不同结构墙体的绝热性能数值分析

摘 要

摘要：针对武汉地区夏季特征气候条件，利用计算传热学的方法对该地区不同结构墙体的绝热性能进行数值分析。在同一温度波连续作用下，墙体外壁面温度与是否采取绝热措施有关，与采用
摘要：针对武汉地区夏季特征气候条件，利用计算传热学的方法对该地区不同结构墙体的绝热性能进行数值分析。在同一温度波连续作用下，墙体外壁面温度与是否采取绝热措施有关，与采用的绝热形式基本无关；在传热系数和热惰性指标相同的情况下，墙体的衰减度越大，墙体内壁面温度越低，节能效果越好；夏热冬冷地区既有建筑外墙节能改造宜采用外保温形式，新建建筑外墙宜采用自保温形式。
关键词：夏热冬冷地区；墙体；绝热性能；外保温；内保温；自保温
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，我国建筑能耗已超过全社会总能耗的33%[1]，建筑领域的节能减排已经成为国家战略的重要组成部分。对于建筑，围护结构的绝热性能对建筑供暖、空调能耗水平具有较大影响[2～4]。夏热冬冷地区的围护结构必须满足夏季隔热的要求，并适当兼顾冬季保温，夏季降低围护结构内壁面温度，冬季提高围护结构内壁面温度能够有效降低建筑供暖、空调能耗，提高室内热舒适度。为了研究适用于夏热冬冷特征气候条件下的墙体绝热形式，本文选取目前夏热冬冷地区常见的墙体结构，利用计算传热学的方法对不同绝热形式墙体的绝热性能进行数值分析。
1 墙体结构热特性计算
1.1 谐波热作用
    在建筑热工研究中，在一段时间内，室外温度可视为每天重复性地周期变化，因此墙体的传热过程通常被认为是周期性的不稳定传热[5]。在周期热作用中，最基本的是谐波热作用，即温度随时间做正弦或余弦规则变化。事实上，墙体温度并不是随时间做余弦或正弦规则地变化，但在分析计算精度要求不高的情况下，可近似按谐波热作用考虑，以简化传热计算分析的复杂程度。通过研究谐波热作用下的传热过程，反映墙体在周期热作用下的传热特性。
1.2 谐波热作用下的墙体材料热特性
    ① 热导率
    热导率是建筑材料固有的物性参数，用于表征材料传热性能优劣，对于不同墙体材料，热导率越小，绝热性能越好。
   ② 蓄热系数
在建筑热工研究中，把某一匀质半无限大平壁一侧受到谐波热作用时，迎波面上接受的热流波幅与该表面的温度波幅之比作为材料的蓄热系数。蓄热系数越大，墙体材料的热稳定性越好。墙体材料蓄热系数S的计算式为：
 
式中S——墙体材料的蓄热系数，W/(m2·K)
    λ——墙体材料的热导率，W/(m·K)
    cp——墙体材料的比定压热容，J/(kg·K)
    ρ——墙体材料的密度，kg/m3
    T——温度波动周期，s
    ③ 热惰性指标
热惰性指标表征材料层或墙体受到周期热作用后，背波面(墙体内壁面)上对温度波衰减快慢程度的无量纲指标，是说明材料层抵抗温度波动能力的特性指标。热惰性指标取决于材料层迎波面的抗温度波能力和温度波传至背波面时所受到的阻力，热惰性指标越大说明温度波在其间衰减越快。墙体材料层热惰性指标D的计算式为：
 
式中D——墙体材料层的热惰性指标
    R——墙体材料层的热阻，m2·K/W
    δ——墙体材料层的厚度，m
当墙体由多层材料组成时，墙体热惰性指标Dt为各材料层热惰性指标之和，计算式为：
 
式中Dt——墙体的热惰性指标
    n——墙体各材料层的数量
    Di——第i层材料层的热惰性指标
    Ri——第i层材料层的热阻，m2·K/W
    Si——第i层材料层蓄热系数，W/(m2·K)
    ④ 表面蓄热系数
    表面蓄热系数是指在周期热作用下，物体表面温度升高或降低1℃时，单位面积储存或释放的热流量[5]。
    计算墙体结构见图1，1～n分别代表墙体的各材料层，当墙体外侧存在谐波热作用时，若各材料层的热惰性指标均小于1.0，则有：
 
式中Y1、Y2、Yn-1、Yn——墙体各材料层内侧的表面蓄热系数，W/(m2·K)
    R1、R2、Rn——墙体各材料层的热阻，m2·K/W
    S1、S2、Sn——墙体各材料层的蓄热系数，W/(m2·K)
    hin——墙体内壁表面传热系数，W/(m2·K)
    若第i层的热惰性指标≥1.0，则该层有Yi=Si，此时第i+1层至第陀层的内侧表面蓄热系数可不再计算。
 

1.3 谐波热作用下的墙体传热特征
    ① 衰减度
    在谐波热作用下，从室外空间到墙体内壁面，温度波振幅逐渐减小，一般把室外温度波振幅与由谐波热作用引起的墙体内壁面温度波振幅之比称为温度波的穿透衰减度(简称衰减度)。衰减度γ0的计算式为[6]：
 
式中γ0——衰减度
    Θout——室外温度波振幅，℃
    Θin——墙体内壁面温度波振幅，℃
    hout——墙体外壁表面传热系数，W/(m2·K)
   ② 延迟时间
   从室外空间到墙体内壁面，温度波的相位逐渐向后推延，即出现最高温度的时刻向后推迟。墙体内壁面出现最高温度的时刻与室外空间出现最高温度时刻的时间差称为温度波穿过墙体的延迟时间。延迟时间t0的计算式为：
    t0=tin,max-tout,max    (8)
式中t0——延迟时间，s
    tin,max——墙体内壁面出现最高温度的时刻，s
    tout,max——室外空间出现最高温度的时刻，s
2 数值计算方法
2.1 模型的建立
   为了符合实际墙体结构，且便于比较不同墙体的动态传热特性，本文主要研究对流传热影响(太阳辐射等因素转化为室外综合温度)。物理模型见图2。左侧为墙体内侧，温度保持恒定；右侧为墙体外侧，温度周期性波动；除墙体内外壁面外，其他表面视为绝热；墙体厚度由墙体结构决定。5种常见墙体的具体结构见表1，各种材料的热工参数见表2。

表1 各种墙体的具体结构
墙体编号
墙体结构(从内侧到外侧)
绝热形式
1
20mm厚水泥砂浆+190mm厚混凝土空心砌块+20mm厚水泥砂浆
无
2
20mm厚水泥砂浆+190mm厚混凝土空心砌块+30mm厚EPS板+20mm厚水泥砂浆
外保温
3
20mm厚水泥砂浆+190mm厚混凝土空心砌块(内填膨胀珍珠岩)+20mm厚水泥砂浆
自保温
4
20mm厚水泥砂浆+30mm厚EPS板+190mm厚混凝土空心砌块+20mm厚水泥砂浆
内保温
5
20mm厚水泥砂浆+190mm厚混凝土空心砌块+50mm厚EPS板+20mm厚水泥砂浆
外保温
表2 墙体材料热工参数[7～13]
墙体材料
厚度/mm
密度/(kg·m-1)
热导率/(W·m-1·K-1)
水泥砂浆
20
1800
0.930
混凝土空心砌块
190
1300
0.700
混凝土空心砌块(内填膨胀珍珠岩)
190
1350
0.250
EPS板(30mm厚)
30
30
0.042
EPS板(50mm厚)
50
30
0.O42
墙体材料
比定压热容/(J·kg-1·K-1)
蓄热系数/(W·m-1·K-1)
热惰性指标
水泥砂浆
1050
11.30
0.24
混凝土空心砌块
880
4.13
1.21
混凝土空心砌块(内填膨胀珍珠岩)
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 模型简化
    对物理模型进行简化，设定条件为：墙体为无限大平板；各层材料为均质，且各向同性，各材料层间紧密接触，材料热物性不随温度变化；墙体内侧和外侧表面传热系数恒定；墙体内侧空气温度恒定。
2.3 数学模型
   ① 控制方程
对于不同建筑材料构成的多层墙体，温度为非稳态三维场[4]，根据傅里叶定律建立非稳态无内热源传热控制方程：
 
式中θ——温度，℃
    t——时间，s
    x、y、z——坐标，m
根据设定条件，λ为常量，式(9)简化为：
 
    由于墙体长度、宽度远大于其厚度，因此本文将墙体设定为无限大平板，仅讨论一维层流及耦合传热过程，即空气与墙体的所有热物性参数都视为常量。基于上述设定，可以给出满足质量守恒、动量守恒、能量守恒的一维非稳态导热微分方程：
 
式中a——热扩散率，m2/s
   ② 边界条件
   a. 墙体两侧均为第三类边界条件墙体内壁面边界条件为：
 
式中θin,air——墙体内侧空气温度，℃
    θ(0，t)——t时刻墙体内壁面温度，℃
   式(12)中hin取8.7W/(m2·K)[5]。θin,air为夏季空调室内计算温度，取26℃。
墙体外表面边界条件为：
 
式中θout,air(t)——t时刻墙体外侧空气温度，℃
    θ(δ，t)——t时刻墙体外表面温度，℃
   式(13)中hout取19W/(m2·K)[5]。
   b. 墙体外侧空气温度呈简谐波规律变化，本文选取武汉作为夏热冬冷地区的典型城市进行分析，利用武汉夏季某典型日的室外空气温度[15]。进行计算，拟合的墙体外侧逐时温度见图3。

3 计算结果及分析
    基于国内外计算传热学的现有研究方法[16～21]，采用CFD软件对不同结构墙体的热工特性进行模拟，在墙体温度波动稳定后，分析不同结构墙体的热工特性。
3.1 墙体的热工特性
    基于上述数值计算方法及表1、2中的数据，计算不同结构墙体的热工特性指标，见表3。由表3可知，在墙体主体部分相同的条件下(均为混凝土空心砌块)，墙体延迟时间差异较小，这主要是由于水泥砂浆和绝热材料对墙体的延迟时间影响较小，墙体的延迟时间由墙体的主体材料决定[17]。
    表3 不同结构墙体的热工特性指标
墙体编号
传热系数/(W·m-2·K-1)
热惰性指标
衰减度
延迟时间/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 墙体外壁面温度分析
    不同结构墙体外壁面温度的数值计算结果见表4。由表4可知，1号墙体外壁面的最高、最低温度分别为35.9、29.1℃，平均温度为32.0℃，明显低于使用绝热材料的其他墙体。采取绝热措施后，墙体外壁面温度要高于未采取绝热措施的墙体。2～5号墙体均采用了不同形式或不同厚度的绝热材料，与1号墙体相比，各墙体外壁面温度差距较小。因此，随着同一温度波连续作用，不同结构墙体的外壁面温度均存在波动，其中未使用绝热材料的墙体外壁面温度明显低于其他使用绝热材料墙体的外壁面温度。采用绝热材料墙体的外壁面温度差别较小，墙体外壁面温度与是否采取绝热措施有关，与采用的绝热形式基本无关。
表4 不同结构墙体外壁面温度
墙体编号
最高温度/℃
最低温度/℃
平均温度/℃
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 墙体内壁面温度分析
   ① 不同绝热形式的墙体
   对比采用不同绝热形式的墙体，1号墙体未采取绝热措施，2号墙体和4号墙体采用30mm厚EPS板，2号墙体采用外保温，4号墙体采用内保温，墙体主体部分均为190mm厚混凝土空心砌块。
   在同一温度波的连续作用下，1、2、4号墙体内壁面逐时温度见图4。由表3、图4可知，1号墙体内壁面平均温度比2号墙体高约0.8℃，比4号墙体高约0.5℃。对比墙体传热系数，1号墙体的传热系数明显高于2、4号墙体。因此，墙体传热系数越大，内壁面温度越高。

   2号与4号墙体的传热系数和热惰性指标均相同，但2号墙体的衰减度大于4号墙体。在同一温度波连续作用下，外保温墙体的温度波动范围小于内保温墙体，且内壁面平均温度更低。因此，在传热系数和热惰性指标相同的情况下，衰减度大的墙体内壁面温度波动幅度小，传热量更少，热稳定性更好。对于夏热冬冷地区的既有建筑墙体节能改造，宜优先考虑衰减度大的外保温形式。
   ② 不同绝热材料和绝热形式的墙体
   对比采用不同绝热材料和绝热形式的墙体。2号墙体采用30mm厚EPS板的外保温形式，3号墙体采用190mm厚混凝土空心砌块(内填膨胀珍珠岩)的自保温形式。2、3号墙体的衰减度分别为35.68、64.73。在同一温度波的连续作用下，2、3号墙体内壁面逐时温度见图5。由图5可知，3号墙体的内壁面温度低于2号墙体，因此衰减度大的墙体，内壁面温度较低。对于外保温和自保温墙体，宜考虑采用衰减度大的自保温墙体。但既有建筑进行自保温改造困难较大，因此自保温更适用于新建建筑。

   ③ 不同厚度绝热材料的外保温墙体
   对比不同厚度绝热材料的外保温墙体。2号墙体采用30mm厚EPS板作为绝热材料，5号墙体采用50mm厚EPS板作为绝热材料。2、5号墙体的衰减度分别为35.68、47.26。在同一温度波的连续作用下，2、5号墙体内壁面逐时温度见图6。由图6可知，5号墙体的内壁面温度波动范围小于2号墙体，且前者内壁面温度低于后者。因此衰减度大的墙体内壁面温度更低，热稳定性更好。但2号与5号墙体内壁面温度差别不大，因此随着绝热材料厚度的增加，绝热效果改善不明显。
 

4 结论
    ① 在同一温度波的连续作用下，未采取绝热措施的墙体外壁温波动较大，平均温度低于采取绝热措施的墙体。采取绝热措施的墙体，外壁面温度差别较小。墙体外壁温与是否采取绝热措施有关，与采用的绝热形式基本无关。
    ② 对比采用不同绝热形式的墙体，外保温墙体比内保温墙体衰减度大，内壁面温度波动幅度小，内壁面平均温度低，热稳定性更好，室内的舒适性能更好。
    ③ 对比采用不同绝热材料和绝热形式的墙体，衰减度大的自保温墙体内壁面温度波动幅度更小，内壁面温度更低，热稳定性更好。
    ④ 对比不同厚度绝热材料的外保温墙体，绝热材料厚度越大，衰减度越大，墙体内壁面温度越低，热稳定性越好。但绝热材料达到一定厚度后，随着厚度的增加，隔热效果改善并不明显。
    ⑤ 在夏热冬冷地区特征气候条件下，基于夏季隔热考虑，对于新建建筑，墙体宜采用自保温的形式；对于既有建筑，墙体节能改造宜采用外保温的形式。
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(本文作者：吴彻平1 彭家惠1 姜涵2 1.重庆大学 材料科学与工程学院 重庆 400044；2.重庆市设计院 重庆 400015)