小框體復(fù)合保溫墻體熱工性能分析

李建光， 童麗萍

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院 河南 鄭州 450001)

小框體復(fù)合保溫墻體熱工性能分析

李建光， 童麗萍

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院 河南 鄭州 450001)

基于墻體非穩(wěn)定傳熱的物理模型，以熱力學(xué)能量理論寫出非穩(wěn)定傳熱的導(dǎo)熱微分方程，并根據(jù)房屋內(nèi)外壁實(shí)測(cè)的溫度擬合成簡(jiǎn)諧溫度波作為外部擾量.采用第三類邊界條件，計(jì)算出小框體復(fù)合保溫隔熱體系的內(nèi)壁面溫度、熱流密度、衰減倍數(shù)及延遲時(shí)間等性能指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出不同構(gòu)造墻體的熱流量.計(jì)算結(jié)果表明，該體系相對(duì)于聚氨酯保溫隔熱體系熱流量單位面積內(nèi)降低3.4%；相對(duì)于聚苯乙烯保溫隔熱體系熱流量單位面積內(nèi)降低7.1%，從而證明了小框體復(fù)合保溫隔熱體系的優(yōu)越性.

小框體； 熱工性能； 衰減倍數(shù)； 延遲時(shí)間； 熱流密度

0 引言

隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，能源問題已經(jīng)嚴(yán)重制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑節(jié)能已經(jīng)成為構(gòu)建和諧社會(huì)及實(shí)行能源可持續(xù)發(fā)展的國家戰(zhàn)略舉措[1].針對(duì)國家“十二五”節(jié)能減排目標(biāo)及當(dāng)前建筑節(jié)能存在的質(zhì)量通病，鄭州大學(xué)建筑節(jié)能課題組研發(fā)了小框體復(fù)合保溫隔熱體系(簡(jiǎn)稱“XKT”)，并獲得國家專利(專利號(hào)：ZL200820220705.4)[2].

1.保溫隔熱復(fù)合板；2.外表面防裂抗剪鍵；3.外側(cè)板；4.空氣分離層；5.內(nèi)側(cè)板

XKT主要由結(jié)構(gòu)體系、保溫隔熱體系、連接構(gòu)造體系3部分組成.保溫隔熱體系如圖1所示.保溫板依據(jù)所在地的氣候特點(diǎn)、節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)等條件選擇匹配的保溫材料，XKT的保溫隔熱體系是由聚氨酯保溫材料與空氣夾層組合而成.該體系將成本廉價(jià)的空氣通過巧妙的構(gòu)造形成封閉不流動(dòng)的保溫隔熱層，使得保溫隔熱體系在幾乎不增加成本的基礎(chǔ)上能較大幅度提高保溫隔熱效率[2].同時(shí)，該封閉空氣夾層的存在有利于阻止裂縫開展后繼續(xù)向近墻面的內(nèi)側(cè)板開展，并能有效地將水聚集在空氣分離層的空間里，由于內(nèi)側(cè)板相對(duì)于現(xiàn)在的一個(gè)整體的板塊很難出現(xiàn)裂縫，則外部滲水也就很難進(jìn)入砂漿層及墻體，進(jìn)而提高了圍護(hù)墻體的整體穩(wěn)定性及耐久性.

依據(jù)民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50176—1993)[3]中的技術(shù)要求，與河南省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(寒冷地區(qū))(DBJ41/062—2005)[4]中的2種復(fù)合墻體構(gòu)造形式進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出小框體復(fù)合保溫隔熱體系的熱工性能指標(biāo)，證明了小框體復(fù)合保溫隔熱體系的優(yōu)越性.

1 復(fù)合保溫墻體組合形式

3種復(fù)合保溫墻體構(gòu)造均采用外墻外保溫形式.其中，小框體復(fù)合保溫隔熱墻體記作W-Ⅰ，由室內(nèi)到室外順序?yàn)椋?0 mm厚水泥砂漿粉刷層、KPI多孔磚、XKT保溫板、20 mm厚外飾砂漿層.文獻(xiàn)[4]中2種用于對(duì)比的構(gòu)造形式分別記作W-Ⅱ和W-Ⅲ.W-Ⅱ由室內(nèi)到室外順序?yàn)椋?0 mm厚水泥砂漿粉刷層、KPI多孔磚、聚氨酯保溫層、20 mm厚外飾砂漿層.W-Ⅲ由室內(nèi)到室外順序?yàn)椋?0 mm厚水泥砂漿粉刷層、KPI多孔磚、聚苯乙烯保溫層、20 mm厚外飾砂漿層.以上各材料的物理參數(shù)見表1.

表1 復(fù)合墻體各層材料的物理參數(shù)[2，4-5]

2 數(shù)值分析

2.1計(jì)算假定

結(jié)合文獻(xiàn)[6]，數(shù)值分析采用以下基本假定：①各層材料材質(zhì)均勻，各向同性；②熱物理特性不隨室內(nèi)外溫度的變化而變化；③不考慮內(nèi)部熱量擾值.

2.2數(shù)理方程

在不考慮墻體內(nèi)熱源的情況下[6]，無論是均質(zhì)墻體還是復(fù)合墻體的非穩(wěn)態(tài)傳熱微分方程均可寫為

(1)

從垂直于墻體厚度方向的整體傳熱過程分析時(shí)，由于建筑外墻的高度、寬度遠(yuǎn)大于其厚度，墻體傳熱可視為一維傳熱，且采用一維模型可以獲得足夠精確的近似解[6].基于此及上述假設(shè)，方程(1)可簡(jiǎn)寫為

(2)

式中：T為單元體的溫度；t為時(shí)間；λ為構(gòu)件的導(dǎo)熱系數(shù)；z為建筑物外表面到計(jì)算單元的距離；ρ為建筑保溫材料的密度；c為建筑保溫材料的比熱容.

計(jì)算中考慮到外保溫復(fù)合墻體內(nèi)外表面與周圍空氣的接觸作用，采用熱結(jié)構(gòu)分析中的第三類邊界條件[7]：夏季外墻內(nèi)表面換熱系數(shù)為8.7 W/(m2·K)，外表面換熱系數(shù)取19 W/(m2·K)；冬季外墻內(nèi)表面換熱系數(shù)為8.7 W/(m2·K)，外表面換熱系數(shù)取23 W/(m2·K).

2.3外部擾量

圍護(hù)結(jié)構(gòu)非穩(wěn)定傳熱計(jì)算時(shí)，視室外空氣綜合溫度Tout為墻體外側(cè)的連續(xù)擾量.在進(jìn)行能耗計(jì)算時(shí)采用差分法計(jì)算可獲得滿意的精度，一般以1 h為步長(zhǎng)進(jìn)行離散，對(duì)任意一個(gè)周期函數(shù)f(τ)都可以分解為若干個(gè)頻率呈整數(shù)倍的正弦或者余弦的函數(shù)[8]，即

(3)

式中：An為n階諧波的振幅；φn為n階的初相位；ω為函數(shù)的基頻，等于2π/T，T為函數(shù)的周期.然而把間隔為1 h的周期室外綜合溫度離散數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)化，利用這些等間隔的離散數(shù)據(jù)近似求得有限項(xiàng)傅氏級(jí)數(shù)，進(jìn)行函數(shù)變化的諧波分析，最終得到室外綜合溫度的傅氏展開式.

以鄭州市(寒冷(B)區(qū))[5]冬日某小區(qū)試點(diǎn)工程南墻面某天的實(shí)測(cè)溫度擬合成簡(jiǎn)諧溫度波作為其外部擾量，擬合溫度簡(jiǎn)諧波方程為

(4)

3 計(jì)算及結(jié)果分析

3.1延遲時(shí)間及衰減倍數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中計(jì)算方法，延遲時(shí)間計(jì)算結(jié)果如圖2所示.外墻延遲時(shí)間最大為W-Ⅰ，其次為W-Ⅱ，最小為W-Ⅲ.依據(jù)河南省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(寒冷地區(qū))，在傳熱系數(shù)同樣滿足規(guī)范限值0.75的情況下，W-Ⅰ需要保溫層厚22 mm，延遲時(shí)間為11.15 h；W-Ⅱ需要保溫層厚27 mm，延遲時(shí)間為11.12 h；W-Ⅲ需要保溫層厚35 mm，延遲時(shí)間為10.98 h.

同樣根據(jù)河南省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(寒冷地區(qū))，并參照文獻(xiàn)[3]中計(jì)算方法，衰減倍數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖3所示.在同一墻材KPI多孔磚組成復(fù)合墻體時(shí)，在傳熱系數(shù)相同情況下，不同構(gòu)造組合時(shí)其衰減倍數(shù)大小依次為：W-Ⅰ>W-Ⅱ>W-Ⅲ.W-Ⅰ保溫層厚22 mm，衰減倍數(shù)為16.8；W-Ⅱ保溫層厚27 mm，衰減倍數(shù)為16.4；W-Ⅲ保溫層厚35 mm，衰減倍數(shù)為15.8.

由圖3可知，隨保溫層厚度的增加，W-Ⅰ的衰減倍數(shù)相對(duì)其他兩種墻體形式增長(zhǎng)較快，這也說明W-Ⅰ抵抗室外溫度波變化的能力更強(qiáng)，熱穩(wěn)定性更好；W-Ⅱ和W-Ⅲ次之.

圖2復(fù)合墻體延遲時(shí)間圖3復(fù)合墻體衰減倍數(shù)

Fig.2Delay time of the composite wallsFig.3Attenuation coefficient of the composite walls

3.2內(nèi)壁面溫度

由于復(fù)合墻體延遲時(shí)間這一自身屬性的存在，因此，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)從延遲時(shí)間過后開始計(jì)時(shí)，內(nèi)壁面熱流密度的計(jì)算同此.

在外部擾量溫度波式(4)的作用下，復(fù)合墻體內(nèi)壁面溫度計(jì)算結(jié)果如圖4所示.對(duì)比傳熱系數(shù)同為0.75的復(fù)合墻體，內(nèi)壁面溫度W-Ⅰ最高，W-Ⅱ次之，W-Ⅲ最低；且W-Ⅰ的內(nèi)壁面溫度波動(dòng)最小，該指標(biāo)也說明在同一溫度波連續(xù)作用下，當(dāng)墻體傳熱系數(shù)相同時(shí)，墻體的內(nèi)壁面溫度更接近室溫18 ℃，熱穩(wěn)定性更好.因此，對(duì)于XKT保溫隔熱體系來說，空氣層與聚氨酯的組合更具有優(yōu)越性.

3.3內(nèi)壁面熱流密度

熱流密度是評(píng)價(jià)建筑節(jié)能的一個(gè)重要指標(biāo).熱流密度越小，單位時(shí)間內(nèi)通過復(fù)合墻體的熱流量就越小，墻體吸收的熱量就越少，溫度就升高得越慢，室內(nèi)空調(diào)制冷(制熱)的時(shí)間就越短，其需要的電能量就越小，消耗的能源量也越小，從而達(dá)到建筑節(jié)能的目的.

外部擾量T(t)作用下，各墻體熱流密度計(jì)算結(jié)果如圖5所示.由計(jì)算結(jié)果可知，3種墻體熱流密度大小依次為：W-Ⅰ

圖4各墻體內(nèi)壁面溫度變化 圖圖5各墻體內(nèi)壁面熱流密度變化圖

Fig.4The inside temperature chart of each wallFig.5The inside heat flux density chart of each wall

3.4熱負(fù)荷總量

圖6 三種復(fù)合墻體的熱流總量Fig.6 Total heat flows of three composite walls

由式(2)及文獻(xiàn)[9]中的SIMPLE算法可求得3種復(fù)合保溫隔熱墻體在外部擾量下24 h的單位面積內(nèi)熱流總量，結(jié)果如圖6所示.

由計(jì)算結(jié)果可知：在同一工況條件下，W-Ⅰ相對(duì)于W-Ⅱ熱流量單位面積內(nèi)降低3.4%；相對(duì)于W-Ⅲ熱流量單位面積內(nèi)降低7.1%.

通過上述分析可得：復(fù)合墻體W-Ⅰ與復(fù)合墻體W-Ⅱ的保溫材料同為聚氨酯板，前者加入封閉空氣層后，其各項(xiàng)保溫隔熱指標(biāo)均有改善，同時(shí)也證明了封閉空氣層保溫隔熱的合理性及可行性.與文獻(xiàn)[5]中給出的復(fù)合墻體保溫隔熱體系相比，在滿足傳熱系數(shù)限值0.75的情況下，W-Ⅰ可節(jié)省保溫材料近30%，不但提高了節(jié)能效果和降低了能耗，而且降低了對(duì)保溫材料的需求量，也同時(shí)降低了后期廢料的產(chǎn)生量.

4 結(jié)語

通過上述數(shù)值計(jì)算的方法獲得3種保溫隔熱復(fù)合墻體的相應(yīng)指標(biāo)，得到如下結(jié)論：

1)同一熱工環(huán)境及指標(biāo)情況下，延遲時(shí)間：小框體復(fù)合保溫隔熱體系>聚氨酯保溫隔熱體系>聚苯乙烯保溫隔熱體系；衰減倍數(shù)：小框體復(fù)合保溫隔熱體系>聚氨酯保溫隔熱體系>聚苯乙烯保溫隔熱體系.相對(duì)于聚氨酯復(fù)合保溫隔熱體系及聚苯乙烯復(fù)合保溫隔熱體系，小框體復(fù)合保溫隔熱體系不僅降低了對(duì)保溫材料的需求量，而且能較好地延遲外部環(huán)境溫度變化帶給室內(nèi)熱環(huán)境的影響，并有效降低對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境影響的幅度.

2)同一熱工環(huán)境及指標(biāo)情況下，小框體復(fù)合保溫隔熱體系相對(duì)于聚氨酯保溫隔熱體系熱流量單位面積內(nèi)降低3.4%；相對(duì)于聚苯乙烯保溫隔熱體系熱流量單位面積內(nèi)降低7.1%.

3)不同組成材料在傳熱系數(shù)相同時(shí)，墻體W-Ⅰ抵抗室外溫度波變化能力更強(qiáng)，熱穩(wěn)定性更好，室內(nèi)舒適性能也更好.

小框體復(fù)合保溫隔熱體系通過合理構(gòu)造封閉空氣層能顯著提高保溫隔熱性能，并降低對(duì)保溫材料的需求量，既能滿足第三階段節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，又能給居住環(huán)境帶來較好的熱舒適度，在目前同類體系中具有一定的優(yōu)勢(shì).

[1] 童麗萍．從能源危機(jī)看建筑節(jié)能的必然趨勢(shì)[J]．鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：理學(xué)版，2008，40(4)：105-109.

[2] 童麗萍，李建光，曹源，等．一種空腔式小框體保溫隔熱復(fù)合板：中國，ZL200820220705.4 [P]．2010-02-03.

[3] 中國建筑科學(xué)研究院．GB 50176—1993民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996.

[4] 河南省建筑科學(xué)研究院．DBJ41/062—2005河南省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(寒冷地區(qū))[S]．北京：中國廣播電視出版社，2005.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．JGJ26—2010嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[6] 章熙民，任澤霈，梅飛鳴．傳熱學(xué)[M]．3版．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993：66-75.

[7] 任玲玲．EPS板保溫系統(tǒng)裂縫問題的數(shù)值分析[D]．鄭州：鄭州大學(xué)，2010：45-66.

[8] 清華大學(xué)DeST開發(fā)組．建筑環(huán)境系統(tǒng)模擬分析方法：DeST[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006：26-30.

[9] 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(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，35(2)：31-34.

ThermalTechnicalPerformanceAnalysisForXiaokuangtiExternalWallInsulationSystem

LI Jian-guang， TONG Li-ping

(CollegeofCivilEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

Based on the physical model of unsteady heat transfer,the unsteady heat-conduction differential equations under the third boundary on the principle of the thermodynamic theory were written. With the measured amount of outdoor temperature for the external disturbance,the heat flux density,attenuation coefficient,delay time and other performance indicators of the xiaokuangti composite thermal insulation system were calculated;and the results of the heat flux of different structural walls were also got according to the inner and outer wall temperature of the pilot projects under the same environmental conditions. Data showed that the heat flow per unit area decreased by 3.4% and 7.1% according to the comparison between xiaokuangti with the system of polyurethane and polystyrene. Therefore,the superiority of xiaokuangti external wall insulation system was proved.

xiaokuangti;thermal technical performance;attenuation coefficient;delay time;heat flux density

TU 761

A

1671-6841(2011)04-0116-05

2011-05-23

河南省重大公益科研項(xiàng)目，編號(hào)081100910400；鄭州市重大科技攻關(guān)項(xiàng)目，編號(hào)082SGZS32079；鄭州大學(xué)研究生科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目，編號(hào)重點(diǎn)類A181.

李建光(1980-)，男，博士研究生，主要從事建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)性能研究,E-mail:lijian7553@163.com．