要求，并適當兼顧冬季保溫，夏季降低圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度，冬季提高圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度能夠有效降低建筑供暖、空調(diào)能耗，提高室內(nèi)熱舒適度。為了研究適用于夏熱冬冷特征氣候條件下的墻體絕熱形式，本文選取目前夏熱冬冷地區(qū)常見的墻體結(jié)構(gòu)，利用計算傳熱學的方法對不同絕熱形式墻體的絕熱性能進行數(shù)值分析。
1 墻體結(jié)構(gòu)熱特性計算
1.1 諧波熱作用
    在建筑熱工研究中，在一段時間內(nèi)，室外溫度可視為每天重復性地周期變化，因此墻體的傳熱過程通常被認為是周期性的不穩(wěn)定傳熱[5]。在周期熱作用中，最基本的是諧波熱作用，即溫度隨時間做正弦或余弦規(guī)則變化。事實上，墻體溫度并不是隨時間做余弦或正弦規(guī)則地變化，但在分析計算精度要求不高的情況下，可近似按諧波熱作用考慮，以簡化傳熱計算分析的復雜程度。通過研究諧波熱作用下的傳熱過程，反映墻體在周期熱作用下的傳熱特性。
1.2 諧波熱作用下的墻體材料熱特性
    ① 熱導率
    熱導率是建筑材料固有的物性參數(shù)，用于表征材料傳熱性能優(yōu)劣，對于不同墻體材料，熱導率越小，絕熱性能越好。
   ② 蓄熱系數(shù)
在建筑熱工研究中，把某一勻質(zhì)半無限大平壁一側(cè)受到諧波熱作用時，迎波面上接受的熱流波幅與該表面的溫度波幅之比作為材料的蓄熱系數(shù)。蓄熱系數(shù)越大，墻體材料的熱穩(wěn)定性越好。墻體材料蓄熱系數(shù)S的計算式為：
 
式中S——墻體材料的蓄熱系數(shù)，W/(m2·K)
    λ——墻體材料的熱導率，W/(m·K)
    cp——墻體材料的比定壓熱容，J/(kg·K)
    ρ——墻體材料的密度，kg/m3
    T——溫度波動周期，s
    ③ 熱惰性指標
熱惰性指標表征材料層或墻體受到周期熱作用后，背波面(墻體內(nèi)壁面)上對溫度波衰減快慢程度的無量綱指標，是說明材料層抵抗溫度波動能力的特性指標。熱惰性指標取決于材料層迎波面的抗溫度波能力和溫度波傳至背波面時所受到的阻力，熱惰性指標越大說明溫度波在其間衰減越快。墻體材料層熱惰性指標D的計算式為：
 
式中D——墻體材料層的熱惰性指標
    R——墻體材料層的熱阻，m2·K/W
    δ——墻體材料層的厚度，m
當墻體由多層材料組成時，墻體熱惰性指標Dt為各材料層熱惰性指標之和，計算式為：
 
式中Dt——墻體的熱惰性指標
    n——墻體各材料層的數(shù)量
    Di——第i層材料層的熱惰性指標
    Ri——第i層材料層的熱阻，m2·K/W
    Si——第i層材料層蓄熱系數(shù)，W/(m2·K)
    ④ 表面蓄熱系數(shù)
    表面蓄熱系數(shù)是指在周期熱作用下，物體表面溫度升高或降低1℃時，單位面積儲存或釋放的熱流量[5]。
    計算墻體結(jié)構(gòu)見圖1，1～n分別代表墻體的各材料層，當墻體外側(cè)存在諧波熱作用時，若各材料層的熱惰性指標均小于1.0，則有：
 
式中Y1、Y2、Yn-1、Yn——墻體各材料層內(nèi)側(cè)的表面蓄熱系數(shù)，W/(m2·K)
    R1、R2、Rn——墻體各材料層的熱阻，m2·K/W
    S1、S2、Sn——墻體各材料層的蓄熱系數(shù)，W/(m2·K)
    hin——墻體內(nèi)壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)
    若第i層的熱惰性指標≥1.0，則該層有Yi=Si，此時第i+1層至第陀層的內(nèi)側(cè)表面蓄熱系數(shù)可不再計算。
 

1.3 諧波熱作用下的墻體傳熱特征
    ① 衰減度
    在諧波熱作用下，從室外空間到墻體內(nèi)壁面，溫度波振幅逐漸減小，一般把室外溫度波振幅與由諧波熱作用引起的墻體內(nèi)壁面溫度波振幅之比稱為溫度波的穿透衰減度(簡稱衰減度)。衰減度γ0的計算式為[6]：
 
式中γ0——衰減度
    Θout——室外溫度波振幅，℃
    Θin——墻體內(nèi)壁面溫度波振幅，℃
    hout——墻體外壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)
   ② 延遲時間
   從室外空間到墻體內(nèi)壁面，溫度波的相位逐漸向后推延，即出現(xiàn)最高溫度的時刻向后推遲。墻體內(nèi)壁面出現(xiàn)最高溫度的時刻與室外空間出現(xiàn)最高溫度時刻的時間差稱為溫度波穿過墻體的延遲時間。延遲時間t0的計算式為：
    t0=tin,max-tout,max    (8)
式中t0——延遲時間，s
    tin,max——墻體內(nèi)壁面出現(xiàn)最高溫度的時刻，s
    tout,max——室外空間出現(xiàn)最高溫度的時刻，s
2 數(shù)值計算方法
2.1 模型的建立
   為了符合實際墻體結(jié)構(gòu)，且便于比較不同墻體的動態(tài)傳熱特性，本文主要研究對流傳熱影響(太陽輻射等因素轉(zhuǎn)化為室外綜合溫度)。物理模型見圖2。左側(cè)為墻體內(nèi)側(cè)，溫度保持恒定；右側(cè)為墻體外側(cè)，溫度周期性波動；除墻體內(nèi)外壁面外，其他表面視為絕熱；墻體厚度由墻體結(jié)構(gòu)決定。5種常見墻體的具體結(jié)構(gòu)見表1，各種材料的熱工參數(shù)見表2。

表1 各種墻體的具體結(jié)構(gòu)
墻體編號
墻體結(jié)構(gòu)(從內(nèi)側(cè)到外側(cè))
絕熱形式
1
20mm厚水泥砂漿+190mm厚混凝土空心砌塊+20mm厚水泥砂漿
無
2
20mm厚水泥砂漿+190mm厚混凝土空心砌塊+30mm厚EPS板+20mm厚水泥砂漿
外保溫
3
20mm厚水泥砂漿+190mm厚混凝土空心砌塊(內(nèi)填膨脹珍珠巖)+20mm厚水泥砂漿
自保溫
4
20mm厚水泥砂漿+30mm厚EPS板+190mm厚混凝土空心砌塊+20mm厚水泥砂漿
內(nèi)保溫
5
20mm厚水泥砂漿+190mm厚混凝土空心砌塊+50mm厚EPS板+20mm厚水泥砂漿
外保溫
表2 墻體材料熱工參數(shù)[7～13]
墻體材料
厚度/mm
密度/(kg·m-1)
熱導率/(W·m-1·K-1)
水泥砂漿
20
1800
0.930
混凝土空心砌塊
190
1300
0.700
混凝土空心砌塊(內(nèi)填膨脹珍珠巖)
190
1350
0.250
EPS板(30mm厚)
30
30
0.042
EPS板(50mm厚)
50
30
0.O42
墻體材料
比定壓熱容/(J·kg-1·K-1)
蓄熱系數(shù)/(W·m-1·K-1)
熱惰性指標
水泥砂漿
1050
11.30
0.24
混凝土空心砌塊
880
4.13
1.21
混凝土空心砌塊(內(nèi)填膨脹珍珠巖)
880
5.88
5.80
EPS板(30mm厚)
1380
0.36
0.26
EPS板(50mm厚)
1380
0.36
0.43
2.2 模型簡化
    對物理模型進行簡化，設定條件為：墻體為無限大平板；各層材料為均質(zhì)，且各向同性，各材料層間緊密接觸，材料熱物性不隨溫度變化；墻體內(nèi)側(cè)和外側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)恒定；墻體內(nèi)側(cè)空氣溫度恒定。
2.3 數(shù)學模型
   ① 控制方程
對于不同建筑材料構(gòu)成的多層墻體，溫度為非穩(wěn)態(tài)三維場[4]，根據(jù)傅里葉定律建立非穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源傳熱控制方程：
 
式中θ——溫度，℃
    t——時間，s
    x、y、z——坐標，m
根據(jù)設定條件，λ為常量，式(9)簡化為：
 
    由于墻體長度、寬度遠大于其厚度，因此本文將墻體設定為無限大平板，僅討論一維層流及耦合傳熱過程，即空氣與墻體的所有熱物性參數(shù)都視為常量。基于上述設定，可以給出滿足質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒的一維非穩(wěn)態(tài)導熱微分方程：
 
式中a——熱擴散率，m2/s
   ② 邊界條件
   a. 墻體兩側(cè)均為第三類邊界條件墻體內(nèi)壁面邊界條件為：
 
式中θin,air——墻體內(nèi)側(cè)空氣溫度，℃
    θ(0，t)——t時刻墻體內(nèi)壁面溫度，℃
   式(12)中hin取8.7W/(m2·K)[5]。θin,air為夏季空調(diào)室內(nèi)計算溫度，取26℃。
墻體外表面邊界條件為：
 
式中θout,air(t)——t時刻墻體外側(cè)空氣溫度，℃
    θ(δ，t)——t時刻墻體外表面溫度，℃
   式(13)中hout取19W/(m2·K)[5]。
   b. 墻體外側(cè)空氣溫度呈簡諧波規(guī)律變化，本文選取武漢作為夏熱冬冷地區(qū)的典型城市進行分析，利用武漢夏季某典型日的室外空氣溫度[15]。進行計算，擬合的墻體外側(cè)逐時溫度見圖3。

3 計算結(jié)果及分析
    基于國內(nèi)外計算傳熱學的現(xiàn)有研究方法[16～21]，采用CFD軟件對不同結(jié)構(gòu)墻體的熱工特性進行模擬，在墻體溫度波動穩(wěn)定后，分析不同結(jié)構(gòu)墻體的熱工特性。
3.1 墻體的熱工特性
    基于上述數(shù)值計算方法及表1、2中的數(shù)據(jù)，計算不同結(jié)構(gòu)墻體的熱工特性指標，見表3。由表3可知，在墻體主體部分相同的條件下(均為混凝土空心砌塊)，墻體延遲時間差異較小，這主要是由于水泥砂漿和絕熱材料對墻體的延遲時間影響較小，墻體的延遲時間由墻體的主體材料決定[17]。
    表3 不同結(jié)構(gòu)墻體的熱工特性指標
墻體編號
傳熱系數(shù)/(W·m-2·K-1)
熱惰性指標
衰減度
延遲時間/h
1
1.21
2.56
12.78
6.51
2
0.79
2.88
35.68
6.74
3
0.68
2.97
64.73
6.91
4
0.79
2.88
27.22
6.62
5
0.57
3.05
47.26
6.83
3.2 墻體外壁面溫度分析
    不同結(jié)構(gòu)墻體外壁面溫度的數(shù)值計算結(jié)果見表4。由表4可知，1號墻體外壁面的最高、最低溫度分別為35.9、29.1℃，平均溫度為32.0℃，明顯低于使用絕熱材料的其他墻體。采取絕熱措施后，墻體外壁面溫度要高于未采取絕熱措施的墻體。2～5號墻體均采用了不同形式或不同厚度的絕熱材料，與1號墻體相比，各墻體外壁面溫度差距較小。因此，隨著同一溫度波連續(xù)作用，不同結(jié)構(gòu)墻體的外壁面溫度均存在波動，其中未使用絕熱材料的墻體外壁面溫度明顯低于其他使用絕熱材料墻體的外壁面溫度。采用絕熱材料墻體的外壁面溫度差別較小，墻體外壁面溫度與是否采取絕熱措施有關，與采用的絕熱形式基本無關。
表4 不同結(jié)構(gòu)墻體外壁面溫度
墻體編號
最高溫度/℃
最低溫度/℃
平均溫度/℃
1
35.9
29.1
32.0
2
37.3
31.2
34.1
3
37.7
31.5
34.6
4
37.3
31.1
34.1
5
37.4
31.2
34.2
3.3 墻體內(nèi)壁面溫度分析
   ① 不同絕熱形式的墻體
   對比采用不同絕熱形式的墻體，1號墻體未采取絕熱措施，2號墻體和4號墻體采用30mm厚EPS板，2號墻體采用外保溫，4號墻體采用內(nèi)保溫，墻體主體部分均為190mm厚混凝土空心砌塊。
   在同一溫度波的連續(xù)作用下，1、2、4號墻體內(nèi)壁面逐時溫度見圖4。由表3、圖4可知，1號墻體內(nèi)壁面平均溫度比2號墻體高約0.8℃，比4號墻體高約0.5℃。對比墻體傳熱系數(shù)，1號墻體的傳熱系數(shù)明顯高于2、4號墻體。因此，墻體傳熱系數(shù)越大，內(nèi)壁面溫度越高。

   2號與4號墻體的傳熱系數(shù)和熱惰性指標均相同，但2號墻體的衰減度大于4號墻體。在同一溫度波連續(xù)作用下，外保溫墻體的溫度波動范圍小于內(nèi)保溫墻體，且內(nèi)壁面平均溫度更低。因此，在傳熱系數(shù)和熱惰性指標相同的情況下，衰減度大的墻體內(nèi)壁面溫度波動幅度小，傳熱量更少，熱穩(wěn)定性更好。對于夏熱冬冷地區(qū)的既有建筑墻體節(jié)能改造，宜優(yōu)先考慮衰減度大的外保溫形式。
   ② 不同絕熱材料和絕熱形式的墻體
   對比采用不同絕熱材料和絕熱形式的墻體。2號墻體采用30mm厚EPS板的外保溫形式，3號墻體采用190mm厚混凝土空心砌塊(內(nèi)填膨脹珍珠巖)的自保溫形式。2、3號墻體的衰減度分別為35.68、64.73。在同一溫度波的連續(xù)作用下，2、3號墻體內(nèi)壁面逐時溫度見圖5。由圖5可知，3號墻體的內(nèi)壁面溫度低于2號墻體，因此衰減度大的墻體，內(nèi)壁面溫度較低。對于外保溫和自保溫墻體，宜考慮采用衰減度大的自保溫墻體。但既有建筑進行自保溫改造困難較大，因此自保溫更適用于新建建筑。

   ③ 不同厚度絕熱材料的外保溫墻體
   對比不同厚度絕熱材料的外保溫墻體。2號墻體采用30mm厚EPS板作為絕熱材料，5號墻體采用50mm厚EPS板作為絕熱材料。2、5號墻體的衰減度分別為35.68、47.26。在同一溫度波的連續(xù)作用下，2、5號墻體內(nèi)壁面逐時溫度見圖6。由圖6可知，5號墻體的內(nèi)壁面溫度波動范圍小于2號墻體，且前者內(nèi)壁面溫度低于后者。因此衰減度大的墻體內(nèi)壁面溫度更低，熱穩(wěn)定性更好。但2號與5號墻體內(nèi)壁面溫度差別不大，因此隨著絕熱材料厚度的增加，絕熱效果改善不明顯。
 

4 結(jié)論
    ① 在同一溫度波的連續(xù)作用下，未采取絕熱措施的墻體外壁溫波動較大，平均溫度低于采取絕熱措施的墻體。采取絕熱措施的墻體，外壁面溫度差別較小。墻體外壁溫與是否采取絕熱措施有關，與采用的絕熱形式基本無關。
    ② 對比采用不同絕熱形式的墻體，外保溫墻體比內(nèi)保溫墻體衰減度大，內(nèi)壁面溫度波動幅度小，內(nèi)壁面平均溫度低，熱穩(wěn)定性更好，室內(nèi)的舒適性能更好。
    ③ 對比采用不同絕熱材料和絕熱形式的墻體，衰減度大的自保溫墻體內(nèi)壁面溫度波動幅度更小，內(nèi)壁面溫度更低，熱穩(wěn)定性更好。
    ④ 對比不同厚度絕熱材料的外保溫墻體，絕熱材料厚度越大，衰減度越大，墻體內(nèi)壁面溫度越低，熱穩(wěn)定性越好。但絕熱材料達到一定厚度后，隨著厚度的增加，隔熱效果改善并不明顯。
    ⑤ 在夏熱冬冷地區(qū)特征氣候條件下，基于夏季隔熱考慮，對于新建建筑，墻體宜采用自保溫的形式；對于既有建筑，墻體節(jié)能改造宜采用外保溫的形式。
參考文獻：
[1] 李兆堅，江億.我國廣義建筑能耗狀況的分析與思考[J].建筑學報，2006(7)：30-33.
[2] 崔寶珠，王錦楓，湯潔，等.外墻保溫技術在建筑三步節(jié)能的應用[J].煤氣與熱力，2007，27(9)：80-83.
[3] 黃春華，葉勇軍，王漢青.節(jié)能建筑保溫外墻的節(jié)能和減排特性研究[J].煤氣與熱力，2006，26(8)：73-76.
[4] 徐夢萱，韓毅.外墻外保溫技術的技術與經(jīng)濟性分析[J].煤氣與熱力，2005，25(10)：44-46.
[5] 劉加平.建筑物理[M].4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：39-53.
[6] 劉明明，王吉霖.圍護結(jié)構(gòu)隔熱性評價及計算機算法[J].建筑節(jié)能，2003(3)：15-19.
[7] 王玉鎖.EPS板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)施工要點[J].煤氣與熱力，2010，30(6)：A20-A22.
[8] 張明生.中國節(jié)能新型墻體材料發(fā)展趨勢[J].國外建材科技，2008(2)：27-38.
[9] 孫麗。付中英，岳德山.我國墻體改革的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].建筑砌塊與砌塊建筑，2008(2)：1-9.
[10] YEDDER R B，BILGEN E.Laminar natural convection in inclined enclosures bounded by a solid wall[J].Heat and Mass Transfer，1997(32)：455-462.
[11] DENG Q H，TANG G F.Numerical visualization of mass and heat transport for conjugate natural convection/heat conduction by streamline and heat line[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2002(45)：2373-2385.
[12] BUDAIWI I M.An approach to investigate and remedy thermal-comfort problems in buildings[J].Building and Environment，2007，42(5)：2124-2131.
[13] 蔣定輝，吳學輝，俞衛(wèi)忠，等.混凝土小型空心砌塊保溫體系[J].墻材革新與建筑節(jié)能，2008(6)：47-49.
[14] 雷柯夫A B.熱傳導理論[M].裘烈鈞，丁復德，譯.北京：高等教育出版社，1956：169-187.
[15] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：234-235.
[16] 湯廣發(fā)，呂文瑚，王漢青.室內(nèi)氣流數(shù)值計算與模型試驗[M].長沙：湖南大學出版社，1989：38-41.
[17] 湯莉，湯廣發(fā).三種墻體保溫隔熱性能的數(shù)值分析[J].湖南大學學報：自然科學版，2008，35(2)：31-34.
[18] 李百戰(zhàn)，莊春龍，鄧安仲，等.相變墻體與夜間通風改善輕質(zhì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境[J].土木建筑與環(huán)境工程，2009，31(3)：109-113.
[19] STEPHENSON D，MITALAS G.Room thermal response factors[J].ASHRAE Transaction，2007，73(1)：35-37.
[20] MATSUMOTOA M，HOKOIB S，HATANOB M.Model for simulation of freezing and thawing processes in building materials[J].Building and Environment，2001，36(6)：733-742.
[21] SANTAMOURIS M，BALARAS C A，DASCALAKI E，et al.Energy conservation and retrofitting in Hellenic Hotels[J].Energy and Buildings，1996(24)：65-75.
 
(本文作者：吳徹平1 彭家惠1 姜涵2 1.重慶大學 材料科學與工程學院 重慶 400044；2.重慶市設計院 重慶 400015)