何 欣，楊峰俊

（1山東建筑大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計研究院，山東濟南250014；2濟南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程管理學(xué)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(shè)計是重點，墻體的保溫、采暖消耗更多能耗[4]。目前國內(nèi)外的學(xué)者專家對此類問題已有專業(yè)的分析和研究，國外學(xué)者改變建筑節(jié)能標準，頒布執(zhí)行相關(guān)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(nèi)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(yīng)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(yīng)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(yīng)確定墻體相應(yīng)材料特性，見表1。

表1 墻體相應(yīng)材料特性Table 1 Characteristics of wall materials

根據(jù)以上內(nèi)容計算各墻體相應(yīng)材料的衰減倍數(shù)和延遲時間，對應(yīng)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(nèi)容可知，墻體厚度與延遲時間相關(guān)，墻體保溫性能決定衰減倍數(shù)，根據(jù)這一特點，構(gòu)建墻體保溫體系。

1.2 構(gòu)建墻體保溫體系

以往的墻體保溫結(jié)構(gòu)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(fù)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(jīng)濟性比較差[12]。

總結(jié)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(yīng)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?？招钠鰤K等材料的基礎(chǔ)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(chǔ)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(nèi)容可知擠塑板在墻體保溫中具有較好的應(yīng)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(jié)合經(jīng)濟性分析，將節(jié)能裝飾材料應(yīng)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(dǎo)熱和對流[14]。假設(shè)墻體厚度為b，墻體兩側(cè)的溫度為ω1和ω2，在計算中設(shè)置ω1>ω2，而熱流會利用導(dǎo)熱這一形式從一個溫度高的方向傳遞到溫度低的一側(cè)，利用公式(3)計算單位時間內(nèi)流經(jīng)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(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。經(jīng)過上述計算節(jié)能材料的導(dǎo)熱性能。

在計算對流時，還需要結(jié)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(jié)構(gòu)材料層的性質(zhì)相關(guān)，由此可知，其傳熱計算公式為：

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

式（8）中：ρ表示熱流密度，W/m2；ti表示平壁內(nèi)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(guān)。在保證墻體保溫的同時突出節(jié)能材料的經(jīng)濟性，建立墻體保溫層最佳經(jīng)濟厚度模型。

1.5 建立墻體保溫層最佳經(jīng)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(jié)合構(gòu)建最佳經(jīng)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(nèi)，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(jīng)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(jīng)濟厚度，結(jié)合墻體傳熱水平和材料熱工性能，將節(jié)能裝飾材料應(yīng)用到超高層建筑墻體中。

1.6 將節(jié)能裝飾材料應(yīng)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(yīng)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(jié)示意圖如圖3所示。

圖3 聚苯板點框粘結(jié)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(jié)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(yīng)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(yù)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(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由200個節(jié)點構(gòu)成，節(jié)點隨機分布于100m×100m的范圍中。不同方法的預(yù)測過程能耗對比如圖4所示。

圖4 不同預(yù)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(yù)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(yù)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(jié)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(jié)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(yīng)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(yīng)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(shù)支持，為建筑業(yè)的發(fā)展提供更多的發(fā)展可能。