浙西農(nóng)村地區(qū)建筑外墻保溫措施的適用性分析

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

截至2010年，建筑能耗已占全球總能源使用量的32%，且仍呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，降低建筑能耗是建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[1]。在中國，農(nóng)村建筑面積占全國總建筑面積的41.1%[2]，并且農(nóng)村建筑能源利用率普遍較低。龔敏等對既有住宅建筑節(jié)能改造措施進行了能耗分析，證實節(jié)能改造措施有助于提高節(jié)能效果[3]。建筑墻體的能量損失占建筑圍護結(jié)構(gòu)總能量損失的60%～70%，因此墻體節(jié)能技術(shù)對于改善建筑圍護結(jié)構(gòu)的能耗起著關(guān)鍵作用[4]。墻體節(jié)能保溫體系中適用于既有農(nóng)村建筑的有外墻外保溫和外墻內(nèi)保溫兩種。近年來，?；⒅楸厣皾{作為防火耐老化性好、強度高、無毒性的無機保溫材料，在外墻保溫系統(tǒng)中具有優(yōu)異的綜合性能[5]。Walker等實地測量了歷史建筑材料的熱工性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)歷史建筑墻體的保溫效果隨時間逐漸降低[6]。但目前對保溫材料的研究大多針對其耐久性和耐候性等基本性能[7]，對其保溫性能的衰減性研究較少。由于使用環(huán)境的影響，外墻外保溫與外墻內(nèi)保溫的性能衰減存在明顯差異[8]。因此，在考慮保溫性能衰減的情況下結(jié)合經(jīng)濟效益，分析外墻內(nèi)外保溫系統(tǒng)的綜合性能差異性對農(nóng)村地區(qū)建筑節(jié)能改造有著重要的意義。

筆者以浙西地區(qū)杭州市淳安縣既有農(nóng)村建筑為例，使用Matlab軟件開發(fā)了有限差分數(shù)值模擬，計算墻體的熱損失。根據(jù)對墻體傳熱系數(shù)衰減的假設(shè)并結(jié)合經(jīng)濟效益，使用有限差分數(shù)值模擬，研究墻體內(nèi)外保溫系統(tǒng)性能隨時間衰減對建筑能耗的影響，分析冬季采暖和夏季制冷時外墻內(nèi)外保溫的節(jié)能效果的差異性。

1 數(shù)值模擬

1.1 基本理論

假設(shè)外墻傳熱是沿x方向(從外墻的內(nèi)表面到外表面)的一維傳熱，并且傳熱與時間有關(guān)，則一維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程為

(1)

式中：ρ為材料密度；C為材料比熱；T為墻體在x處的溫度；k為材料導(dǎo)熱系數(shù)；t為時間；x為距墻體內(nèi)表面的距離。利用Matlab中的pdepe函數(shù)，可用離散的數(shù)值解作為上式連續(xù)偏微分方程近似解求解方程。

1.2 數(shù)據(jù)參照

根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB 50176—2016)的規(guī)定[9]，以最熱月(七月)和最冷月(一月)平均氣溫作為氣候分區(qū)的主要指標。我國將氣候劃分為五個建筑氣候區(qū)：嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、溫和地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)。浙西包括金華、衢州、嚴州等地，正屬于夏熱冬冷地區(qū)(最冷月平均溫度滿足0～10 ℃，最熱月平均溫度滿足25～30 ℃)。因此根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》(JGJ 134—2010)[10]分別設(shè)定冬季室內(nèi)溫度為Tg1=18 ℃和夏季室內(nèi)溫度為Tg1=26 ℃。

室外溫度選取浙江省杭州市淳安縣作為本次研究的數(shù)據(jù)調(diào)查點，對其近十年的氣溫數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來源于淳安縣氣象局)進行分析和篩選，并從中選出最熱的一年，按照《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》采暖期和制冷季計算期規(guī)定，選取2013年12月1日至次年2月28日和當(dāng)年6月15日至8月31日每天的逐時氣溫數(shù)據(jù)用于假設(shè)冬季和夏季室外溫度Tg2在24 h內(nèi)的變化。

將每個數(shù)據(jù)點轉(zhuǎn)化為秒，并利用Matlab的polyfit函數(shù)對其進行擬合，得出和時間相關(guān)的溫度函數(shù)(圖1)。根據(jù)擬合曲線的相關(guān)系數(shù)，最終確定溫度函數(shù)的最佳擬合方式為六次多項式，用于定義變量Tg2，為了保證精度，在Matlab中保留小數(shù)點后14 位。六次多項式為

Tg2=p1t6+p2t5+p3t4+p4t3+p5t2+p6t+p7

(2)

圖1 淳安縣夏季和冬季24 h溫度變化曲線

1.3 邊界條件

筆者所研究的是一維熱傳導(dǎo)問題，墻體內(nèi)部無熱源。因為墻體直接接觸的是空氣，所以確定邊界條件時要考慮空氣的對流和輻射。物體表面向外的傳熱速率總和為

(3)

式中：T為物體的絕對溫度，K；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；ε為表面輻射系數(shù)，其值在0和1之間，由物體表面性質(zhì)決定；A是與熱流方向相垂直的墻壁的面積，對于平壁，A是與x無關(guān)的常數(shù)。因此，熱流密度為

(4)

屬于第二類邊界條件，即Neumann問題

(5)

所以邊界條件為

(6)

式中：對流換熱系數(shù)α=10 W/(m2·K)，斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；表面輻射系數(shù)ε=1。

故初始邊界條件(墻體內(nèi)表面邊界條件)為

(7)

結(jié)束邊界條件(墻體外表面邊界條件)為

(8)

2 墻體材料熱工性能衰減假設(shè)

2.1 外墻保溫材料熱工性能

通過對浙西地區(qū)農(nóng)村建筑情況的調(diào)查，農(nóng)村住宅改造過程中外墻改造工程的一般做法為20 mm石灰水泥砂漿外抹面+240 mm實心黏土磚墻+20 mm石灰水泥砂漿內(nèi)抹面，幾乎沒有考慮和采取有效的保溫措施。主要原因在于：1)保溫節(jié)能材料的價格比一般建筑材料要高，出于經(jīng)濟方面考慮而忽略保溫環(huán)節(jié)；2)村民們的節(jié)能環(huán)保意識薄弱。

考慮到玻化微珠保溫砂漿優(yōu)異的綜合性能，為了達到50%的節(jié)能標準，擬采用?；⒅楸厣皾{作為保溫材料。根據(jù)《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》(GB/T 50824—2013)[11]規(guī)定，并為了方便分析經(jīng)濟效益，保溫砂漿的厚度一致設(shè)為30 mm，外墻內(nèi)外保溫系統(tǒng)飾面層擬用20 mm的混合砂漿代替計算，詳細構(gòu)造：1)外保溫系統(tǒng)為20 mm混合砂漿+240 mm實心黏土磚墻+30 mm玻化微珠保溫砂漿+20 mm混合砂漿抹灰；2)內(nèi)保溫系統(tǒng)為20 mm混合砂漿+30 mm玻化微珠保溫砂漿+240 mm實心黏土磚墻+20 mm混合砂漿抹灰。構(gòu)造做法如圖2所示。材料熱工性能參考《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB 50176—2016)[9]，如表1所示。

圖2 外墻保溫系統(tǒng)構(gòu)造圖

表1 保溫材料熱工性能

2.2 衰減假設(shè)

外墻外保溫材料的保溫性能隨著建筑使用時間的增加而逐漸失效，最顯著的標志為材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨之增加[8]。通過各種老化實驗表明：相變熱和濕傳導(dǎo)對保溫材料熱工參數(shù)影響較大[12]。由于室內(nèi)外保溫的使用環(huán)境不同，室外的相對濕度要遠高于室內(nèi)，熱相變和濕傳導(dǎo)對外墻內(nèi)保溫性能的影響要比外墻外保溫小得多，故外墻內(nèi)保溫性能衰減要更為緩慢。在正常使用條件下?；⒅楸厣皾{的最低使用壽命為40 年，遠高于有機保溫材料。故參考潘志穎等[8]對不同工況的衰減設(shè)定以50 年為一個計算周期，墻體外保溫性能每10 年衰減25%。為顯示內(nèi)外保溫系統(tǒng)保溫性能受環(huán)境影響的差異性，假設(shè)墻體內(nèi)保溫性能每10 年降低5%。

3 結(jié)果與分析

3.1 能耗結(jié)果分析

根據(jù)不同保溫系統(tǒng)的性能衰減情況和夏熱冬冷地區(qū)的氣候特征，分別考慮供暖期與制冷期的建筑能耗情況。圖3顯示了根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和所選標準，農(nóng)村建筑外墻保溫材料性能隨時間衰減情況與年制冷能耗和年供熱能耗之間的關(guān)系。當(dāng)不考慮保溫材料性能衰減時，內(nèi)保溫系統(tǒng)的制冷能耗和供熱能耗則都要略高于外保溫系統(tǒng)。在考慮保溫材料性能衰減后，從圖3(a)可知：在50 年的使用年限內(nèi)，內(nèi)保溫系統(tǒng)年制冷能耗增長了13.33%，外保溫系統(tǒng)年制冷能耗增長了58.43%。從圖3(b)可知：在50 年的使用年限內(nèi)，內(nèi)保溫系統(tǒng)年供熱能耗增長了13.41%，外保溫系統(tǒng)年供熱能耗增長了53.72%。內(nèi)外保溫系統(tǒng)所需制冷、供熱能耗隨保溫性能的衰減逐漸增大，但外保溫系統(tǒng)的增長幅度遠大于內(nèi)保溫系統(tǒng)。

圖3 保溫系統(tǒng)年制冷能耗和供熱能耗

通過對不同保溫系統(tǒng)材料性能衰減情況的模擬計算得到的內(nèi)外保溫系統(tǒng)的建筑年能耗如圖4所示。圖4顯示了建筑能耗與保溫材料性能衰減之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)：不同保溫系統(tǒng)的建筑能耗隨保溫材料性能的衰減呈增大的趨勢，其中外保溫系統(tǒng)的增大趨勢明顯快于內(nèi)保溫。在不考慮性能衰減時，外保溫的建筑年能耗略小于內(nèi)保溫，為內(nèi)保溫的94.94%；在考慮性能衰減后的第一個10 年內(nèi)，外保溫的建筑年能耗就已經(jīng)超過內(nèi)保溫。在50 年的使用年限內(nèi)，內(nèi)保溫系統(tǒng)年能耗增長了13.39%，而外保溫系統(tǒng)年能耗增長了54.75%。內(nèi)保溫系統(tǒng)年能耗以每10 年0.29%左右的幅度均勻而緩慢增長；外保溫系統(tǒng)能年耗則在第一個10 年時增長了14.7%，之后的增長幅度隨時間逐漸降低，最后一個10 年的僅增長0.54%，年能耗的增長趨勢逐漸平緩。這也表示隨著保溫材料性能衰弱達到一定值，保溫材料性能的衰弱對建筑能耗的影響將微乎其微。

圖4 保溫系統(tǒng)全年供熱和制冷總能耗

3.2 成本結(jié)果分析

筆者對?；⒅楸厣皾{保溫系統(tǒng)進行了經(jīng)濟效益分析，結(jié)果見表2。其中，材料成本參照張澤平等[13]對?；⒅楸厣皾{保溫系統(tǒng)的平米造價。運營成本根據(jù)調(diào)研確定杭州市淳安縣的電費為0.55 元/kWh，并將保溫系統(tǒng)50 年來的年度能耗化算為費用成本。由表2可知：在?；⒅楸厣皾{厚度相同，即材料成本一致的情況下，雖然外墻外保溫系統(tǒng)受氣候環(huán)境影響較大而材料性能衰減更為顯著，但是由材料性能衰減造成的能耗差距并不顯著。在50 年的使用年限內(nèi)，外保溫系統(tǒng)的總運營成本比內(nèi)保溫系統(tǒng)高16.14%，總造價比內(nèi)保溫系統(tǒng)高14.48%。最終通過比較可得，因外保溫系統(tǒng)性能衰減造成的能耗更大，外保溫系統(tǒng)的總造價高于內(nèi)保溫系統(tǒng)。

表2 ?；⒅楸厣皾{保溫系統(tǒng)成本

Table 2 Cost of thermal insulation system of thermal insulation glazed hollow bead mortar單位：元/m2

外墻保溫系統(tǒng)材料成本運營成本總平米造價外墻內(nèi)保溫68.28598.28666.56外墻外保溫68.28694.83763.11

4 結(jié) 論

筆者調(diào)查模擬了適用于浙西地區(qū)農(nóng)村住宅的外墻保溫系統(tǒng)的年度供暖和制冷能耗，并根據(jù)內(nèi)外保溫系統(tǒng)受氣候環(huán)境影響的差異性分析其保溫性能衰減對建筑能耗的影響。模擬結(jié)果表明：由于保溫性能衰減程度不同，不同保溫系統(tǒng)的年均累計供熱能耗和制冷能耗存在差異，在50 年的使用年限內(nèi)，外保溫系統(tǒng)年能耗增長了54.75%，而內(nèi)保溫系統(tǒng)年能耗增長了13.39%，內(nèi)保溫系統(tǒng)隨保溫材料性能衰減而建筑能耗增加的趨勢較外保溫系統(tǒng)更為平緩。在考慮材料性能衰減的情況下，外保溫系統(tǒng)運營成本比內(nèi)保溫系統(tǒng)高16.14%。通過綜合經(jīng)濟分析，外保溫系統(tǒng)的總造價比內(nèi)保溫系統(tǒng)高14.48%，因此，單從外墻方面考慮，在浙西地區(qū)外墻內(nèi)保溫的經(jīng)濟性和適用性要高于外墻外保溫系統(tǒng)。