不同結(jié)構(gòu)墻體的絕熱性能數(shù)值分析

摘 要

摘要：針對(duì)武漢地區(qū)夏季特征氣候條件，利用計(jì)算傳熱學(xué)的方法對(duì)該地區(qū)不同結(jié)構(gòu)墻體的絕熱性能進(jìn)行數(shù)值分析。在同一溫度波連續(xù)作用下，墻體外壁面溫度與是否采取絕熱措施有關(guān)，與采用
摘要：針對(duì)武漢地區(qū)夏季特征氣候條件，利用計(jì)算傳熱學(xué)的方法對(duì)該地區(qū)不同結(jié)構(gòu)墻體的絕熱性能進(jìn)行數(shù)值分析。在同一溫度波連續(xù)作用下，墻體外壁面溫度與是否采取絕熱措施有關(guān)，與采用的絕熱形式基本無(wú)關(guān)；在傳熱系數(shù)和熱惰性指標(biāo)相同的情況下，墻體的衰減度越大，墻體內(nèi)壁面溫度越低，節(jié)能效果越好；夏熱冬冷地區(qū)既有建筑外墻節(jié)能改造宜采用外保溫形式，新建建筑外墻宜采用自保溫形式。
關(guān)鍵詞：夏熱冬冷地區(qū)；墻體；絕熱性能；外保溫；內(nèi)保溫；自保溫
Numerical Analysis of Heat-insulating Property of Walls with Different Structures
WU Cheping，PENG Jiahui，JIANG Han
Abstract：According to the climatic characteristics of Wuhan in summer，the numerical analysis of heat-insulating property of walls with different structures is carried out by computational heat transfer method.The external surface temperature of the walls is related to whether insulation measures are taken，and it is not related to the ways of insulation under the same continuous temperature wave.The larger the attenuation of the walls，the lower the internal surface temperature，and the better the energy saving effect under the same heat transfer coefficient and thermal inertia indicator.The external insulation of external walls for existing buildings in hot summer and cold winter zone for the energy saving reconstruction should be adopted，and the self insulation of external walls for new buildings should be adopted.
Key words：hot summer and cold winter zone；wall；heat-insulating property；external insulation；internalinsulation；self insulation
   目前，我國(guó)建筑能耗已超過(guò)全社會(huì)總能耗的33%[1]，建筑領(lǐng)域的節(jié)能減排已經(jīng)成為國(guó)家戰(zhàn)略的重要組成部分。對(duì)于建筑，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的絕熱性能對(duì)建筑供暖、空調(diào)能耗水平具有較大影響[2～4]。夏熱冬冷地區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)必須滿足夏季隔熱的要求，并適當(dāng)兼顧冬季保溫，夏季降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度，冬季提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度能夠有效降低建筑供暖、空調(diào)能耗，提高室內(nèi)熱舒適度。為了研究適用于夏熱冬冷特征氣候條件下的墻體絕熱形式，本文選取目前夏熱冬冷地區(qū)常見(jiàn)的墻體結(jié)構(gòu)，利用計(jì)算傳熱學(xué)的方法對(duì)不同絕熱形式墻體的絕熱性能進(jìn)行數(shù)值分析。
1 墻體結(jié)構(gòu)熱特性計(jì)算
1.1 諧波熱作用
    在建筑熱工研究中，在一段時(shí)間內(nèi)，室外溫度可視為每天重復(fù)性地周期變化，因此墻體的傳熱過(guò)程通常被認(rèn)為是周期性的不穩(wěn)定傳熱[5]。在周期熱作用中，最基本的是諧波熱作用，即溫度隨時(shí)間做正弦或余弦規(guī)則變化。事實(shí)上，墻體溫度并不是隨時(shí)間做余弦或正弦規(guī)則地變化，但在分析計(jì)算精度要求不高的情況下，可近似按諧波熱作用考慮，以簡(jiǎn)化傳熱計(jì)算分析的復(fù)雜程度。通過(guò)研究諧波熱作用下的傳熱過(guò)程，反映墻體在周期熱作用下的傳熱特性。
1.2 諧波熱作用下的墻體材料熱特性
    ① 熱導(dǎo)率
    熱導(dǎo)率是建筑材料固有的物性參數(shù)，用于表征材料傳熱性能優(yōu)劣，對(duì)于不同墻體材料，熱導(dǎo)率越小，絕熱性能越好。
   ② 蓄熱系數(shù)
在建筑熱工研究中，把某一勻質(zhì)半無(wú)限大平壁一側(cè)受到諧波熱作用時(shí)，迎波面上接受的熱流波幅與該表面的溫度波幅之比作為材料的蓄熱系數(shù)。蓄熱系數(shù)越大，墻體材料的熱穩(wěn)定性越好。墻體材料蓄熱系數(shù)S的計(jì)算式為：
 
式中S——墻體材料的蓄熱系數(shù)，W/(m2·K)
    λ——墻體材料的熱導(dǎo)率，W/(m·K)
    cp——墻體材料的比定壓熱容，J/(kg·K)
    ρ——墻體材料的密度，kg/m3
    T——溫度波動(dòng)周期，s
    ③ 熱惰性指標(biāo)
熱惰性指標(biāo)表征材料層或墻體受到周期熱作用后，背波面(墻體內(nèi)壁面)上對(duì)溫度波衰減快慢程度的無(wú)量綱指標(biāo)，是說(shuō)明材料層抵抗溫度波動(dòng)能力的特性指標(biāo)。熱惰性指標(biāo)取決于材料層迎波面的抗溫度波能力和溫度波傳至背波面時(shí)所受到的阻力，熱惰性指標(biāo)越大說(shuō)明溫度波在其間衰減越快。墻體材料層熱惰性指標(biāo)D的計(jì)算式為：
 
式中D——墻體材料層的熱惰性指標(biāo)
    R——墻體材料層的熱阻，m2·K/W
    δ——墻體材料層的厚度，m
當(dāng)墻體由多層材料組成時(shí)，墻體熱惰性指標(biāo)Dt為各材料層熱惰性指標(biāo)之和，計(jì)算式為：
 
式中Dt——墻體的熱惰性指標(biāo)
    n——墻體各材料層的數(shù)量
    Di——第i層材料層的熱惰性指標(biāo)
    Ri——第i層材料層的熱阻，m2·K/W
    Si——第i層材料層蓄熱系數(shù)，W/(m2·K)
    ④ 表面蓄熱系數(shù)
    表面蓄熱系數(shù)是指在周期熱作用下，物體表面溫度升高或降低1℃時(shí)，單位面積儲(chǔ)存或釋放的熱流量[5]。
    計(jì)算墻體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，1～n分別代表墻體的各材料層，當(dāng)墻體外側(cè)存在諧波熱作用時(shí)，若各材料層的熱惰性指標(biāo)均小于1.0，則有：
 
式中Y1、Y2、Yn-1、Yn——墻體各材料層內(nèi)側(cè)的表面蓄熱系數(shù)，W/(m2·K)
    R1、R2、Rn——墻體各材料層的熱阻，m2·K/W
    S1、S2、Sn——墻體各材料層的蓄熱系數(shù)，W/(m2·K)
    hin——墻體內(nèi)壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)
    若第i層的熱惰性指標(biāo)≥1.0，則該層有Yi=Si，此時(shí)第i+1層至第陀層的內(nèi)側(cè)表面蓄熱系數(shù)可不再計(jì)算。
 

1.3 諧波熱作用下的墻體傳熱特征
    ① 衰減度
    在諧波熱作用下，從室外空間到墻體內(nèi)壁面，溫度波振幅逐漸減小，一般把室外溫度波振幅與由諧波熱作用引起的墻體內(nèi)壁面溫度波振幅之比稱為溫度波的穿透衰減度(簡(jiǎn)稱衰減度)。衰減度γ0的計(jì)算式為[6]：
 
式中γ0——衰減度
    Θout——室外溫度波振幅，℃
    Θin——墻體內(nèi)壁面溫度波振幅，℃
    hout——墻體外壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)
   ② 延遲時(shí)間
   從室外空間到墻體內(nèi)壁面，溫度波的相位逐漸向后推延，即出現(xiàn)最高溫度的時(shí)刻向后推遲。墻體內(nèi)壁面出現(xiàn)最高溫度的時(shí)刻與室外空間出現(xiàn)最高溫度時(shí)刻的時(shí)間差稱為溫度波穿過(guò)墻體的延遲時(shí)間。延遲時(shí)間t0的計(jì)算式為：
    t0=tin,max-tout,max    (8)
式中t0——延遲時(shí)間，s
    tin,max——墻體內(nèi)壁面出現(xiàn)最高溫度的時(shí)刻，s
    tout,max——室外空間出現(xiàn)最高溫度的時(shí)刻，s
2 數(shù)值計(jì)算方法
2.1 模型的建立
   為了符合實(shí)際墻體結(jié)構(gòu)，且便于比較不同墻體的動(dòng)態(tài)傳熱特性，本文主要研究對(duì)流傳熱影響(太陽(yáng)輻射等因素轉(zhuǎn)化為室外綜合溫度)。物理模型見(jiàn)圖2。左側(cè)為墻體內(nèi)側(cè)，溫度保持恒定；右側(cè)為墻體外側(cè)，溫度周期性波動(dòng)；除墻體內(nèi)外壁面外，其他表面視為絕熱；墻體厚度由墻體結(jié)構(gòu)決定。5種常見(jiàn)墻體的具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1，各種材料的熱工參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 各種墻體的具體結(jié)構(gòu)
墻體編號(hào)
墻體結(jié)構(gòu)(從內(nèi)側(cè)到外側(cè))
絕熱形式
1
20mm厚水泥砂漿+190mm厚混凝土空心砌塊+20mm厚水泥砂漿
無(wú)
2
20mm厚水泥砂漿+190mm厚混凝土空心砌塊+30mm厚EPS板+20mm厚水泥砂漿
外保溫
3
20mm厚水泥砂漿+190mm厚混凝土空心砌塊(內(nèi)填膨脹珍珠巖)+20mm厚水泥砂漿
自保溫
4
20mm厚水泥砂漿+30mm厚EPS板+190mm厚混凝土空心砌塊+20mm厚水泥砂漿
內(nèi)保溫
5
20mm厚水泥砂漿+190mm厚混凝土空心砌塊+50mm厚EPS板+20mm厚水泥砂漿
外保溫
表2 墻體材料熱工參數(shù)[7～13]
墻體材料
厚度/mm
密度/(kg·m-1)
熱導(dǎo)率/(W·m-1·K-1)
水泥砂漿
20
1800
0.930
混凝土空心砌塊
190
1300
0.700
混凝土空心砌塊(內(nèi)填膨脹珍珠巖)
190
1350
0.250
EPS板(30mm厚)
30
30
0.042
EPS板(50mm厚)
50
30
0.O42
墻體材料
比定壓熱容/(J·kg-1·K-1)
蓄熱系數(shù)/(W·m-1·K-1)
熱惰性指標(biāo)
水泥砂漿
1050
11.30
0.24
混凝土空心砌塊
880
4.13
1.21
混凝土空心砌塊(內(nèi)填膨脹珍珠巖)
880
5.88
5.80
EPS板(30mm厚)
1380
0.36
0.26
EPS板(50mm厚)
1380
0.36
0.43
2.2 模型簡(jiǎn)化
    對(duì)物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，設(shè)定條件為：墻體為無(wú)限大平板；各層材料為均質(zhì)，且各向同性，各材料層間緊密接觸，材料熱物性不隨溫度變化；墻體內(nèi)側(cè)和外側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)恒定；墻體內(nèi)側(cè)空氣溫度恒定。
2.3 數(shù)學(xué)模型
   ① 控制方程
對(duì)于不同建筑材料構(gòu)成的多層墻體，溫度為非穩(wěn)態(tài)三維場(chǎng)[4]，根據(jù)傅里葉定律建立非穩(wěn)態(tài)無(wú)內(nèi)熱源傳熱控制方程：
 
式中θ——溫度，℃
    t——時(shí)間，s
    x、y、z——坐標(biāo)，m
根據(jù)設(shè)定條件，λ為常量，式(9)簡(jiǎn)化為：
 
    由于墻體長(zhǎng)度、寬度遠(yuǎn)大于其厚度，因此本文將墻體設(shè)定為無(wú)限大平板，僅討論一維層流及耦合傳熱過(guò)程，即空氣與墻體的所有熱物性參數(shù)都視為常量?；谏鲜鲈O(shè)定，可以給出滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程：
 
式中a——熱擴(kuò)散率，m2/s
   ② 邊界條件
   a. 墻體兩側(cè)均為第三類邊界條件墻體內(nèi)壁面邊界條件為：
 
式中θin,air——墻體內(nèi)側(cè)空氣溫度，℃
    θ(0，t)——t時(shí)刻墻體內(nèi)壁面溫度，℃
   式(12)中hin取8.7W/(m2·K)[5]。θin,air為夏季空調(diào)室內(nèi)計(jì)算溫度，取26℃。
墻體外表面邊界條件為：
 
式中θout,air(t)——t時(shí)刻墻體外側(cè)空氣溫度，℃
    θ(δ，t)——t時(shí)刻墻體外表面溫度，℃
   式(13)中hout取19W/(m2·K)[5]。
   b. 墻體外側(cè)空氣溫度呈簡(jiǎn)諧波規(guī)律變化，本文選取武漢作為夏熱冬冷地區(qū)的典型城市進(jìn)行分析，利用武漢夏季某典型日的室外空氣溫度[15]。進(jìn)行計(jì)算，擬合的墻體外側(cè)逐時(shí)溫度見(jiàn)圖3。

3 計(jì)算結(jié)果及分析
    基于國(guó)內(nèi)外計(jì)算傳熱學(xué)的現(xiàn)有研究方法[16～21]，采用CFD軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)墻體的熱工特性進(jìn)行模擬，在墻體溫度波動(dòng)穩(wěn)定后，分析不同結(jié)構(gòu)墻體的熱工特性。
3.1 墻體的熱工特性
    基于上述數(shù)值計(jì)算方法及表1、2中的數(shù)據(jù)，計(jì)算不同結(jié)構(gòu)墻體的熱工特性指標(biāo)，見(jiàn)表3。由表3可知，在墻體主體部分相同的條件下(均為混凝土空心砌塊)，墻體延遲時(shí)間差異較小，這主要是由于水泥砂漿和絕熱材料對(duì)墻體的延遲時(shí)間影響較小，墻體的延遲時(shí)間由墻體的主體材料決定[17]。
    表3 不同結(jié)構(gòu)墻體的熱工特性指標(biāo)
墻體編號(hào)
傳熱系數(shù)/(W·m-2·K-1)
熱惰性指標(biāo)
衰減度
延遲時(shí)間/h
1
1.21
2.56
12.78
6.51
2
0.79
2.88
35.68
6.74
3
0.68
2.97
64.73
6.91
4
0.79
2.88
27.22
6.62
5
0.57
3.05
47.26
6.83
3.2 墻體外壁面溫度分析
    不同結(jié)構(gòu)墻體外壁面溫度的數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，1號(hào)墻體外壁面的最高、最低溫度分別為35.9、29.1℃，平均溫度為32.0℃，明顯低于使用絕熱材料的其他墻體。采取絕熱措施后，墻體外壁面溫度要高于未采取絕熱措施的墻體。2～5號(hào)墻體均采用了不同形式或不同厚度的絕熱材料，與1號(hào)墻體相比，各墻體外壁面溫度差距較小。因此，隨著同一溫度波連續(xù)作用，不同結(jié)構(gòu)墻體的外壁面溫度均存在波動(dòng)，其中未使用絕熱材料的墻體外壁面溫度明顯低于其他使用絕熱材料墻體的外壁面溫度。采用絕熱材料墻體的外壁面溫度差別較小，墻體外壁面溫度與是否采取絕熱措施有關(guān)，與采用的絕熱形式基本無(wú)關(guān)。
表4 不同結(jié)構(gòu)墻體外壁面溫度
墻體編號(hào)
最高溫度/℃
最低溫度/℃
平均溫度/℃
1
35.9
29.1
32.0
2
37.3
31.2
34.1
3
37.7
31.5
34.6
4
37.3
31.1
34.1
5
37.4
31.2
34.2
3.3 墻體內(nèi)壁面溫度分析
   ① 不同絕熱形式的墻體
   對(duì)比采用不同絕熱形式的墻體，1號(hào)墻體未采取絕熱措施，2號(hào)墻體和4號(hào)墻體采用30mm厚EPS板，2號(hào)墻體采用外保溫，4號(hào)墻體采用內(nèi)保溫，墻體主體部分均為190mm厚混凝土空心砌塊。
   在同一溫度波的連續(xù)作用下，1、2、4號(hào)墻體內(nèi)壁面逐時(shí)溫度見(jiàn)圖4。由表3、圖4可知，1號(hào)墻體內(nèi)壁面平均溫度比2號(hào)墻體高約0.8℃，比4號(hào)墻體高約0.5℃。對(duì)比墻體傳熱系數(shù)，1號(hào)墻體的傳熱系數(shù)明顯高于2、4號(hào)墻體。因此，墻體傳熱系數(shù)越大，內(nèi)壁面溫度越高。

   2號(hào)與4號(hào)墻體的傳熱系數(shù)和熱惰性指標(biāo)均相同，但2號(hào)墻體的衰減度大于4號(hào)墻體。在同一溫度波連續(xù)作用下，外保溫墻體的溫度波動(dòng)范圍小于內(nèi)保溫墻體，且內(nèi)壁面平均溫度更低。因此，在傳熱系數(shù)和熱惰性指標(biāo)相同的情況下，衰減度大的墻體內(nèi)壁面溫度波動(dòng)幅度小，傳熱量更少，熱穩(wěn)定性更好。對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)的既有建筑墻體節(jié)能改造，宜優(yōu)先考慮衰減度大的外保溫形式。
   ② 不同絕熱材料和絕熱形式的墻體
   對(duì)比采用不同絕熱材料和絕熱形式的墻體。2號(hào)墻體采用30mm厚EPS板的外保溫形式，3號(hào)墻體采用190mm厚混凝土空心砌塊(內(nèi)填膨脹珍珠巖)的自保溫形式。2、3號(hào)墻體的衰減度分別為35.68、64.73。在同一溫度波的連續(xù)作用下，2、3號(hào)墻體內(nèi)壁面逐時(shí)溫度見(jiàn)圖5。由圖5可知，3號(hào)墻體的內(nèi)壁面溫度低于2號(hào)墻體，因此衰減度大的墻體，內(nèi)壁面溫度較低。對(duì)于外保溫和自保溫墻體，宜考慮采用衰減度大的自保溫墻體。但既有建筑進(jìn)行自保溫改造困難較大，因此自保溫更適用于新建建筑。

   ③ 不同厚度絕熱材料的外保溫墻體
   對(duì)比不同厚度絕熱材料的外保溫墻體。2號(hào)墻體采用30mm厚EPS板作為絕熱材料，5號(hào)墻體采用50mm厚EPS板作為絕熱材料。2、5號(hào)墻體的衰減度分別為35.68、47.26。在同一溫度波的連續(xù)作用下，2、5號(hào)墻體內(nèi)壁面逐時(shí)溫度見(jiàn)圖6。由圖6可知，5號(hào)墻體的內(nèi)壁面溫度波動(dòng)范圍小于2號(hào)墻體，且前者內(nèi)壁面溫度低于后者。因此衰減度大的墻體內(nèi)壁面溫度更低，熱穩(wěn)定性更好。但2號(hào)與5號(hào)墻體內(nèi)壁面溫度差別不大，因此隨著絕熱材料厚度的增加，絕熱效果改善不明顯。
 

4 結(jié)論
    ① 在同一溫度波的連續(xù)作用下，未采取絕熱措施的墻體外壁溫波動(dòng)較大，平均溫度低于采取絕熱措施的墻體。采取絕熱措施的墻體，外壁面溫度差別較小。墻體外壁溫與是否采取絕熱措施有關(guān)，與采用的絕熱形式基本無(wú)關(guān)。
    ② 對(duì)比采用不同絕熱形式的墻體，外保溫墻體比內(nèi)保溫墻體衰減度大，內(nèi)壁面溫度波動(dòng)幅度小，內(nèi)壁面平均溫度低，熱穩(wěn)定性更好，室內(nèi)的舒適性能更好。
    ③ 對(duì)比采用不同絕熱材料和絕熱形式的墻體，衰減度大的自保溫墻體內(nèi)壁面溫度波動(dòng)幅度更小，內(nèi)壁面溫度更低，熱穩(wěn)定性更好。
    ④ 對(duì)比不同厚度絕熱材料的外保溫墻體，絕熱材料厚度越大，衰減度越大，墻體內(nèi)壁面溫度越低，熱穩(wěn)定性越好。但絕熱材料達(dá)到一定厚度后，隨著厚度的增加，隔熱效果改善并不明顯。
    ⑤ 在夏熱冬冷地區(qū)特征氣候條件下，基于夏季隔熱考慮，對(duì)于新建建筑，墻體宜采用自保溫的形式；對(duì)于既有建筑，墻體節(jié)能改造宜采用外保溫的形式。
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(本文作者：吳徹平1 彭家惠1 姜涵2 1.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 重慶 400044；2.重慶市設(shè)計(jì)院 重慶 400015)