建筑墙体热性能动态分析和保温厚度优化

吴国忠，王 晶，支 艳，白浩然，李 栋，3

（1.东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江大庆 163318； 2.中国石油天然气管道局北戴河培训中心，河北秦皇岛 066100； 3.哈尔滨工业大学能源科学工程学院，黑龙江哈尔滨 150001）

建筑墙体热性能动态分析和保温厚度优化

吴国忠1，王 晶1，支 艳2，白浩然1，李 栋1，3

（1.东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江大庆 163318； 2.中国石油天然气管道局北戴河培训中心，河北秦皇岛 066100； 3.哈尔滨工业大学能源科学工程学院，黑龙江哈尔滨 150001）

为研究动态热条件下不同结构材料的建筑墙体热性能和保温厚度优化问题，针对大庆地区冬季气候特征，建立墙体非稳态传热模型，分析分别采用Concrete、Briquette、Brick、Blokbims、AAC等5种结构材料和挤塑聚苯乙烯EPS、泡沫聚苯乙烯XPS等2种保温材料的建筑墙体热性能，计算大庆地区1月典型日的室外综合温度并进行各种墙体传热分析和保温厚度优化.结果表明：冬季最大温度波动和峰值负载发生在Concrete结构材料墙体中，其次是Briquette、Brick、Blokbims和AAC结构材料墙体中，且在相同情况下AAC结构材料墙体的保温效果明显优于其他结构材料墙体；综合考虑影响保温层经济厚度的主要因素，通过经济分析计算，得出在相同经济条件下、大庆地区采用5种不同结构材料240mm厚度墙体保温时的最优保温厚度，为建筑墙体工程应用提供指导.

建筑墙体；热性能；保温厚度优化；传热分析；动态热条件；非稳态传热模型；经济分析

DOI 10.3969／j.issn.2095－4107.2012.04.013

0 引言

采暖能耗是建筑物的主要能耗，降低采暖能耗是节能的关键.在建筑外墙及屋顶保温可以减少建筑物热损耗，以降低采暖系统的运行成本.以一个较高的初投资成本为前提，随着保温厚度的增加，节能量也随之增多；但最优保温厚度应该满足总成本最小的要求，其中总成本包括保温材料的成本和建筑在使用周期中能耗成本［1］.

涉及到最佳保温厚度研究的文献大多数采用户外度日平均温度法，它是静态条件下估计热负荷的粗糙模型，并且未考虑太阳辐射和建筑热惰性的影响.也有一些研究的文献考虑太阳辐射的影响［2］，也采用户外度日平均温度法，如为获得精确的最优保温厚度，提出稳定周期条件下基于隐式有限体积法的数值计算方法［3－4］，以及基于复杂傅立叶变换的有限元分析方法［5］.其中，Al－Sanea S A等［4］研究稳定周期条件下空心墙保温层的最佳厚度，基于现值分析法达到总成本最小化，结果表明经济的空腔结构依赖于保温材料类型.文献［6］采用Al－Sanea S A提出的动态传热模型分析建筑墙体最优保温厚度对电价的影响，结果表明最小电价总费用随不同最优保温厚度而发生线性变化.Daouas N等［5］用解析法计算突尼斯气候条件下不同建筑方向的最优绝缘厚度.

为确定大庆地区5种结构材料和2种保温材料构成的建筑墙体的热性能和最优保温厚度，建立不同结构材料和保温材料墙体的非稳态传热模型，根据大庆地区1月的气候资料［7］，计算该地区的室外综合温度，并以此作为边界条件对不同类型墙体结构的热性能展开模拟分析；考虑大庆地区的气候条件、供热方式、燃料类型及墙体各层材料等参数，优化最佳保温厚度.

1 数理模型

由M个不同厚度和物性建筑材料层组成的复合墙体结构见图1.墙体外表面以室外综合温度为温度边界条件，内表面为定温.为便于分析，假定：墙体无内热源；忽略墙体材料热物性参数的变化情况，为常数；在墙体传热过程中，不考虑湿传导及其相变潜热对墙体的热物性参数和温度的影响；材料层间接触紧密，忽略各层之间的热阻.多层墙体一维瞬态热传导方程为

式中：x和t分别是空间和时间坐标；ρj、cj和kj分别为第j层的密度、比热容和导热系数.

为求解方程（1），需要指定初始条件和边界条件.假定任意一个均匀温度场为初始条件，室内、外墙体的表面边界条件为

图1 M层复合墙体

式中：ho和hi分别为室外和室内墙壁表面的对流换热系数；Ti为室内空气温度；Te为包括太阳辐射影响的室外综合温度，

不透明墙的太阳吸收率等于深色表面的太阳吸收率，一般取0.9［8－9］.

根据大庆地区1月的室外温度［5］及对应朝向的太阳辐射值［10］，由式（4）以南墙为例求解大庆地区1月的室外综合温度，将其作为墙体外表面的边界条件.以24h为1周期，分析墙体的传热性能［11－12］.墙体的边界条件见表1.

表1 墙体边界条件

2 非保温和保温墙体的热性能

墙体由2个20mm厚水泥砂浆、240 mm厚结构层和不同厚度保温层构成.结构层分别由Concrete、Briquette、Brick、Blokbims和AAC等5种不同材料构成，保温材料主要为挤塑聚苯乙烯（XPS）和泡沫聚苯乙烯（EPS）［14］.建筑墙体热工性能由墙体结构决定，非保温和保温墙墙体见图2.

非保温墙由20mm厚外石膏、240mm结构材料和20mm内石膏组成的；保温墙由20mm外部石膏、保温材料（厚度待定）、240mm结构材料和20mm内石膏组成.墙体结构材料的热物性［14］见表2.

图2 典型墙体结构

表2 建筑材料的热物性

以大庆地区1月15日为最冷月典型日，模拟240mm厚的不同结构非保温墙体和40mmXPS保温墙体在室外综合温度作用下的墙体内表面温度和热流密度的逐时变化曲线，结果见图3和图4.

图3 墙体内表面温度变化曲线

图4 墙体内表面热流密度变化曲线

由图3可见，在非保温墙体中，采用Concrete、Briquette、Brick、Blokbims和AAC结构材料墙体的室内温度波动分别为2.16，1.72，0.97，0.60，0.46℃；在保温墙体中，它们分别为0.17，0.18，0.11，0.12，0.13℃.

由图4可见，由Concrete、Briquette、Brick、Blokbims和AAC结构材料非保温墙体获得的峰值热流密度分别为98.52，73.60，56.38，27.49，19.26W／m2；保温墙体获得的峰值热流密度分别为18.76，17.57，16.18，12.38，10.34W／m2.冬天最大温度波动和峰值负载发生在由Concrete结构材料构成的墙体，其次分别是Briquette、Brick、Blokbims和AAC结构材料构成的墙体.Concrete结构材料墙体具有最高的导热系数，热负荷最大，而AAC结构材料墙体相反.由此可见，保温墙与非保温墙相比能够有效降低内表面的温度波动和热负载峰值.

由Concrete、Briquette、Brick、Blokbims和AAC结构材料构成的非保温墙体和2种不同保温墙的内表面热流密度的逐时变化曲线见图5.由图5可见，当墙体采用保温材料时，峰值热负荷降低.当采用XPS作为墙体保温材料时，墙体峰值热负荷减少量：Concrete结构材料墙体为81.0%，Briquette结构材料墙体为76.1%，Brick结构材料墙体为71.3%，Blokbims结构材料墙体为55.0%和AAC结构材料墙体为46.3%，可见Concrete、Briquette和Brick结构材料墙体比Blokbims和AAC结构材料墙体有更显著的保温性能.

图5 240mm厚度5种不同墙体非保温与保温结构内表面热流密度变化曲线

相同厚度的不同结构材料在保温厚度相同，且为40mm厚度EPS和XPS保温材料时墙体内表面的热流密度变化曲线见图6.由图6可以看出，在保温材料相同的情况下，由于结构材料不同，内表面热流也有很大差异，差异主要由结构材料的本身物性引起.根据热流密度变化，XPS比EPS保温材料保温效果要好.

3 保温厚度优化

当保温材料的类型确定时，保温层厚度是影响建筑物保温性能的重要因素.保温厚度的确定一般采用保证传热系数法［1］或经验值法，很少采用优化设计方法［15－16］，而采用保证传热系数法或经验值法时，通常很难保证其经济性［17－18］.充分考虑大庆地区的气候条件、供热方式、燃料类型及墙体各层材料等参数，在动态传热条件下利用新的经济分析方法［15］，计算由5种不同结构材料和2种不同保温材料构成的建筑墙体的最优保温厚度.优化时只考虑传热部分的采暖负荷，因为其他负荷不影响最佳保温厚度［6］.

图6 5种不同结构材料40mm厚度不同保温材料墙体内表面热流密度变化曲线

墙体单位面积内的总成本［14］为

式中：Ct为单位面积的总成本；Ci为每单位体积绝缘材料的成本；Li为绝缘厚度；CA和PWF分别为每年的能量总成本和现值因素，

式中：CA，H为每年每单位面积取暖的能源成本，

式中：CF为燃料成本；Ql为每年每平方米墙体的总热损失；HC为燃料的低热值；ηs为供热系统的效率，ηs＝η1·η2，其中η1为室外管网传输效率，一般取0.9，η2为锅炉的运行效率，一般取0.68.

同样，对于空调系统，每年每单位面积的能源成本CA，C为

式中：Qg为每年的总热量；CE为电力成本；COP为制冷系统的性能参数.

将N年使用寿命的总成本连同现值因素PWF一起评价，其中PWF取决于通货膨胀率g和利率i，PWF［18］定义为

在户外每日平均温度法中，分别给出每单位面积的每年供暖和制冷的能源成本：

式中：HDD和CDD分别为采暖和制冷的度日数；U为墙的总传热系数，U＝［Rwt＋（Li／ki）］－1，Rwt为不包括保温层墙的总热阻.

选用吉林白山电煤作为供热燃料，电能作为制冷能源，计算使用参数［14－15，19］见表3.数值选取以大庆当地市场成本和当地条件为依据.经过计算，大庆地区240mm厚度结构墙体EPS和XPS保温材料的最优保温厚度见表4.

表3 计算使用参数

表4 240mm厚度结构墙体的最优保温厚度mm

4 结论

（1）考虑太阳辐射影响，计算大庆地区1月典型日的室外综合温度.

（2）冬天最大温度波动和峰值负载发生在由Concrete结构材料构成的墙体，其次分别是Briquette、Brick、Blokbims和AAC结构材料.与非保温墙相比，保温墙能够有效降低内表面的温度波动和热负载峰值.

（3）采用经济性分析方法，计算大庆地区240mm厚度Concrete、Briquette、Brick、Blokbims、AAC等5种结构材料墙体的EPS或XPS保温材料的最优保温厚度，为建筑墙体工程应用提供数据支持.

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Dynamic analysis of thermal performance and insulation thickness optimization of building walls／2012，36（4）：68－73

WU Guo－zhong1，WANG Jing1，ZHI Yan2，BAI Hao－ran1，LI Dong1，3
（1.School of Architecture and Civil Engineering，NortheastPetroleum University，Daqing，Heilongjiang163318，China；2.Beidaihe Training Center，PetroChina Gas Line Bureau，Qinhuangdao，Hebei 066100，China；3.School of Architecture and Civil Engineering，Harbin Institute of Technolo－gy，Harbin，Heilongjiang150001，China）

This study deals with thermal performance and optimum insulation thickness of building walls with differentstructure materials under dynamic thermal conditions.According to the winter climate characteristic of Daqing area，the wall unsteady heattransfer model was established.Thermal performance of building walls constructed of concrete，briquette，brick，blokbims and autoclaved aerated concrete（AAC）five differentstructure materials and extruded polystyrene（XPS）and expanded polystyrene（EPS）two differentinsulation materials used in external walls of buildings were analyzed.The outdoor comprehensive temperature for representative day of January in Daqing was calculated and heattransfer analysis and thermal insulation thickness optimization of the wall under the action of the outdoor comprehensive temperature were carried out.Results show thatthe maximum temperature swings and peak load occur for the wall made with concrete and this is respectively followed by briquette，brick，blokbims and AAC，and the insulation effectof AAC wall was obviously superior to other walls under the same condition.Besides，comprehensive consideration of the main influence factors of economic insulation layer thickness，the optimal insulation thickness of five differentstructure wall with 240mm thick are calculated through the economic analysis on Daqing area.

building walls；thermal performance；insulation thickness optimum；heattransfer analysis；dynamic thermal conditions；unsteady heattransfer model；economic analysis

book=4,ebook=130

TU 551

A

2095－4107（2012）04－0068－06

2012－06－21；编辑：任志平

黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12511024）

吴国忠（1961－），男，博士，教授，主要从事建筑热环境分析方面的研究.