建筑墻體熱性能動(dòng)態(tài)分析和保溫厚度優(yōu)化

吳國忠，王 晶，支 艷，白浩然，李 棟，3

（1.東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318； 2.中國石油天然氣管道局北戴河培訓(xùn)中心，河北秦皇島 066100； 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

建筑墻體熱性能動(dòng)態(tài)分析和保溫厚度優(yōu)化

吳國忠1，王 晶1，支 艷2，白浩然1，李 棟1，3

（1.東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318； 2.中國石油天然氣管道局北戴河培訓(xùn)中心，河北秦皇島 066100； 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

為研究動(dòng)態(tài)熱條件下不同結(jié)構(gòu)材料的建筑墻體熱性能和保溫厚度優(yōu)化問題，針對大慶地區(qū)冬季氣候特征，建立墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，分析分別采用Concrete、Briquette、Brick、Blokbims、AAC等5種結(jié)構(gòu)材料和擠塑聚苯乙烯EPS、泡沫聚苯乙烯XPS等2種保溫材料的建筑墻體熱性能，計(jì)算大慶地區(qū)1月典型日的室外綜合溫度并進(jìn)行各種墻體傳熱分析和保溫厚度優(yōu)化.結(jié)果表明：冬季最大溫度波動(dòng)和峰值負(fù)載發(fā)生在Concrete結(jié)構(gòu)材料墻體中，其次是Briquette、Brick、Blokbims和AAC結(jié)構(gòu)材料墻體中，且在相同情況下AAC結(jié)構(gòu)材料墻體的保溫效果明顯優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)材料墻體；綜合考慮影響保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的主要因素，通過經(jīng)濟(jì)分析計(jì)算，得出在相同經(jīng)濟(jì)條件下、大慶地區(qū)采用5種不同結(jié)構(gòu)材料240mm厚度墻體保溫時(shí)的最優(yōu)保溫厚度，為建筑墻體工程應(yīng)用提供指導(dǎo).

建筑墻體；熱性能；保溫厚度優(yōu)化；傳熱分析；動(dòng)態(tài)熱條件；非穩(wěn)態(tài)傳熱模型；經(jīng)濟(jì)分析

DOI 10.3969／j.issn.2095－4107.2012.04.013

0 引言

采暖能耗是建筑物的主要能耗，降低采暖能耗是節(jié)能的關(guān)鍵.在建筑外墻及屋頂保溫可以減少建筑物熱損耗，以降低采暖系統(tǒng)的運(yùn)行成本.以一個(gè)較高的初投資成本為前提，隨著保溫厚度的增加，節(jié)能量也隨之增多；但最優(yōu)保溫厚度應(yīng)該滿足總成本最小的要求，其中總成本包括保溫材料的成本和建筑在使用周期中能耗成本［1］.

涉及到最佳保溫厚度研究的文獻(xiàn)大多數(shù)采用戶外度日平均溫度法，它是靜態(tài)條件下估計(jì)熱負(fù)荷的粗糙模型，并且未考慮太陽輻射和建筑熱惰性的影響.也有一些研究的文獻(xiàn)考慮太陽輻射的影響［2］，也采用戶外度日平均溫度法，如為獲得精確的最優(yōu)保溫厚度，提出穩(wěn)定周期條件下基于隱式有限體積法的數(shù)值計(jì)算方法［3－4］，以及基于復(fù)雜傅立葉變換的有限元分析方法［5］.其中，Al－Sanea S A等［4］研究穩(wěn)定周期條件下空心墻保溫層的最佳厚度，基于現(xiàn)值分析法達(dá)到總成本最小化，結(jié)果表明經(jīng)濟(jì)的空腔結(jié)構(gòu)依賴于保溫材料類型.文獻(xiàn)［6］采用Al－Sanea S A提出的動(dòng)態(tài)傳熱模型分析建筑墻體最優(yōu)保溫厚度對電價(jià)的影響，結(jié)果表明最小電價(jià)總費(fèi)用隨不同最優(yōu)保溫厚度而發(fā)生線性變化.Daouas N等［5］用解析法計(jì)算突尼斯氣候條件下不同建筑方向的最優(yōu)絕緣厚度.

為確定大慶地區(qū)5種結(jié)構(gòu)材料和2種保溫材料構(gòu)成的建筑墻體的熱性能和最優(yōu)保溫厚度，建立不同結(jié)構(gòu)材料和保溫材料墻體的非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，根據(jù)大慶地區(qū)1月的氣候資料［7］，計(jì)算該地區(qū)的室外綜合溫度，并以此作為邊界條件對不同類型墻體結(jié)構(gòu)的熱性能展開模擬分析；考慮大慶地區(qū)的氣候條件、供熱方式、燃料類型及墻體各層材料等參數(shù)，優(yōu)化最佳保溫厚度.

1 數(shù)理模型

由M個(gè)不同厚度和物性建筑材料層組成的復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)見圖1.墻體外表面以室外綜合溫度為溫度邊界條件，內(nèi)表面為定溫.為便于分析，假定：墻體無內(nèi)熱源；忽略墻體材料熱物性參數(shù)的變化情況，為常數(shù)；在墻體傳熱過程中，不考慮濕傳導(dǎo)及其相變潛熱對墻體的熱物性參數(shù)和溫度的影響；材料層間接觸緊密，忽略各層之間的熱阻.多層墻體一維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程為

式中：x和t分別是空間和時(shí)間坐標(biāo)；ρj、cj和kj分別為第j層的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù).

為求解方程（1），需要指定初始條件和邊界條件.假定任意一個(gè)均勻溫度場為初始條件，室內(nèi)、外墻體的表面邊界條件為

圖1 M層復(fù)合墻體

式中：ho和hi分別為室外和室內(nèi)墻壁表面的對流換熱系數(shù)；Ti為室內(nèi)空氣溫度；Te為包括太陽輻射影響的室外綜合溫度，

不透明墻的太陽吸收率等于深色表面的太陽吸收率，一般取0.9［8－9］.

根據(jù)大慶地區(qū)1月的室外溫度［5］及對應(yīng)朝向的太陽輻射值［10］，由式（4）以南墻為例求解大慶地區(qū)1月的室外綜合溫度，將其作為墻體外表面的邊界條件.以24h為1周期，分析墻體的傳熱性能［11－12］.墻體的邊界條件見表1.

表1 墻體邊界條件

2 非保溫和保溫墻體的熱性能

墻體由2個(gè)20mm厚水泥砂漿、240 mm厚結(jié)構(gòu)層和不同厚度保溫層構(gòu)成.結(jié)構(gòu)層分別由Concrete、Briquette、Brick、Blokbims和AAC等5種不同材料構(gòu)成，保溫材料主要為擠塑聚苯乙烯（XPS）和泡沫聚苯乙烯（EPS）［14］.建筑墻體熱工性能由墻體結(jié)構(gòu)決定，非保溫和保溫墻墻體見圖2.

非保溫墻由20mm厚外石膏、240mm結(jié)構(gòu)材料和20mm內(nèi)石膏組成的；保溫墻由20mm外部石膏、保溫材料（厚度待定）、240mm結(jié)構(gòu)材料和20mm內(nèi)石膏組成.墻體結(jié)構(gòu)材料的熱物性［14］見表2.

圖2 典型墻體結(jié)構(gòu)

表2 建筑材料的熱物性

以大慶地區(qū)1月15日為最冷月典型日，模擬240mm厚的不同結(jié)構(gòu)非保溫墻體和40mmXPS保溫墻體在室外綜合溫度作用下的墻體內(nèi)表面溫度和熱流密度的逐時(shí)變化曲線，結(jié)果見圖3和圖4.

圖3 墻體內(nèi)表面溫度變化曲線

圖4 墻體內(nèi)表面熱流密度變化曲線

由圖3可見，在非保溫墻體中，采用Concrete、Briquette、Brick、Blokbims和AAC結(jié)構(gòu)材料墻體的室內(nèi)溫度波動(dòng)分別為2.16，1.72，0.97，0.60，0.46℃；在保溫墻體中，它們分別為0.17，0.18，0.11，0.12，0.13℃.

由圖4可見，由Concrete、Briquette、Brick、Blokbims和AAC結(jié)構(gòu)材料非保溫墻體獲得的峰值熱流密度分別為98.52，73.60，56.38，27.49，19.26W／m2；保溫墻體獲得的峰值熱流密度分別為18.76，17.57，16.18，12.38，10.34W／m2.冬天最大溫度波動(dòng)和峰值負(fù)載發(fā)生在由Concrete結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成的墻體，其次分別是Briquette、Brick、Blokbims和AAC結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成的墻體.Concrete結(jié)構(gòu)材料墻體具有最高的導(dǎo)熱系數(shù)，熱負(fù)荷最大，而AAC結(jié)構(gòu)材料墻體相反.由此可見，保溫墻與非保溫墻相比能夠有效降低內(nèi)表面的溫度波動(dòng)和熱負(fù)載峰值.

由Concrete、Briquette、Brick、Blokbims和AAC結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成的非保溫墻體和2種不同保溫墻的內(nèi)表面熱流密度的逐時(shí)變化曲線見圖5.由圖5可見，當(dāng)墻體采用保溫材料時(shí)，峰值熱負(fù)荷降低.當(dāng)采用XPS作為墻體保溫材料時(shí)，墻體峰值熱負(fù)荷減少量：Concrete結(jié)構(gòu)材料墻體為81.0%，Briquette結(jié)構(gòu)材料墻體為76.1%，Brick結(jié)構(gòu)材料墻體為71.3%，Blokbims結(jié)構(gòu)材料墻體為55.0%和AAC結(jié)構(gòu)材料墻體為46.3%，可見Concrete、Briquette和Brick結(jié)構(gòu)材料墻體比Blokbims和AAC結(jié)構(gòu)材料墻體有更顯著的保溫性能.

圖5 240mm厚度5種不同墻體非保溫與保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)表面熱流密度變化曲線

相同厚度的不同結(jié)構(gòu)材料在保溫厚度相同，且為40mm厚度EPS和XPS保溫材料時(shí)墻體內(nèi)表面的熱流密度變化曲線見圖6.由圖6可以看出，在保溫材料相同的情況下，由于結(jié)構(gòu)材料不同，內(nèi)表面熱流也有很大差異，差異主要由結(jié)構(gòu)材料的本身物性引起.根據(jù)熱流密度變化，XPS比EPS保溫材料保溫效果要好.

3 保溫厚度優(yōu)化

當(dāng)保溫材料的類型確定時(shí)，保溫層厚度是影響建筑物保溫性能的重要因素.保溫厚度的確定一般采用保證傳熱系數(shù)法［1］或經(jīng)驗(yàn)值法，很少采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［15－16］，而采用保證傳熱系數(shù)法或經(jīng)驗(yàn)值法時(shí)，通常很難保證其經(jīng)濟(jì)性［17－18］.充分考慮大慶地區(qū)的氣候條件、供熱方式、燃料類型及墻體各層材料等參數(shù)，在動(dòng)態(tài)傳熱條件下利用新的經(jīng)濟(jì)分析方法［15］，計(jì)算由5種不同結(jié)構(gòu)材料和2種不同保溫材料構(gòu)成的建筑墻體的最優(yōu)保溫厚度.優(yōu)化時(shí)只考慮傳熱部分的采暖負(fù)荷，因?yàn)槠渌?fù)荷不影響最佳保溫厚度［6］.

圖6 5種不同結(jié)構(gòu)材料40mm厚度不同保溫材料墻體內(nèi)表面熱流密度變化曲線

墻體單位面積內(nèi)的總成本［14］為

式中：Ct為單位面積的總成本；Ci為每單位體積絕緣材料的成本；Li為絕緣厚度；CA和PWF分別為每年的能量總成本和現(xiàn)值因素，

式中：CA，H為每年每單位面積取暖的能源成本，

式中：CF為燃料成本；Ql為每年每平方米墻體的總熱損失；HC為燃料的低熱值；ηs為供熱系統(tǒng)的效率，ηs＝η1·η2，其中η1為室外管網(wǎng)傳輸效率，一般取0.9，η2為鍋爐的運(yùn)行效率，一般取0.68.

同樣，對于空調(diào)系統(tǒng)，每年每單位面積的能源成本CA，C為

式中：Qg為每年的總熱量；CE為電力成本；COP為制冷系統(tǒng)的性能參數(shù).

將N年使用壽命的總成本連同現(xiàn)值因素PWF一起評價(jià)，其中PWF取決于通貨膨脹率g和利率i，PWF［18］定義為

在戶外每日平均溫度法中，分別給出每單位面積的每年供暖和制冷的能源成本：

式中：HDD和CDD分別為采暖和制冷的度日數(shù)；U為墻的總傳熱系數(shù)，U＝［Rwt＋（Li／ki）］－1，Rwt為不包括保溫層墻的總熱阻.

選用吉林白山電煤作為供熱燃料，電能作為制冷能源，計(jì)算使用參數(shù)［14－15，19］見表3.數(shù)值選取以大慶當(dāng)?shù)厥袌龀杀竞彤?dāng)?shù)貤l件為依據(jù).經(jīng)過計(jì)算，大慶地區(qū)240mm厚度結(jié)構(gòu)墻體EPS和XPS保溫材料的最優(yōu)保溫厚度見表4.

表3 計(jì)算使用參數(shù)

表4 240mm厚度結(jié)構(gòu)墻體的最優(yōu)保溫厚度mm

4 結(jié)論

（1）考慮太陽輻射影響，計(jì)算大慶地區(qū)1月典型日的室外綜合溫度.

（2）冬天最大溫度波動(dòng)和峰值負(fù)載發(fā)生在由Concrete結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成的墻體，其次分別是Briquette、Brick、Blokbims和AAC結(jié)構(gòu)材料.與非保溫墻相比，保溫墻能夠有效降低內(nèi)表面的溫度波動(dòng)和熱負(fù)載峰值.

（3）采用經(jīng)濟(jì)性分析方法，計(jì)算大慶地區(qū)240mm厚度Concrete、Briquette、Brick、Blokbims、AAC等5種結(jié)構(gòu)材料墻體的EPS或XPS保溫材料的最優(yōu)保溫厚度，為建筑墻體工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持.

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Dynamic analysis of thermal performance and insulation thickness optimization of building walls／2012，36（4）：68－73

WU Guo－zhong1，WANG Jing1，ZHI Yan2，BAI Hao－ran1，LI Dong1，3
（1.School of Architecture and Civil Engineering，NortheastPetroleum University，Daqing，Heilongjiang163318，China；2.Beidaihe Training Center，PetroChina Gas Line Bureau，Qinhuangdao，Hebei 066100，China；3.School of Architecture and Civil Engineering，Harbin Institute of Technolo－gy，Harbin，Heilongjiang150001，China）

This study deals with thermal performance and optimum insulation thickness of building walls with differentstructure materials under dynamic thermal conditions.According to the winter climate characteristic of Daqing area，the wall unsteady heattransfer model was established.Thermal performance of building walls constructed of concrete，briquette，brick，blokbims and autoclaved aerated concrete（AAC）five differentstructure materials and extruded polystyrene（XPS）and expanded polystyrene（EPS）two differentinsulation materials used in external walls of buildings were analyzed.The outdoor comprehensive temperature for representative day of January in Daqing was calculated and heattransfer analysis and thermal insulation thickness optimization of the wall under the action of the outdoor comprehensive temperature were carried out.Results show thatthe maximum temperature swings and peak load occur for the wall made with concrete and this is respectively followed by briquette，brick，blokbims and AAC，and the insulation effectof AAC wall was obviously superior to other walls under the same condition.Besides，comprehensive consideration of the main influence factors of economic insulation layer thickness，the optimal insulation thickness of five differentstructure wall with 240mm thick are calculated through the economic analysis on Daqing area.

building walls；thermal performance；insulation thickness optimum；heattransfer analysis；dynamic thermal conditions；unsteady heattransfer model；economic analysis

book=4,ebook=130

TU 551

A

2095－4107（2012）04－0068－06

2012－06－21；編輯：任志平

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（12511024）

吳國忠（1961－），男，博士，教授，主要從事建筑熱環(huán)境分析方面的研究.