?；⒅檎w式保溫隔熱建筑分析

劉 泳，李 珠，王文婧

（1.山西臨汾市規(guī)劃局，山西 臨汾 041000；2.太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，太原 030024）

在我國(guó)，現(xiàn)階段大量拆除建筑物和新建建筑對(duì)環(huán)境和能源帶來(lái)了巨大的壓力，如何在建筑物全壽命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是科學(xué)工作者關(guān)注和亟待解決的問(wèn)題。研究者從多種途徑進(jìn)行了研究和試驗(yàn)，包括新能源的開(kāi)發(fā)與利用，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料與形式的研發(fā)等[1-3]。建筑物運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的節(jié)能成為整個(gè)壽命期內(nèi)最主要的節(jié)能部分，按需使用能源可節(jié)約能源，減少能源浪費(fèi)，就需要我們能夠?qū)崿F(xiàn)能源的按需調(diào)控。

因此，本著實(shí)現(xiàn)分戶計(jì)量與分室控溫的要求，李珠教授提出了“城市窯洞”式綠色建筑的概念，其定義是：利用新型綠色材料、科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法，對(duì)城鎮(zhèn)建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)或改造而形成的形狀上不似窯洞，而功能上勝似窯洞的專利建筑。中國(guó)傳統(tǒng)土窯洞有冬暖夏涼、恒溫恒濕、節(jié)能、隔音、潔凈、安靜、健康長(zhǎng)壽、環(huán)保生活、生態(tài)平衡、保護(hù)自然風(fēng)景、適應(yīng)氣候、滿足人類居住要求等特征?！俺鞘懈G洞”式綠色建筑將傳統(tǒng)土窯洞熱濕環(huán)境的優(yōu)勢(shì)引入到現(xiàn)代建筑的設(shè)計(jì)理念中，而提出的一種新型建筑體系?！俺鞘懈G洞”式綠色建筑是有機(jī)結(jié)合傳統(tǒng)土窯洞和現(xiàn)代建筑各自優(yōu)點(diǎn)的產(chǎn)物，它在保持現(xiàn)代建筑原有風(fēng)格和使用功能不變的前提下，達(dá)到傳統(tǒng)土窯洞的效果，同時(shí)很好地解決了傳統(tǒng)土窯洞難以解決的問(wèn)題[4]。整體式保溫隔熱建筑是實(shí)現(xiàn)城市窯洞的一種方式，即在建筑物外墻面和房間六面壁（包括墻體、樓地板和頂棚面等）用一定厚度玻化微珠保溫砂漿作為保溫隔熱層，形成結(jié)構(gòu)自保溫體系，并進(jìn)行與之相應(yīng)的建筑、結(jié)構(gòu)、地基處理、暖通、消防等設(shè)計(jì)，完成各項(xiàng)施工技術(shù)工作和工程實(shí)體而形成的節(jié)能保溫隔熱建筑[5]。研究者對(duì)?；⒅檎w式保溫隔熱建筑的保溫材料、施工方式、施工機(jī)器等進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[6-8]，并對(duì)建筑物保溫隔熱性能進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究[9]，但目前還未對(duì)?；⒅檎w式保溫隔熱建筑進(jìn)行過(guò)模擬定量分析。因此，對(duì)?；⒅檎w式保溫隔熱建筑的保溫性能缺乏更直觀的了解。

筆者對(duì)?；⒅檎w式保溫隔熱建筑與50節(jié)能房的保溫隔熱性能進(jìn)行了有限元建模對(duì)比分析，模擬了兩種目標(biāo)房間周圍的熱環(huán)境，定量分析了兩種房屋構(gòu)件的傳熱過(guò)程與保溫隔熱性能。

1 試驗(yàn)工程概述

本試驗(yàn)工程位于山西省臨汾市安澤縣黃景怡苑住宅小區(qū)，屬于我國(guó)北方寒冷地區(qū)。建筑設(shè)計(jì)時(shí)執(zhí)行的是節(jié)能50%的標(biāo)準(zhǔn)。本試驗(yàn)測(cè)試選擇7號(hào)樓二單元8層801室和8號(hào)樓二單元8層801室為測(cè)試對(duì)象，戶型相同。其中，7號(hào)樓采用玻化微珠外墻外保溫形式；8號(hào)樓采用玻化微珠保溫砂漿整體式保溫隔熱形式。將7號(hào)樓801室對(duì)比戶命名為U-nit-A，8號(hào)樓801室試驗(yàn)戶命名為Unit-B。Unit-A、Unit-B在對(duì)應(yīng)平面圖和立面圖上的位置以及戶型圖如圖1和圖2所示。

2 建筑保溫隔熱性能的模擬及分析

2.1 模型概述及基本分析

1）模型概述。以Unit-A和Unit-B的外墻和樓地面作為研究對(duì)象，分別建立單位面積兩種建筑的外墻和樓地面斷面模型。兩種體系的外墻和樓地面構(gòu)造形式和材料性能參數(shù)如表1和表2所示。

表1 Unit-A、Unit-B外墻構(gòu)造形式

表2 Unit-A、Unit-B樓地面構(gòu)造形式

2）有限元模型概述。本模擬采用的單元類型為“Thermal Solid，Quad 4node 55”，4節(jié)點(diǎn)二維平面單元，網(wǎng)格劃分方式采用自由劃分方式，除厚度方向外，其他均取1個(gè)單位長(zhǎng)度。為了模擬計(jì)算快速準(zhǔn)確，在外墻模型中網(wǎng)格尺寸由外向內(nèi)沿墻體厚度方向分別為：5mm抗裂砂漿層的網(wǎng)格尺寸取0.001；40mm?；⒅楸厣皾{層的網(wǎng)格尺寸取0.005；200mm鋼筋混凝土墻的網(wǎng)格尺寸取0.01；20mm水泥砂漿層取0.005。同樣，樓地面網(wǎng)格尺寸從上到下方向?yàn)樗嗌皾{層取0.005；?；⒅楸厣皾{層取0.005；100mm鋼筋混凝土樓面板取0.01；7mm水泥砂漿層取0.001。

3）模型分析假設(shè)。

a.材料完全符合各向同性、彈性以及連續(xù)性。

b.依據(jù)傳熱學(xué)理論，當(dāng)平面板壁的高度和寬度是厚度的8～10倍時(shí)，可按一維導(dǎo)熱處理，其計(jì)算誤差不大于1%。因此，本研究對(duì)象墻體和樓地面均為沿厚度方向的一維導(dǎo)熱。

2.2 建筑外墻穩(wěn)態(tài)傳熱分析

相鄰戶間是否采暖對(duì)外墻散熱量沒(méi)有影響，因此在進(jìn)行?；⒅楸厣皾{整體式保溫隔熱建筑外墻穩(wěn)態(tài)傳熱分析時(shí)，設(shè)定室內(nèi)溫度均勻分布，溫度值取定為民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的室內(nèi)溫度為18℃，室外溫度取民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范中采暖期室外平均溫度為-0.9℃，外墻模型的邊界條件屬于對(duì)流邊界條件[10]。室內(nèi)墻面對(duì)流換熱系數(shù)采用8.6 W／（m2·K），室外墻面對(duì)流換熱系數(shù)采用23W／（m2·K）[11]。Unit-A、Unit-B外墻穩(wěn)態(tài)傳熱分析的溫度沿墻體厚度的路徑映射圖和溫度場(chǎng)云圖如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

圖3 Unit-A外墻溫度路徑圖

圖4 Unit-B外墻溫度路徑圖

由Unit-A外墻溫度路徑圖可以計(jì)算得出，由外到內(nèi)溫度梯度分別是：4cm?；⒅楸厣皾{層溫度變化梯度為3.00℃／cm；20cm鋼筋混凝土墻體的溫度變化梯度為0.097℃／cm；2cm水泥砂漿溫度梯度為0.15℃／cm。

由Unit-B外墻溫度路徑分布圖可知，有外到內(nèi)各層材料對(duì)應(yīng)的溫度梯度分別為：4cm玻化微珠保溫砂漿層的溫度梯度為2.21℃／cm；20cm鋼筋混凝土墻體的溫度梯度為0.065℃／m；20mm?；⒅楸厣皾{層的溫度梯度為2.42℃／cm。

對(duì)比圖3和圖4中Unit-A、Unit-B外墻溫度路徑圖中各層材料對(duì)應(yīng)溫度變化情況可以得出：Unit-B外墻中?；⒅楸厣皾{層溫度變化較Unit-A外墻中?；⒅楸厣皾{層溫度變化舒緩，表明采用?；⒅楸厣皾{整體式保溫隔熱建筑可以有效地降低玻化微珠砂漿保溫層的溫度集中現(xiàn)象，有利于保溫層材料的耐久性。同樣的，Unit-B外墻中墻體基層溫度變化較Unit-A外墻中的溫度變化舒緩，表明采用?；⒅楸厣皾{整體式保溫隔熱建筑可以有效地保護(hù)主體結(jié)構(gòu)免受溫度波動(dòng)的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)層的耐久性是一項(xiàng)非常有利的條件。

由Unit-A外墻溫度場(chǎng)云圖（圖5）可以得知，當(dāng)采用?；⒅橥鈮ν獗貢r(shí)，室外溫度取-0.9℃，室內(nèi)溫度為18℃時(shí)，墻體溫度外側(cè)最低溫度為-0.061℃，墻體內(nèi)側(cè)最高溫度為15.73℃，對(duì)應(yīng)主體結(jié)構(gòu)層的溫度分布范圍為13～15.7℃。外界空氣與墻體外表面的溫差為0.84℃，室內(nèi)空氣溫度與墻體內(nèi)表面的溫差為2.3℃。

圖5 Unit-A外墻溫度場(chǎng)云圖

圖6 Unit-B外墻溫度場(chǎng)云圖

由Unit-B外墻溫度云圖（圖6）可知，當(dāng)采用玻化微珠整體保溫體系時(shí)，室外溫度取-0.9℃，室內(nèi)溫度為18℃時(shí)，墻體外側(cè)表面溫度最低溫度為-0.258℃，墻體內(nèi)側(cè)表面最高溫度為16.283℃，對(duì)應(yīng)主體結(jié)構(gòu)層的溫度分布范圍為9.684～11.333℃。外界空氣與墻體外表面的溫差為0.642℃，室內(nèi)空氣溫度與墻體內(nèi)表面的溫差為1.7℃。

對(duì)比圖5和圖6中Unit-A、Unit-B外墻溫度場(chǎng)云圖可以得出：Unit-B外墻外表面溫度較Unit-A外墻外側(cè)溫度低，表明?；⒅檎w式保溫隔熱外墻的復(fù)合保溫形式有效地阻隔外界低溫向室內(nèi)傳遞。相應(yīng)Unit-B外墻內(nèi)表面溫度高于Unit-A外墻內(nèi)表面溫度，表明?；⒅檎w式保溫隔熱外墻的復(fù)合保溫形式有效地阻隔室內(nèi)高溫向室外傳遞。

2.3 建筑樓地面穩(wěn)態(tài)傳熱分析

相鄰戶間是否采暖對(duì)樓地面散熱量的影響較大，因此在進(jìn)行玻化微珠保溫砂漿整體式保溫隔熱建筑樓地面的穩(wěn)態(tài)傳熱分析時(shí)，分鄰戶間采暖和不采暖兩種情況。當(dāng)鄰戶間采暖時(shí)，鄰戶間溫差取2℃，分別取16，18℃；室內(nèi)樓地面對(duì)流換熱系數(shù)采用8.6W／（m2·K），相鄰戶樓地面對(duì)流換熱系數(shù)采用8.6W／（m2·K）[4]。

2.3.1 相鄰住戶采暖時(shí)樓地面穩(wěn)態(tài)傳熱分析

Unit-A、Unit-B相鄰住戶采暖時(shí)樓地面穩(wěn)態(tài)傳熱分析的溫度沿樓板厚度的路徑映射圖和溫度場(chǎng)云圖如圖7、圖8、圖10和圖11所示。

圖7 相鄰戶間采暖Unit-A樓地面溫度路徑圖

圖8 相鄰戶間采暖Unit-B樓地面溫度路徑圖

當(dāng)相鄰住戶采暖時(shí)，由Unit-A樓地面溫度路徑圖可以計(jì)算得出，由下到上溫度梯度分別是：0.7 cm水泥砂漿層溫度變化梯度為0.049℃／cm；10 cm混凝土樓板層的溫度梯度為0.034℃／cm；5cm水泥砂漿溫度梯度為0.06℃／cm。

當(dāng)相鄰住戶采暖時(shí)，由Unit-B樓地面溫度路徑圖可以計(jì)算得出，由下到上溫度梯度分別是：0.7cm水泥砂漿層溫度變化梯度為0.047℃／cm；10cm混凝土樓板層的溫度梯度為0.017℃／cm；3cm玻化微珠保溫砂漿層的溫度梯度為0.39℃／cm；2cm水泥砂漿溫度梯度為0.043℃／cm。

根據(jù)圖7和圖8相鄰戶間采暖時(shí)Unit-A、Unit-B的樓地面溫度路徑圖可以得出如圖9所示Unit-A、Unit-B的樓地面各層材料溫度對(duì)比圖。

由圖9可以得出，Unit-B中各層材料的溫度均低于Unit-A中各層材料的溫度，且對(duì)應(yīng)各材料的溫度梯度也較Unit-A中各層材料??；30mm厚玻化微珠保溫砂漿層中溫度變化接近2℃，表明?；⒅楸厣皾{有效地阻隔了相鄰戶間熱量通過(guò)樓地面的傳遞。

圖9 相鄰戶間采暖Unit-A、Unit-B樓地面各層材料溫度對(duì)比圖

由圖10可以得知，當(dāng)相鄰住戶采暖時(shí)，鄰戶間溫差取2℃，即7層室內(nèi)溫度取16℃，8層室內(nèi)溫度取18℃時(shí)，樓地面表面溫度分別為16.662℃和17.338℃，室內(nèi)空氣與樓地面表面的溫差均為0.662℃。

由圖11可知，當(dāng)相鄰住戶采暖時(shí)，鄰戶間溫差取2℃，即7層室內(nèi)溫度取16℃，8層室內(nèi)溫度取18℃時(shí)，樓地面表面溫度分別為16.284℃和17.716℃，室內(nèi)空氣與樓地面表面的溫差均為0.284℃。

對(duì)比圖10和圖11中Unit-A、Unit-B樓地面溫度場(chǎng)云圖可以得出，Unit-B樓地面下表面溫度較Unit-A樓地面下表面的溫度低，表明玻化微珠整體式保溫隔熱樓地面的保溫層有效地阻隔下層低溫向室內(nèi)傳遞。相應(yīng)Unit-B樓地面上表面溫度高于Unit-A樓地面上表面溫度，表明?；⒅檎w式保溫隔熱樓地面保溫層有效地阻隔室內(nèi)高溫向下層傳遞。

2.3.2 相鄰住戶不采暖時(shí)樓地面穩(wěn)態(tài)傳熱分析

圖10 相鄰戶間采暖Unit-A樓地面溫度場(chǎng)云圖

圖11 相鄰戶間采暖Unit-B樓地面溫度場(chǎng)云圖

當(dāng)鄰戶間不采暖時(shí)，室內(nèi)溫度分別取5℃和18℃，鄰戶間的溫差為13℃，室內(nèi)樓地面對(duì)流換熱系數(shù)取8.6W／（m2·K），相鄰戶樓地面對(duì)流換熱系數(shù)取8.6 W／（m2·K）[4]。Unit-A、Unit-B相鄰戶間不采暖時(shí)樓地面穩(wěn)態(tài)傳熱分析的溫度沿樓板厚度的路徑映射圖和溫度場(chǎng)云圖如圖12、圖13、圖15和圖16所示。

圖12 相鄰戶間不采暖Unit-A樓地面溫度路徑圖

圖13 相鄰戶間不采暖Unit-B樓地面溫度路徑圖

當(dāng)相鄰住戶不采暖時(shí)，由圖12可以得出，由下到上溫度梯度分別是：0.7cm水泥砂漿層溫度變化梯度為0.31℃／cm；10cm混凝土樓板層的溫度梯度為0.22℃／cm；5cm水泥砂漿溫度梯度為0.40℃／cm。

由圖13可以得出，由下到上溫度梯度分別是：7 cm水泥砂漿層溫度變化梯度為0.31℃／cm；10cm混凝土樓板層的溫度梯度為0.18℃／cm；3cm玻化微珠保溫砂漿層的溫度梯度為2.61℃／cm；2cm水泥砂漿溫度梯度為0.28℃／cm。

根據(jù)圖12和圖13相鄰戶間不采暖時(shí)Unit-A、Unit-B的樓地面溫度路徑圖可以得出如圖14所示Unit-A、Unit-B的樓地面各層材料溫度對(duì)比圖。

圖14可得出，Unit-B中各層材料的溫度均低于Unit-A中各層材料的溫度，且對(duì)應(yīng)各材料的溫度梯度也較Unit-A中各層材料小；3cm厚?；⒅楸厣皾{層中溫度變化大于5℃，表明當(dāng)相鄰戶有一戶不采暖時(shí)，?；⒅楸厣皾{有效地阻隔了通過(guò)樓地面相鄰戶間熱量的傳遞。

圖14 相鄰戶間不采暖Unit-A、Unit-B樓地面各層材料溫度對(duì)比圖

由圖15可以得知，當(dāng)相鄰住戶不采暖時(shí)，鄰戶間溫差為13℃，即7層室內(nèi)溫度取5℃，8層室內(nèi)溫度取18℃時(shí)，樓地面表面溫度分別為9.303℃和13.697℃，室內(nèi)空氣與樓地面表面的溫差均為4.303℃。

圖15 相鄰戶間不采暖Unit-A樓地面溫度場(chǎng)云圖

由圖16可得，當(dāng)相鄰戶間不采暖時(shí)，鄰戶間溫差為13℃，即7層室內(nèi)溫度取5℃，8層室內(nèi)溫度取18℃時(shí)，樓地面表面溫度分別為6.846℃和16.154℃，室內(nèi)空氣與樓地面表面的溫差均為1.846℃。

對(duì)比圖15和圖16中Unit-A、Unit-B樓地面溫度場(chǎng)云圖可以得出，當(dāng)相鄰住戶間不采暖時(shí)，采用?；⒅楸厣皾{整體式保溫隔熱建筑可以有效地降低相鄰戶間熱量的散失，有效提高其保溫性能，更好地實(shí)現(xiàn)分戶計(jì)量和分室控溫。

圖16 相鄰戶間不采暖Unit-B樓地面溫度場(chǎng)云圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)50節(jié)能建筑和?；⒅檎w式保溫隔熱建筑的保溫隔熱性能的分析，得出以下結(jié)論：

1）采用?；⒅檎w式保溫隔熱建筑可以有效地降低?；⒅樯皾{保溫層的溫度集中現(xiàn)象，有利于保溫層材料的耐久性。

2）采用玻化微珠整體式保溫隔熱建筑可以有效地保護(hù)主體結(jié)構(gòu)免受溫度波動(dòng)的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)層的耐久性起到有利的影響。

3）對(duì)建筑外墻而言，?；⒅檎w式保溫隔熱外墻的復(fù)合保溫形式有效地阻隔外界低溫向室內(nèi)傳遞，?；⒅檎w式保溫隔熱外墻的復(fù)合保溫形式有效地阻隔室內(nèi)高溫向室外傳遞。

4）對(duì)樓地面而言，當(dāng)相鄰戶有一戶不采暖時(shí)，?；⒅楸厣皾{可有效地阻隔通過(guò)樓地面相鄰戶間熱量的傳遞，可有效地阻隔室內(nèi)高溫向下層傳遞，阻隔下層低溫向室內(nèi)傳遞。

5）采用玻化微珠保溫砂漿整體式保溫隔熱建筑的保溫層可以有效降低外界和相鄰戶間熱量的傳遞，有利于實(shí)施分戶計(jì)量和分室控溫。

總之，綠色城市、低碳社會(huì)的理念對(duì)每一個(gè)城市規(guī)劃從業(yè)者提出了更高更細(xì)的要求，研究并推廣玻化微珠保溫砂漿整體式保溫隔熱建筑只是我們小小的一步。大力推進(jìn)綠色建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，形成高效合理的綠色建筑產(chǎn)業(yè)鏈，方能讓我們規(guī)劃綠色低碳的中國(guó)夢(mèng)早日實(shí)現(xiàn)。

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