聶艷妮，徐迅，2，劉倩，余波，段俐伶，王宗浩

（1.西南科技大學 土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010；2.廣西大學 廣西防災減災與工程安全重點實驗室，廣西 南寧 530001；3.廣西大學 工程防災與結構安全教育部重點實驗室，廣西 南寧 530001；4.廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 530001）

0 引言

建筑業(yè)是我國能源消耗的一大重點，2018年建筑全過程能耗總量占全國能源消費總量的46.5%[1]，建筑業(yè)的節(jié)能潛力最大。建筑物圍護結構的節(jié)能研究是探索綠色發(fā)展的重要途徑，其中墻體材料的保溫隔熱性能的研究極為重要。目前出現(xiàn)了許多輕質、保溫的墻體材料，部分學者利用DeST-c[2]、有限元[3]及Ecotect Analysis 軟件[4]對不同地區(qū)的墻體材料進行了能耗模擬[5-6]，通過解讀這些熱工指標，可以有效地對建筑物圍護結構進行設計和方案改造。而本課題組前期對多孔硫氧鎂混凝土[7]、樹脂透光混凝土[8]的研究發(fā)現(xiàn)這2 種材料具有優(yōu)異的力學性能和熱工性能。本文利用Ecotect Anlysis 軟件，將這2 種材料與常見的墻體材料如實心黏土磚、加氣混凝土砌塊進行能耗模擬，探究其保溫隔熱性能的優(yōu)異性。

1 模型建立

1.1 模型建立

本文建立的模型類別為新農村自建房，層數(shù)為2 層，2 層結構相同，層高均為3.3 m，橫向跨度11.5 m，縱向跨度10.8 m，建筑總面積190.14 m2。位于四川省綿陽市，屬于夏熱冬冷地區(qū)，氣候條件來源于中國氣象局數(shù)據(jù)庫。實驗室模型和可視化視圖模型如圖1、圖2 所示。

圖1 建筑物的3D 模型

圖2 建筑物的可視化模型

1.2 設置模型參數(shù)

在建立了Ecotect Anlysis 模型后，對圍護結構進行材質設置，分別設置5 種不同材質的墻體圍護結構模型，即多孔硫氧鎂混凝土、實心黏土磚、加氣混凝土空心砌塊、導熱系數(shù)分別為0.306、0.253 W/（m·K）的樹脂透光混凝土，新農村自建房模型圍護結構材料參數(shù)見表1、表2。

表1 模型圍護結構的材料參數(shù)[9]

表2 5 種墻體材料參數(shù)[9]

1.3 區(qū)域屬性設置

區(qū)域屬性設置一般包括了室內的人員數(shù)、著衣情況、活動狀態(tài)等參數(shù)，室內設備使用情況，熱環(huán)境屬性設置即建筑物內空調等使用情況?？紤]到本文主要是比較幾種材質的圍護結構對建筑物能耗的相關情況，所以將5 種材質下的區(qū)域屬性情況設為一致。

新農村自建房為民用住宅建筑[10]，室內設置中的人員數(shù)量設置為4 人，活動為靜坐70 W[11]。人員逐時在室率如表3所示。

表3 人員逐時在室率 %

室內得熱情況主要由燈具和小型電器產生，所以需要對設備使用情況、顯熱得熱、潛熱得熱進行設置。本文的顯熱得熱和潛熱得熱分別設置為7、3 W/m2[11]，具體設備使用情況與人員在室活動情況時間表一致。

熱環(huán)境屬性設置為全空調系統(tǒng)，設置空調使用時間為24 h。舒適溫度范圍為18～26 ℃。

2 熱環(huán)境分析

對于建筑物來說，適宜的室內溫濕度是滿足人們工作和生活的基本要求。而室內外溫度差和太陽輻射熱是建筑物圍護結構主要的得失熱源，如果需要保持建筑的室內熱穩(wěn)定性，并且節(jié)約能耗，就需要盡可能地減少圍護結構傳遞的熱流量。

2.1 圍護結構得失熱

Ecotect Anlysis 可以計算出不同圍護結構得失熱情況，通過數(shù)據(jù)對比可以分析墻體材料的保溫性能差異。本文采用了最熱日8 月1 日，最冷日1 月24 日及3 月21 日，9 月21 日的氣象數(shù)據(jù)進行圍護結構得失熱。

圖3 為8 月1 日室外溫度變化曲線，圖4 為8 月1 日該建筑物圍護結構的得失熱情況。

圖3 8 月1 日室外溫度的變化曲線

圖4 8 月1 日圍護結構的得失熱

由圖可以看出，從08：00 到17：00，室外氣溫逐漸升高，圍護結構熱傳導熱量在增加，17：00 之后室外溫度有所降低，圍護結構得失熱也隨之降低。從圖4 看出，在一整天的得失熱變化情況中，實心黏土磚的圍護結構得失熱量較大，總熱量達到203 105 W·h，樹脂透光混凝土-2 的得失熱量最小，總熱量為177 354 W·h，多孔硫氧鎂混凝土、加氣混凝土砌塊、樹脂透光混凝土-1 的得失熱量相當，分別為189 061、185 262、182 156 W·h。故保溫隔熱性能：SZT-2>SZT-1>JQH>DKL>NTZ，保溫性能最好的為樹脂透光混凝土-2，保溫性能最差的為實心黏土磚。

圖5 為1 月24 日室外溫度變化曲線，圖6 為1 月24 日該建筑物圍護結構的得失熱情況。

圖5 1 月24 日室外溫度的變化曲線

圖6 1 月24 日圍護結構的得失熱

由圖5 可見，在這一天中，室外溫度從00：00 到09：00 下降，從09：00 到17：00，室外溫度逐漸升高至最高溫度，接著有小幅度的下降。所以圍護結構得失熱在00：00 到09：00 有大幅度下降，09：00 之后升高。從圖6 中看出，實心黏土磚的得失熱量仍為最大，達到-375 883 W·h，樹脂透光混凝土-2稍好于樹脂透光混凝土-1，分別為-298 844、-305 071 W·h，加氣混凝土空心砌塊與多孔硫氧鎂混凝土的保溫隔熱性能相當，分別為-333 869、-322 503 W·h。保溫隔熱性能：SZT-2>SZT-1>JQH>DKL>NTZ，保溫性能最好的為樹脂透光混凝土-2，保溫性能最差的為實心黏土磚。

圖7 為3 月21 日該建筑圍護結構的得失熱情況。

圖7 3 月21 日圍護結構的得失熱

由圖7 可見，隨著室外溫度的降低，圍護結構損失熱量增加，隨著溫度的升高，圍護結構得熱量增加。幾種材質圍護結構的得失熱情況分別為多空硫氧鎂混凝土：-64 759 W·h，實心黏土磚：-76 943 W·h，加氣混凝土砌塊：-61 462 W·h，樹脂透光混凝土-1：-55 094 W·h，樹脂透光混凝土-2：-54 601 W·h。故保溫性能：SZT-2>SZT-1>JQH>DKL>NTZ。保溫性能最好的仍然為樹脂透光混凝土-2，保溫性能最差的為實心黏土磚。

圖8 為9 月21 日該建筑圍護結構的得失熱情況。

圖8 9 月21 日圍護結構的得失熱

由圖8 可見，幾種材質圍護結構的得失熱情況分別為多空硫氧鎂混凝土：41 606 W·h，實心黏土磚：45 702 W·h，加氣混凝土砌塊：40 497 W·h，樹脂透光混凝土-1：39 901 W·h，樹脂透光混凝土-2：38 191 W·h。故保溫性能：SZT-2>SZT-1>JQH>DKL>NTZ。保溫性能最好的仍然為樹脂透光混凝土-2，保溫性能最差的為實心黏土磚。

2.2 空調能耗

空調系統(tǒng)在建筑物中為人們提供舒適的環(huán)境，在外界環(huán)境溫度低于設定溫度時會開啟供暖模式，外界溫度高于設定溫度時，會開啟制冷模式。本文設定的溫度舒適范圍為18～26 ℃，空調系統(tǒng)處于長時間的高負荷運行，會產生較大的空調能耗。對不同墻體材質進行空調能耗的分析也可以看出該種墻體材料是否對建筑物節(jié)能有所幫助。本文采用了8 月1日（最熱日）和1 月24 日（最冷日）的空調能耗進行對比分析。圖9 為8 月1 日該建筑空調能耗情況。

圖9 8 月1 日該建筑的空調能耗

由圖9 可知，實心黏土磚的空調能耗最大，達到282 829 W·h，其次分別是多孔硫氧鎂混凝土：268 785 W·h，加氣混凝土空心砌塊：264 986 W·h，樹脂透光混凝土-1：261 880 W·h，樹脂透光混凝土-2：257 078 W·h。即06：00 到17：00 室外溫度持續(xù)升高，空調制冷能耗也不斷升高，18：00 之后，室外溫度降低，空調制冷能耗下降。

圖10 為1 月24 日該建筑空調能耗情況。

圖10 1 月24 日該建筑的空調能耗

由圖10 可見，全天空調能耗NTZ＞DKL＞JQH＞SZT-1＞SZT-2。在00：00 到08：00 時間段，隨著溫度的降低，空調系統(tǒng)供暖能耗逐漸增大，09：00 到18：00 時間段，隨著溫度的上升，空調系統(tǒng)能耗也逐漸降低。之后溫度再次降低，空調能耗也再次增大。

2.3 總能耗分析（見表4）

表4 全年空調總能耗 W·h

從表4 可以看出，該建筑模型5 種圍護結構材料中，全年空調總能耗是NTZ＞DKL＞JQH＞SZT-1＞SZT-2。通過對比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的實心黏土磚保溫能力最差，2 種樹脂透光混凝土的保溫能力都較好，其中導熱系數(shù)低的樹脂透光混凝土-2 的保溫隔熱效果最佳。

5 種圍護結構的逐月空調能耗如圖11 所示。

圖11 5 種圍護結構的逐月空調能耗

由圖11 可以看出，該建筑模型冬季采暖能耗遠遠大于夏季制冷能耗，對其進行對比分析發(fā)現(xiàn)與空調運行時間有關。在Ecotect Anlysis 的區(qū)域設置中，對空調的運行時間調整[情況1（原始情況）空調運行時間為全天；情況2 將空調運行時間調整為08：00-18：00；情況3 將空調運行時間調整為18：00-08：00]，其余內容不變。由于本次對比的變量為冬季與夏季的能耗，所以僅選取樹脂透光混凝土-2 進行計算。

模擬的結果如表5 所示。

表5 3 種情況逐月空調能耗 W·h

由表5 可以發(fā)現(xiàn)，空調運行時間為白天（情況2）時，冬季（12 月、1 月）能耗與夏季（7 月）能耗相差不大?？照{運行時間為晚上（情況3）時，夏季能耗遠遠小于冬季能耗。即夏季能耗與冬季能耗的差異性體現(xiàn)在空調系統(tǒng)的運行時間上，原因是由于夏季晚上室外溫度在人體舒適度范圍內，圍護結構墻體熱傳遞得熱速率降低，圍護結構傳遞的熱流量減少，所以空調能耗也隨之降低。

2.4 熱工性能對能耗的影響

圍護結構傳熱系數(shù)是用來度量材料的導熱能力，表示材料在單位面積上允許熱量通過的能力[12]。傳熱系數(shù)越低，說明材料的保溫性能越好。表6 為5 種材料的熱工指標。

表6 材料的熱工指標

對表6 傳熱系數(shù)和導熱系數(shù)進行比較發(fā)現(xiàn)，5 種材料的保溫性能為：加氣混凝土空心砌塊＞樹脂透光混凝土-2＞樹脂透光混凝土-1＞多孔硫氧鎂混凝土＞實心黏土磚。

但從表4 全年空調總能耗中可以看出，實心黏土磚是保溫隔熱性能最差的，樹脂透光混凝土-2 是保溫隔熱性能最好的墻體材料。所以僅從傳熱系數(shù)和導熱系數(shù)判斷保溫性能并不全面，所以引入了其他熱工指標來校驗本次模擬的正確性。

蓄熱系數(shù)、熱阻和熱惰性指標等熱工指標也可以評價材料的保溫隔熱性能[13]。它們的計算公式如下：

式中：S——蓄熱系數(shù)，W/（m2·K）；

T——熱作用周期，T=24；

λ——導熱系數(shù)，W/（m·K）；

c——比熱容，J/（kg·K）；

r0——密度，kg/m3。

式中：R——熱阻，（m2·K）/W；

δ——材料厚度，m。

式中：D——熱惰性指標。

分別對多孔硫氧鎂混凝土、實心黏土磚、加氣混凝土空心砌塊、樹脂透光混凝土進行蓄熱系數(shù)、熱阻、熱惰性指標的計算，結果如表7 所示。

表7 圍護結構材料的保溫隔熱性能對比

對于實際建筑來說，熱惰性指標可以評價圍護結構抵抗熱流波和溫度波在材料層間傳播的能力，相較于熱阻只能表示穩(wěn)定傳熱時的抵抗導熱的能力，熱惰性指標更能反應實際建筑的保溫隔熱性能，因此熱惰性指標可以評價圍護結構墻體的保溫隔熱性能。熱惰性指標越大，說明圍護結構材料抵御熱流波和溫度波的能力越好，保溫隔熱性能就越好。從表7 可以看出，5 種材料保溫隔熱性能從高到低分別為：樹脂透光混凝土-2＞樹脂透光混凝土-1＞加氣混凝土空心砌塊＞多孔硫氧鎂混凝土＞實心黏土磚，與模擬數(shù)據(jù)能耗結果一致。

3 結論

（1）5 種材質的圍護結構中，實心黏土磚的保溫隔熱能力最差，樹脂透光混凝土-2 的保溫隔熱性能最好，其次依次是樹脂透光混凝土-1、加氣混凝土空心砌塊、多孔硫氧鎂混凝土。

（2）利用導熱系數(shù)不能很好地評價材料的保溫隔熱能力，可對材料進行熱惰性指標分析，而2 種樹脂透光混凝土中，導熱系數(shù)低的樹脂透光混凝土-2 的保溫隔熱性能更好。

（3）住宅建筑全空調系統(tǒng)冬季能耗高于夏季能耗，在建筑設計時期應該加強冬季保溫措施。