超高層建筑墻體保溫節(jié)能裝飾材料的應用研究*

何 欣，楊峰俊

（1山東建筑大學建筑規(guī)劃設計研究院，山東濟南250014；2濟南工程職業(yè)技術學院工程管理學院，山東濟南250200）

現(xiàn)階段，面對多變的生存環(huán)境和氣候變化，維持生活環(huán)境需要耗費大量的能源，特別是對超高層建筑，因此對建筑能源節(jié)約責無旁貸[1-3]。在建筑節(jié)能研究中墻體的節(jié)能設計是重點，墻體的保溫、采暖消耗更多能耗[4]。目前國內外的學者專家對此類問題已有專業(yè)的分析和研究，國外學者改變建筑節(jié)能標準，頒布執(zhí)行相關法律法規(guī)，形成了嚴謹建筑節(jié)能機制，推動了建筑行業(yè)發(fā)展[5]。國內研究根據(jù)北方地區(qū)能耗特點，使用高性能的保溫材料，實現(xiàn)節(jié)能目標與墻體保溫目標[6]。針對墻體保溫和節(jié)能這一目標，提出了應用研究，并對節(jié)能材料的可行性和實用性展開深入分析討論。

1 超高層建筑墻體保溫節(jié)能裝飾材料的 應用研究

1.1 計算墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱

計算墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱分析超高層建筑墻體熱工性能，首先應確定墻體相應材料特性，見表1。

表1 墻體相應材料特性Table 1 Characteristics of wall materials

根據(jù)以上內容計算各墻體相應材料的衰減倍數(shù)和延遲時間，對應的計算公式為：

公式中：ε0表示衰減倍數(shù)，t0表示計算的延遲時間，W表示蓄熱系數(shù)，d表示比熱，V表示衰減量，x1和xe表示墻體的衰減系數(shù)，前者為初始狀態(tài)的衰減系數(shù)，后者表示墻體最終狀態(tài)的衰減系數(shù)[7-8]。

在完成上述準備，分析發(fā)現(xiàn)擠塑板具有較小的傳熱系數(shù)，其衰減倍數(shù)也很小，由上述內容可知，墻體厚度與延遲時間相關，墻體保溫性能決定衰減倍數(shù)，根據(jù)這一特點，構建墻體保溫體系。

1.2 構建墻體保溫體系

以往的墻體保溫結構采用混凝土、粘土磚等材料，保溫性能比較差，嚴重影響建筑其他部分施工效果，因此這種保溫體系很少被采用[9-11]。在高寒地區(qū)比較常見的保溫體系有復合夾心墻保溫體系，該保溫體系下的保溫形式如圖1所示。

圖1 高層建筑保溫形式示意圖Fig.1 Schematic diagram of high rise building insulation form

這種保溫體系存在外墻防水和冷橋等問題，總體經濟性比較差[12]。

總結上述兩種保溫體系，選擇外墻外保溫體系作為節(jié)能材料應用的保溫體系，其保溫形式示意圖如圖2所示。

圖2 外保溫體系示意圖Fig.2 Schematic diagram of external thermal insulation system

采用這種保溫體系有助于延長建筑物的使用壽命，在采用空心磚和陶粒空心砌塊等材料的基礎上，提高了墻體的防水和氣密性能[13]。在確定保溫體系的基礎上，確定節(jié)能材料的性能指標，分析節(jié)能材料的熱工性能。

1.3 確定節(jié)能材料的性能指標

通過上述內容可知擠塑板在墻體保溫中具有較好的應用性能，以擠塑板和膨脹聚苯板以及聚苯板為對比，確定擠塑聚苯板性能指標，見表2。

表2 材料性能指標Table 2 Material performance index

續(xù)表2

針對上述材料，計算其熱工性能，結合經濟性分析，將節(jié)能裝飾材料應用到超高層建筑中。

1.4 分析節(jié)能材料熱工性能

分析節(jié)能材料熱工性能時，計算物體之間的導熱和對流[14]。假設墻體厚度為b，墻體兩側的溫度為ω1和ω2，在計算中設置ω1>ω2，而熱流會利用導熱這一形式從一個溫度高的方向傳遞到溫度低的一側，利用公式(3)計算單位時間內流經1m2墻體截面的熱量[15]。

式（3）中，Q表示通過墻體的熱量;γ表示墻體保溫材料的導熱系數(shù)，W/（m·K）。經過上述計算節(jié)能材料的導熱性能。

在計算對流時，還需要結合熱量的變化。計算公式為：

式（4）中，Qc表示表面對流換熱量，ηc表示對流換熱系數(shù)；ω表示墻面溫度，℃；t表示空氣溫度，℃。超高層建筑物的外墻分為主體和熱橋，兩者的傳熱系數(shù)與圍護結構材料層的性質相關，由此可知，其傳熱計算公式為：

公式中：R表示墻體外部結構的熱阻，（m2·K）/W；Ri和Re分別表示墻體內外表面換熱阻，（m2·K）/W；bc表示墻體圍護結構材料層的厚度，m；γ表示墻體圍護材料的導熱系數(shù)，W/（m·K）。計算多層平壁的導熱公式為：

式（8）中：ρ表示熱流密度，W/m2；ti表示平壁內表面溫度，℃；te表示平壁外表面溫度，℃；R1、R2、R3分別表示第一、第二、第三層的熱阻。從上述公式可知，熱流密度與溫差和材料熱阻存在負相關。在保證墻體保溫的同時突出節(jié)能材料的經濟性，建立墻體保溫層最佳經濟厚度模型。

1.5 建立墻體保溫層最佳經濟厚度模型

將采暖燃料費與墻體保溫層材料費、施工費等投資費用相結合構建最佳經濟厚度模型。單位面積保溫材料費用計算公式為：

式（9）中，gin表示單位面積保溫材料價格，α表示保溫層體積，g表示單位體積保溫材料價格。單位面積的采暖燃料費用計算公式為：

式（10）中，gf表示燃料價格，φ表示墻體保溫層采暖總效率，gh表示外墻采暖燃料費用，J表示燃料熱值。依據(jù)上述公式計算在墻體保溫有效周期內，墻體保溫層總費用，計算公式為：

通過以上計算公式可知，保溫層厚度與造價成正比，與采暖燃料費成反比。所以為了確定性價比最高的節(jié)能材料，由確定保溫層最佳經濟厚度的計算公式，如下所示。

通過上述公式計算出墻體的最佳經濟厚度，結合墻體傳熱水平和材料熱工性能，將節(jié)能裝飾材料應用到超高層建筑墻體中。

1.6 將節(jié)能裝飾材料應用到墻體施工中

將超高層建筑墻體清理干凈，避免墻體表面的脫模劑、防水劑等雜物影響節(jié)能裝飾材料的應用。將節(jié)能裝飾材料合成的聚合物砂漿涂抹在每塊聚苯板上，聚苯板點框粘結示意圖如圖3所示。

圖3 聚苯板點框粘結示意圖Fig.3 Schematic diagram of point frame bonding of polystyrene board

在完成上述操作后，將板均勻粘貼在基層墻體上滑動就位。若出現(xiàn)損壞處，將損壞處的保溫疊合層割掉，將基層墻體漏出。

2 結果與分析

2.1 能耗性能驗證

為了驗證裝飾材料的節(jié)能和保溫效果，以超高層建筑的墻體為例，以文獻[4]方法與文獻[5]方法為本研究方法的對比方法，進行實驗研究。在模擬分析時，需要輸入相應的建筑材料性能參數(shù)，見表3。

表3 選用的建筑材料性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of selected building materials

以預測過程能耗為指標，對不同方法進行了實際性能驗證。建立了一個遙感傳感網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡由200個節(jié)點構成，節(jié)點隨機分布于100m×100m的范圍中。不同方法的預測過程能耗對比如圖4所示。

圖4 不同預測方法的能耗對比Fig.4 Energy consumption comparison of different prediction methods

通過對圖4的分析可知，在對超高層建筑墻體保溫裝飾材料性能進行展開預測時，參考文獻[4]和[5]方法的能耗均高于本文方法。文中所提出的方法預測過程能耗一直低于100kJ，證明了該方法具有較好的實用性。

2.2 保溫性能驗證

為進一步驗證超高層建筑墻體保溫裝飾材料的保溫性能，在相同厚度的情況下，進行了對比實驗，其結果如圖5所示。

圖5 不同方法的聚苯板保溫性能對比Fig.5 Comparison of thermal insulation performance of polystyrene board with different methods

通過對圖5的分析可知，參考文獻[4]和[5]方法的平均氣溫均低于本文方法。文中所提出的方法的平均氣溫均在14℃以上，證明了該方法具有較好的保溫性。

3 結論

本文以超高層建筑墻體為研究目標，研究節(jié)能裝飾材料在墻體保溫中的應用，從墻體的傳熱和材料的熱工性能入手，分析墻體與材料之間的熱傳遞情況，進而選擇合適的節(jié)能材料，應用到墻體保溫中。該方法具有保溫性能好、能耗低等特點，為超高層建筑墻體保溫提供更多的技術支持，為建筑業(yè)的發(fā)展提供更多的發(fā)展可能。