劉秀平

（廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530023）

0 引言

隨著對住宅建筑需求的不斷增加，人們對室內(nèi)生活舒適度的要求越來越高，如何保持室內(nèi)的熱舒適性是建筑設(shè)計的關(guān)鍵所在。其中外墻保溫則是最重要的措施之一，選擇合適的保溫材料和保溫厚度對保持室內(nèi)熱舒適性至關(guān)重要[1]。保溫層的最佳厚度對外墻保溫非常重要，目前對這方面的研究多采用實驗研究和仿真模擬。ElvisWati[2]通過計算熱帶地區(qū)連續(xù)使用建筑外墻的最佳隔熱厚度得出，對于南向、北向和東/西向墻，最佳保溫厚度分別為0.035 cm、0.029 cm 和0.036 cm。Shanmuga Sundaram[3]進一步研究了印度城市的最佳保溫厚度、年電能消耗、年能源成本和回收期，并提供了詳細的保溫材料數(shù)據(jù)庫。L.Derradji[4]研究了阿爾及利亞一座原型建筑的熱行為和能源性能，計算結(jié)果表明，發(fā)泡聚苯乙烯的最佳保溫厚度在1～2.5 cm 之間。許成城[5]分析比較了發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）、聚氨酯（PU）和擠塑聚苯乙烯（XPS）三種保溫材料的外保溫墻的經(jīng)濟效益。三種材料的最佳厚度分別為69.8、39.8 和49.7 mm。Huang R&D[6]建立了外墻保溫最佳厚度的全生命周期數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)最佳厚度在32.9 ～111 mm，而大多數(shù)商用的保溫材料為8 mm，在最佳保溫厚度范圍內(nèi)。Axaopoulos Petros J[7]研究了在烏茲別克斯坦使用發(fā)泡聚苯乙烯、發(fā)泡聚苯乙烯和礦物棉的最常見外墻的經(jīng)濟最佳保溫厚度，發(fā)現(xiàn)最佳絕緣厚度在3.75 ～11.0 cm 之間。上述研究有助于對外墻保溫的合理設(shè)計，但對于不同保溫外墻形式的最優(yōu)保溫層厚度的系統(tǒng)研究較少。

采用有限元仿真模擬技術(shù)深入探討內(nèi)保溫、夾芯保溫、外保溫、砂漿保溫四種不同外墻保溫措施的最優(yōu)保溫層厚度，分析結(jié)果可為住宅建筑的外墻設(shè)計提供一定理論支持。

1 外保溫墻體

在中國民用建筑外墻多采用20 mm 水泥砂漿+240 mm 黏土多孔磚+20 mm 水泥砂漿的施工構(gòu)造，室內(nèi)環(huán)境受室外溫度、太陽輻射、寒潮暴雨的影響顯著，需采取必要的保溫措施。目前常用的保溫措施分為內(nèi)保溫、夾芯保溫、外保溫、砂漿保溫四類（表1），其中在內(nèi)保溫、夾芯保溫、外保溫措施中多采用厚度40 ～80 mm 不等、導(dǎo)熱系數(shù)較低的聚苯板、擠塑板、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、巖棉礦棉玻璃棉板等，砂漿保溫措施則在黏土多孔磚外側(cè)增加一層保溫砂漿保溫。采取上述保溫措施后建筑空間可有效抵御外界氣候?qū)κ覂?nèi)溫度的不利影響，從而提升居住環(huán)境的舒適性。

表1 民用建筑外墻常見構(gòu)造措施

2 外墻溫度場仿真分析

2.1 有限元模型

外墻保溫性能分析采用SOLID70 熱分析單元建立ANSYS 有限元分析模型（如圖1 所示），建筑外墻由砂漿單元、墻體基層單元（黏土多孔磚/加氣混凝土砌塊）和保溫層單元（保溫材料、保溫砂漿）組成，中間開設(shè)有1.5 m × 1.8 m 的窗口，各類材料的熱力學(xué)參數(shù)見表2。墻體外表面采用第三類邊界條件，散熱系數(shù)為23.0 W/m2·k，并同時計入外界氣溫變化、太陽輻射對室內(nèi)溫度的影響。

圖1 民用建筑外墻有限元模型

表2 材料熱力學(xué)參數(shù)

2.2 結(jié)果分析

由人體對室內(nèi)溫度舒適度體驗可知：人體較舒適的室內(nèi)溫度為18 ～26 ℃，當(dāng)室內(nèi)溫度高于25 ℃時體感炎熱，低于10 ℃時體感寒冷，舒適度體驗較差，此時為提升人體在室內(nèi)的舒適性往往需開啟空調(diào)等設(shè)備進行溫度調(diào)控。

保溫材料選用聚氨酯保溫塑料，分別模擬外保溫、內(nèi)保溫、夾芯保溫和砂漿保溫工況不同保溫層厚度對南京室內(nèi)溫度的影響（圖2～圖5）。計算結(jié)果表明：

圖2 外保溫不同保溫厚度溫度段累計天數(shù)

圖3 內(nèi)保溫不同保溫厚度溫度段累計天數(shù)

圖5 砂漿保溫不同保溫厚度溫度段累計天數(shù)

（1）采取外保溫、內(nèi)保溫、夾芯保溫以及砂漿保溫措施的民用建筑室內(nèi)熱環(huán)境和人體舒適度隨著保溫層厚度的增加而有所改善。

（2）外保溫措施：50 mm 保溫層厚度建筑室內(nèi)溫度在<10 ℃、10 ～18 ℃、18 ～26 ℃和>26 ℃溫度段的累計天數(shù)分為108 天、107 天、108 天和43 天，相較于30 mm 保溫層厚度（105 天、103 天、69 天和88 天）、40 mm 保溫層厚度（107 天、101 天、82 天和75 天）在人體舒適溫度和夏季高溫累計天數(shù)上表現(xiàn)更為優(yōu)異。而50 mm、60 mm、70 mm 保溫層厚度在各溫度段的累計天數(shù)則十分接近，此時保溫層厚度的增加無法再有效提升建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫節(jié)能效應(yīng)。因此，對于夏熱冬冷地區(qū)外墻外保溫措施的保溫層經(jīng)濟厚度為50 mm。

（3）內(nèi)保溫措施：60 mm 保溫層厚度建筑室內(nèi)溫度在不同溫度段的累計天數(shù)分為102 天、107 天、82天和72 天，優(yōu)于30 mm 保溫層厚度（104 天、95 天、61 天和105 天）、40 mm 保溫層厚度（106 天、97 天、67 天和95 天）和50 mm 保溫層厚度（110 天、98 天、69 天和88 天）。而60 mm、70 mm 保溫層厚度的保溫節(jié)能效應(yīng)基本一致。因此，對于采取砂漿保溫措施的外墻，其保溫層經(jīng)濟厚度為60 mm。

（4）夾芯保溫措施：50 ～60 mm 保溫層厚度建筑室內(nèi)溫度在不同溫度段的累計天數(shù)（108 和107 天、105和104 天、72 和78 天、80 和76 天）相對優(yōu)于30 mm 保溫層厚度（104 天、97 天、66 天和98 天）、40 mm 保溫層厚度（106 天、102 天、69 天和88 天），且60 mm 和70 mm 保溫層厚度的保溫節(jié)能效應(yīng)基本一致。因此，相對于外保溫、內(nèi)保溫措施，采取砂漿保溫措施的外墻，其保溫層經(jīng)濟厚度建議取50 ～60 mm。

（5）砂漿保溫措施：40 mm 保溫層厚度建筑室內(nèi)溫度在不同溫度段的累計天數(shù)分為104 天、104 天、74 天和83 天，優(yōu)于20 mm 保溫層厚度（105 天、89天、64 天和107 天）、20 mm 保溫層厚度（106 天、99天、66 天和94 天）。而40 mm、50 mm、60 mm 保溫層厚度的保溫節(jié)能效應(yīng)基本一致。因此，對于采取砂漿保溫措施的外墻，其保溫層經(jīng)濟厚度為40 mm。

3 結(jié)語

本文借助ANSYS 有限元分析軟件構(gòu)建了建筑保溫外墻的三維模型，開展了民用建筑室內(nèi)溫度分析的仿真分析。分析結(jié)果表明：采取措施后的民用建筑室內(nèi)熱環(huán)境和人體舒適度均隨著保溫層厚度的增加而有所改善。對于像我國這樣的夏熱冬冷地區(qū)，建筑外墻采用外保溫、內(nèi)保溫、夾芯保溫、砂漿保溫措施時，建議最優(yōu)保溫厚度分別為50 mm，60 mm，50 ～60 mm和40 mm。本文仿真模擬只考慮了聚氨酯保溫塑料一種保溫材料，后續(xù)可進一步展開不同方位墻體、不同保溫材料的最優(yōu)保溫厚度分析，為外墻保溫設(shè)計提供更為精細化的數(shù)據(jù)。