基于參數(shù)化的墻體外保溫裝飾一體化系統(tǒng)性能優(yōu)化研究*

文/北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部 王文顥 戎卿文

北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部 北京市歷史建筑保護(hù)工程技術(shù)研究中心 戴 儉 李 寧

0 引言

外圍護(hù)結(jié)構(gòu)是影響建筑能耗的關(guān)鍵，建筑內(nèi)部的熱量主要通過(guò)門窗和墻體散失，其中通過(guò)墻體散失的熱量占比較大，約占圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量的70%。目前，墻體保溫隔熱方式主要包括墻體外保溫、墻體內(nèi)保溫及夾心保溫3種類型，其中墻體外保溫的性能最佳，市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛，但仍存在開(kāi)裂、脫落及裝飾性差等問(wèn)題。相較于傳統(tǒng)的墻體外保溫系統(tǒng)，保溫裝飾一體化系統(tǒng)集成了保溫與裝飾功能，施工過(guò)程中采用粘貼與機(jī)械錨固結(jié)合或龍骨干掛的方式，可防止保溫材料脫落和開(kāi)裂，通過(guò)采用龍骨干掛保溫裝飾一體板進(jìn)一步提高施工效率，以加快墻體外保溫的裝配化進(jìn)程，同時(shí)在基層墻體與一體化板材之間形成的封閉空氣間層有利于提升墻體保溫隔熱性能。

目前基于空氣間層與外墻外保溫裝飾一體化系統(tǒng)的研究較少，模擬研究成果多基于少量樣本，無(wú)法得到研究變量與模擬結(jié)果的準(zhǔn)確關(guān)系。本研究重點(diǎn)關(guān)注空氣間層與外墻保溫裝飾一體化系統(tǒng)耦合性能?；贕rasshopper參數(shù)化平臺(tái)，批量生成充足的模型樣本并借助Ladybug與Honeybee進(jìn)行批量模擬，對(duì)比分析不同保溫材料及厚度、不同封閉空氣間層厚度對(duì)墻體保溫性能的影響，可較為準(zhǔn)確地得到保溫層厚度、封閉空氣間層厚度與墻體傳熱系數(shù)之間的非線性關(guān)系，進(jìn)而確定保溫裝飾一體化系統(tǒng)最佳的封閉空氣間層厚度，優(yōu)化保溫裝飾一體化系統(tǒng)的性能，為保溫裝飾一體板的裝配安裝提供理論指導(dǎo)。

1 研究路徑與要素設(shè)置

1.1 復(fù)合墻體構(gòu)成

保溫裝飾一體化板也叫節(jié)能保溫裝飾一體板，是由黏結(jié)層、保溫裝飾成品板、錨固件、密封材料等組成。保溫裝飾一體板保溫材料種類豐富，分為有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料兩大類，有機(jī)材料包括擠塑聚苯乙烯板（XPS）、模塑聚苯乙烯板（EPS）、聚氨酯板（PU）、石墨聚苯板（SEPS）等；無(wú)機(jī)材料包括玻璃棉板、巖棉板、泡沫玻璃板等。飾面材料包括金屬、水泥纖維板、石材、涂料飾層、陶瓷及硅酸鈣板等。

本文模擬研究的復(fù)合墻體模型由基層墻體、封閉空氣間層、保溫裝飾一體化板3部分構(gòu)成。以保溫材料為擠塑聚苯板（XPS）、飾面層材料為硅酸鈣板的保溫裝飾一體板為例進(jìn)行展示，具體模型構(gòu)造如圖1所示。

1墻體模型構(gòu)造1a無(wú)封閉空氣間層厚度的墻體模型1b有封閉空氣間層厚度的墻體模型

1.2 墻體模型批量生成

常規(guī)模擬通常采用控制變量法設(shè)置多組對(duì)照組，分別建立各對(duì)照組模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再逐一進(jìn)行模擬計(jì)算，最后用模擬所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繁雜的模擬計(jì)算流程不僅無(wú)法得到研究變量與模擬結(jié)果之間的準(zhǔn)確關(guān)系，而且耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。

借助Grasshopper參數(shù)化平臺(tái)可批量生成大量模型，為模擬提供充足的樣本（因特殊原因，參數(shù)化程序不做展示）。模擬采用簡(jiǎn)化二維模型，基層墻體為3000mm×240mm的磚墻，一體化板材飾面材料為12mm厚硅酸鈣板。通常保溫層厚度不超過(guò)200mm。為保證樣本充足，每種保溫材料的保溫層厚度變化范圍為1～200mm，每種保溫材料共生成200組模型。封閉空氣間層位于墻體與保溫裝飾一體化板之間，為保證樣本充足，空氣間層厚度變化范圍為1～100mm，共生成100組模型。由于模型數(shù)量較大，截取部分模型進(jìn)行展示（見(jiàn)圖2）。

2部分墻體生成模型

為方便研究，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化及假設(shè)：墻體傳熱為穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，各材料均勻且導(dǎo)熱僅發(fā)生在垂直于墻體的方向；忽略保溫裝飾一體板連接件對(duì)墻體性能的影響；各材料層上下兩端為絕熱壁面。

1.3 材質(zhì)設(shè)定

墻體各材料的設(shè)定主要借助Honeybee插件，THERM內(nèi)有常見(jiàn)材料的材質(zhì)庫(kù)，可調(diào)用材質(zhì)庫(kù)中的參數(shù)直接定義材料，材料屬性主要包括以下4個(gè)參數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)、吸附性、發(fā)射率及空腔模型。除調(diào)用材質(zhì)庫(kù)定義材料外，也可通過(guò)輸入4個(gè)參數(shù)完成各材料的材質(zhì)設(shè)定，墻體各材料的參數(shù)設(shè)定如下。

1）磚墻 導(dǎo)熱系數(shù)0.810W/（m·K），吸附性0.7，發(fā)射率0.93。

2）擠塑聚苯板 導(dǎo)熱系數(shù)0.029W/（m·K），吸附性0.5，發(fā)射率0.90。

3）聚氨酯 導(dǎo)熱系數(shù)0.024W/（m·K），吸附性0.5，發(fā)射率0.90。

4）玻璃棉 導(dǎo)熱系數(shù)0.038W/（m·K），吸附性0.5，發(fā)射率0.90。

5）巖棉 導(dǎo)熱系數(shù)0.042W/（m·K），吸附性0.5，發(fā)射率0.90。

6）硅酸鈣板 導(dǎo)熱系數(shù)0.042W/（m·K），吸附性0.5，發(fā)射率0.91。

7）空氣 導(dǎo)熱系數(shù)0.026W/（m·K），空腔模型ISO 15099。

1.4 邊界條件設(shè)定

本研究以北京地區(qū)氣象數(shù)據(jù)為例，氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于Grasshopper平臺(tái)的Ladybug插件，為中國(guó)氣象局和清華大學(xué)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。借助Ladybug插件計(jì)算北京地區(qū)冬季平均室外溫度及平均室外風(fēng)速，計(jì)算所得北京地區(qū)冬季時(shí)段室外平均溫度為-1.96℃，平均風(fēng)速為2.51m/s。通過(guò)Boundaries運(yùn)算器設(shè)定墻體邊界條件，參數(shù)主要為邊界曲線、邊界類型、壁面溫度及對(duì)流換熱系數(shù)。拾取墻體室外側(cè)邊界曲線輸入Boundaries運(yùn)算器，將其作為室外邊界條件，壁面溫度假設(shè)為冬季室外平均溫度-1.96℃，對(duì)流換熱系數(shù)通過(guò)室外風(fēng)速換算，北京冬季室外平均風(fēng)速為2.51m/s，對(duì)應(yīng)對(duì)流換熱系數(shù)為20W/（m2·K），將數(shù)值輸入Boundaries運(yùn)算器。拾取墻體室內(nèi)側(cè)曲線輸入Boundaries運(yùn)算器，將其作為室內(nèi)邊界條件，溫度設(shè)為冬季供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度18℃，對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)為Boundaries運(yùn)算器默認(rèn)的indoor參數(shù)。

1.5 樣本批量模擬

模型生成與參數(shù)設(shè)定完成后，運(yùn)用Honeybee插件中的Therm運(yùn)算程序?qū)w樣本進(jìn)行批量熱工性能模擬，Therm是由美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）開(kāi)發(fā)的軟件，主要用于模擬計(jì)算建筑墻體、門窗、幕墻等構(gòu)件的熱工性能，Therm的二維穩(wěn)態(tài)傳熱分析基于有限元方法，可對(duì)建筑構(gòu)件的復(fù)雜幾何形狀進(jìn)行熱工模擬計(jì)算。

模擬時(shí)間間隔設(shè)置為5s，模擬程序按保溫層或空氣間層厚度由小到大的順序?qū)w樣本逐一模擬，通過(guò)Data Recorder記錄每組樣本的模擬數(shù)據(jù)，分別批量模擬計(jì)算擠塑聚苯板、聚氨酯板、玻璃棉板、巖棉板4種材料及不同保溫層厚度的墻體樣本傳熱系數(shù)及熱通量，每種保溫材料各200組樣本，共得到800組有效數(shù)據(jù)，同時(shí)批量模擬不同空氣間層厚度的墻體傳熱系數(shù)及熱通量，共得到100組有效數(shù)據(jù)。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 不同保溫材料及厚度影響

如圖3所示，4種保溫材料變化趨勢(shì)相近，相較于無(wú)保溫措施的墻體，其傳熱系數(shù)大幅下降，但隨著保溫層厚度增加，墻體傳熱系數(shù)變化并非呈線性減小趨勢(shì)，而是呈“先急劇下降后逐漸變緩”趨勢(shì)，保溫層厚度增加至一定程度后外墻傳熱系數(shù)趨于穩(wěn)定。

3不同保溫層厚度的墻體傳熱系數(shù)變化

以擠塑聚苯板為例，其厚度為1～20mm時(shí)，墻體傳熱系數(shù)降幅較大，在此范圍內(nèi)墻體傳熱系數(shù)變化范圍為0.69～1.26W/（m2·K），傳熱系數(shù)降低0.57W/（m2·K），熱通量變化范圍為13.77～25.12W/m2，熱通量降低11.15W/m2。保溫層厚度在20～60mm范圍內(nèi)時(shí)，墻體傳熱系數(shù)下降趨勢(shì)逐漸變緩，保溫層厚度為60mm墻體傳熱系數(shù)為0.35W/（m2·K），墻體熱通量為7.06W/m2。當(dāng)保溫層厚度從60mm增加至200mm時(shí)，傳熱系數(shù)僅降低0.22W/（m2·K），整體下降趨勢(shì)逐漸變緩，外墻傳熱系數(shù)趨于穩(wěn)定，故擠塑聚苯板較為合理的厚度約為60mm。聚氨酯板、玻璃棉板及巖棉板墻體的傳熱系數(shù)變化趨勢(shì)與擠塑聚苯板相似，其厚度分別為55，65，75mm時(shí)性價(jià)比最高。

2.2 不同封閉空氣間層厚度影響

以擠塑聚苯板為保溫材料的保溫裝飾一體化板為例，模擬研究其不同封閉空氣間層厚度對(duì)復(fù)合墻體性能的影響，保溫層厚度為60mm且無(wú)空氣間層的墻體模擬所得傳熱系數(shù)為0.354W/（m2·K），熱通量為7.06W/m2，熱阻為2.82（m2·K）/W。

如圖4所示，封閉空氣間層的引入有利于提高復(fù)合墻體冬季保溫性能，空氣間層厚度在0～20mm范圍內(nèi)，隨著厚度增加，墻體傳熱系數(shù)下降較快；空氣間層厚度達(dá)20mm時(shí)，墻體的傳熱系數(shù)為0.333W/（m2·K），與無(wú)空氣間層的墻體相比傳熱系數(shù)降低0.021W/（m2·K），熱阻增大0.18（m2·K）/W；空氣間層厚度達(dá)25mm時(shí)，實(shí)現(xiàn)傳熱系數(shù)最小值0.332W/（m2·K），與空氣間層厚度為20mm時(shí)相比僅降低0.001W/（m2·K）；空氣間層厚度在25mm以上時(shí)，隨著厚度增加，墻體傳熱系數(shù)不再變化?？紤]到保溫裝飾一體化板干掛安裝的便利性與準(zhǔn)確性，故認(rèn)為空氣間層較合理的厚度為20mm。

4不同空氣間層厚度的墻體傳熱系數(shù)變化

3 結(jié)語(yǔ)

研究基于Grasshopper參數(shù)化平臺(tái)，批量生成并模擬了大量墻體樣本（因特殊原因，參數(shù)化程序不做展示）。以北京地區(qū)氣象數(shù)據(jù)為依據(jù)，致力于分析不同保溫材料及厚度、不同封閉空氣間層厚度對(duì)墻體保溫性能的影響，得到保溫層厚度、封閉空氣間層厚度與墻體傳熱系數(shù)之間較為準(zhǔn)確的非線性關(guān)系。

1）保溫層厚度對(duì)保溫裝飾一體化系統(tǒng)的性能影響較大，但性能并非隨著厚度增加呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，故應(yīng)遵循當(dāng)?shù)毓?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮保溫材料本身特性，合理選擇保溫材料。

2）保溫裝飾一體化板的保溫材料為擠塑聚苯板、聚氨酯板、玻璃棉板及巖棉板時(shí)，墻體傳熱系數(shù)變化趨勢(shì)相似，保溫層厚度分別為60，55，65，75mm時(shí)，其性價(jià)比最高。

3）封閉空氣間層的引入有利于提升保溫裝飾一體化系統(tǒng)性能，考慮到干掛安裝的便利性與準(zhǔn)確性，當(dāng)空氣間層合理厚度達(dá)20mm時(shí)，可使墻體傳熱系數(shù)降低0.021W/（m2·K），熱阻增大0.18（m2·K）/W。