玻化微珠整体式保温隔热建筑分析

刘 泳，李 珠，王文婧

（1.山西临汾市规划局，山西 临汾 041000；2.太原理工大学 建筑与土木工程学院，太原 030024）

在我国，现阶段大量拆除建筑物和新建建筑对环境和能源带来了巨大的压力，如何在建筑物全寿命周期内实现节能减排是科学工作者关注和亟待解决的问题。研究者从多种途径进行了研究和试验，包括新能源的开发与利用，建筑围护结构材料与形式的研发等[1-3]。建筑物运营期内的节能成为整个寿命期内最主要的节能部分，按需使用能源可节约能源，减少能源浪费，就需要我们能够实现能源的按需调控。

因此，本着实现分户计量与分室控温的要求，李珠教授提出了“城市窑洞”式绿色建筑的概念，其定义是：利用新型绿色材料、科学合理的结构构造方法，对城镇建筑进行设计或改造而形成的形状上不似窑洞，而功能上胜似窑洞的专利建筑。中国传统土窑洞有冬暖夏凉、恒温恒湿、节能、隔音、洁净、安静、健康长寿、环保生活、生态平衡、保护自然风景、适应气候、满足人类居住要求等特征。“城市窑洞”式绿色建筑将传统土窑洞热湿环境的优势引入到现代建筑的设计理念中，而提出的一种新型建筑体系。“城市窑洞”式绿色建筑是有机结合传统土窑洞和现代建筑各自优点的产物，它在保持现代建筑原有风格和使用功能不变的前提下，达到传统土窑洞的效果，同时很好地解决了传统土窑洞难以解决的问题[4]。整体式保温隔热建筑是实现城市窑洞的一种方式，即在建筑物外墙面和房间六面壁（包括墙体、楼地板和顶棚面等）用一定厚度玻化微珠保温砂浆作为保温隔热层，形成结构自保温体系，并进行与之相应的建筑、结构、地基处理、暖通、消防等设计，完成各项施工技术工作和工程实体而形成的节能保温隔热建筑[5]。研究者对玻化微珠整体式保温隔热建筑的保温材料、施工方式、施工机器等进行了大量的试验研究[6-8]，并对建筑物保温隔热性能进行了实测研究[9]，但目前还未对玻化微珠整体式保温隔热建筑进行过模拟定量分析。因此，对玻化微珠整体式保温隔热建筑的保温性能缺乏更直观的了解。

笔者对玻化微珠整体式保温隔热建筑与50节能房的保温隔热性能进行了有限元建模对比分析，模拟了两种目标房间周围的热环境，定量分析了两种房屋构件的传热过程与保温隔热性能。

1 试验工程概述

本试验工程位于山西省临汾市安泽县黄景怡苑住宅小区，属于我国北方寒冷地区。建筑设计时执行的是节能50%的标准。本试验测试选择7号楼二单元8层801室和8号楼二单元8层801室为测试对象，户型相同。其中，7号楼采用玻化微珠外墙外保温形式；8号楼采用玻化微珠保温砂浆整体式保温隔热形式。将7号楼801室对比户命名为U-nit-A，8号楼801室试验户命名为Unit-B。Unit-A、Unit-B在对应平面图和立面图上的位置以及户型图如图1和图2所示。

2 建筑保温隔热性能的模拟及分析

2.1 模型概述及基本分析

1）模型概述。以Unit-A和Unit-B的外墙和楼地面作为研究对象，分别建立单位面积两种建筑的外墙和楼地面断面模型。两种体系的外墙和楼地面构造形式和材料性能参数如表1和表2所示。

表1 Unit-A、Unit-B外墙构造形式

表2 Unit-A、Unit-B楼地面构造形式

2）有限元模型概述。本模拟采用的单元类型为“Thermal Solid，Quad 4node 55”，4节点二维平面单元，网格划分方式采用自由划分方式，除厚度方向外，其他均取1个单位长度。为了模拟计算快速准确，在外墙模型中网格尺寸由外向内沿墙体厚度方向分别为：5mm抗裂砂浆层的网格尺寸取0.001；40mm玻化微珠保温砂浆层的网格尺寸取0.005；200mm钢筋混凝土墙的网格尺寸取0.01；20mm水泥砂浆层取0.005。同样，楼地面网格尺寸从上到下方向为水泥砂浆层取0.005；玻化微珠保温砂浆层取0.005；100mm钢筋混凝土楼面板取0.01；7mm水泥砂浆层取0.001。

3）模型分析假设。

a.材料完全符合各向同性、弹性以及连续性。

b.依据传热学理论，当平面板壁的高度和宽度是厚度的8～10倍时，可按一维导热处理，其计算误差不大于1%。因此，本研究对象墙体和楼地面均为沿厚度方向的一维导热。

2.2 建筑外墙稳态传热分析

相邻户间是否采暖对外墙散热量没有影响，因此在进行玻化微珠保温砂浆整体式保温隔热建筑外墙稳态传热分析时，设定室内温度均匀分布，温度值取定为民用建筑热工设计规范中规定的室内温度为18℃，室外温度取民用建筑热工设计规范中采暖期室外平均温度为-0.9℃，外墙模型的边界条件属于对流边界条件[10]。室内墙面对流换热系数采用8.6 W／（m2·K），室外墙面对流换热系数采用23W／（m2·K）[11]。Unit-A、Unit-B外墙稳态传热分析的温度沿墙体厚度的路径映射图和温度场云图如图3、图4、图5和图6所示。

图3 Unit-A外墙温度路径图

图4 Unit-B外墙温度路径图

由Unit-A外墙温度路径图可以计算得出，由外到内温度梯度分别是：4cm玻化微珠保温砂浆层温度变化梯度为3.00℃／cm；20cm钢筋混凝土墙体的温度变化梯度为0.097℃／cm；2cm水泥砂浆温度梯度为0.15℃／cm。

由Unit-B外墙温度路径分布图可知，有外到内各层材料对应的温度梯度分别为：4cm玻化微珠保温砂浆层的温度梯度为2.21℃／cm；20cm钢筋混凝土墙体的温度梯度为0.065℃／m；20mm玻化微珠保温砂浆层的温度梯度为2.42℃／cm。

对比图3和图4中Unit-A、Unit-B外墙温度路径图中各层材料对应温度变化情况可以得出：Unit-B外墙中玻化微珠保温砂浆层温度变化较Unit-A外墙中玻化微珠保温砂浆层温度变化舒缓，表明采用玻化微珠保温砂浆整体式保温隔热建筑可以有效地降低玻化微珠砂浆保温层的温度集中现象，有利于保温层材料的耐久性。同样的，Unit-B外墙中墙体基层温度变化较Unit-A外墙中的温度变化舒缓，表明采用玻化微珠保温砂浆整体式保温隔热建筑可以有效地保护主体结构免受温度波动的影响，对结构层的耐久性是一项非常有利的条件。

由Unit-A外墙温度场云图（图5）可以得知，当采用玻化微珠外墙外保温时，室外温度取-0.9℃，室内温度为18℃时，墙体温度外侧最低温度为-0.061℃，墙体内侧最高温度为15.73℃，对应主体结构层的温度分布范围为13～15.7℃。外界空气与墙体外表面的温差为0.84℃，室内空气温度与墙体内表面的温差为2.3℃。

图5 Unit-A外墙温度场云图

图6 Unit-B外墙温度场云图

由Unit-B外墙温度云图（图6）可知，当采用玻化微珠整体保温体系时，室外温度取-0.9℃，室内温度为18℃时，墙体外侧表面温度最低温度为-0.258℃，墙体内侧表面最高温度为16.283℃，对应主体结构层的温度分布范围为9.684～11.333℃。外界空气与墙体外表面的温差为0.642℃，室内空气温度与墙体内表面的温差为1.7℃。

对比图5和图6中Unit-A、Unit-B外墙温度场云图可以得出：Unit-B外墙外表面温度较Unit-A外墙外侧温度低，表明玻化微珠整体式保温隔热外墙的复合保温形式有效地阻隔外界低温向室内传递。相应Unit-B外墙内表面温度高于Unit-A外墙内表面温度，表明玻化微珠整体式保温隔热外墙的复合保温形式有效地阻隔室内高温向室外传递。

2.3 建筑楼地面稳态传热分析

相邻户间是否采暖对楼地面散热量的影响较大，因此在进行玻化微珠保温砂浆整体式保温隔热建筑楼地面的稳态传热分析时，分邻户间采暖和不采暖两种情况。当邻户间采暖时，邻户间温差取2℃，分别取16，18℃；室内楼地面对流换热系数采用8.6W／（m2·K），相邻户楼地面对流换热系数采用8.6W／（m2·K）[4]。

2.3.1 相邻住户采暖时楼地面稳态传热分析

Unit-A、Unit-B相邻住户采暖时楼地面稳态传热分析的温度沿楼板厚度的路径映射图和温度场云图如图7、图8、图10和图11所示。

图7 相邻户间采暖Unit-A楼地面温度路径图

图8 相邻户间采暖Unit-B楼地面温度路径图

当相邻住户采暖时，由Unit-A楼地面温度路径图可以计算得出，由下到上温度梯度分别是：0.7 cm水泥砂浆层温度变化梯度为0.049℃／cm；10 cm混凝土楼板层的温度梯度为0.034℃／cm；5cm水泥砂浆温度梯度为0.06℃／cm。

当相邻住户采暖时，由Unit-B楼地面温度路径图可以计算得出，由下到上温度梯度分别是：0.7cm水泥砂浆层温度变化梯度为0.047℃／cm；10cm混凝土楼板层的温度梯度为0.017℃／cm；3cm玻化微珠保温砂浆层的温度梯度为0.39℃／cm；2cm水泥砂浆温度梯度为0.043℃／cm。

根据图7和图8相邻户间采暖时Unit-A、Unit-B的楼地面温度路径图可以得出如图9所示Unit-A、Unit-B的楼地面各层材料温度对比图。

由图9可以得出，Unit-B中各层材料的温度均低于Unit-A中各层材料的温度，且对应各材料的温度梯度也较Unit-A中各层材料小；30mm厚玻化微珠保温砂浆层中温度变化接近2℃，表明玻化微珠保温砂浆有效地阻隔了相邻户间热量通过楼地面的传递。

图9 相邻户间采暖Unit-A、Unit-B楼地面各层材料温度对比图

由图10可以得知，当相邻住户采暖时，邻户间温差取2℃，即7层室内温度取16℃，8层室内温度取18℃时，楼地面表面温度分别为16.662℃和17.338℃，室内空气与楼地面表面的温差均为0.662℃。

由图11可知，当相邻住户采暖时，邻户间温差取2℃，即7层室内温度取16℃，8层室内温度取18℃时，楼地面表面温度分别为16.284℃和17.716℃，室内空气与楼地面表面的温差均为0.284℃。

对比图10和图11中Unit-A、Unit-B楼地面温度场云图可以得出，Unit-B楼地面下表面温度较Unit-A楼地面下表面的温度低，表明玻化微珠整体式保温隔热楼地面的保温层有效地阻隔下层低温向室内传递。相应Unit-B楼地面上表面温度高于Unit-A楼地面上表面温度，表明玻化微珠整体式保温隔热楼地面保温层有效地阻隔室内高温向下层传递。

2.3.2 相邻住户不采暖时楼地面稳态传热分析

图10 相邻户间采暖Unit-A楼地面温度场云图

图11 相邻户间采暖Unit-B楼地面温度场云图

当邻户间不采暖时，室内温度分别取5℃和18℃，邻户间的温差为13℃，室内楼地面对流换热系数取8.6W／（m2·K），相邻户楼地面对流换热系数取8.6 W／（m2·K）[4]。Unit-A、Unit-B相邻户间不采暖时楼地面稳态传热分析的温度沿楼板厚度的路径映射图和温度场云图如图12、图13、图15和图16所示。

图12 相邻户间不采暖Unit-A楼地面温度路径图

图13 相邻户间不采暖Unit-B楼地面温度路径图

当相邻住户不采暖时，由图12可以得出，由下到上温度梯度分别是：0.7cm水泥砂浆层温度变化梯度为0.31℃／cm；10cm混凝土楼板层的温度梯度为0.22℃／cm；5cm水泥砂浆温度梯度为0.40℃／cm。

由图13可以得出，由下到上温度梯度分别是：7 cm水泥砂浆层温度变化梯度为0.31℃／cm；10cm混凝土楼板层的温度梯度为0.18℃／cm；3cm玻化微珠保温砂浆层的温度梯度为2.61℃／cm；2cm水泥砂浆温度梯度为0.28℃／cm。

根据图12和图13相邻户间不采暖时Unit-A、Unit-B的楼地面温度路径图可以得出如图14所示Unit-A、Unit-B的楼地面各层材料温度对比图。

图14可得出，Unit-B中各层材料的温度均低于Unit-A中各层材料的温度，且对应各材料的温度梯度也较Unit-A中各层材料小；3cm厚玻化微珠保温砂浆层中温度变化大于5℃，表明当相邻户有一户不采暖时，玻化微珠保温砂浆有效地阻隔了通过楼地面相邻户间热量的传递。

图14 相邻户间不采暖Unit-A、Unit-B楼地面各层材料温度对比图

由图15可以得知，当相邻住户不采暖时，邻户间温差为13℃，即7层室内温度取5℃，8层室内温度取18℃时，楼地面表面温度分别为9.303℃和13.697℃，室内空气与楼地面表面的温差均为4.303℃。

图15 相邻户间不采暖Unit-A楼地面温度场云图

由图16可得，当相邻户间不采暖时，邻户间温差为13℃，即7层室内温度取5℃，8层室内温度取18℃时，楼地面表面温度分别为6.846℃和16.154℃，室内空气与楼地面表面的温差均为1.846℃。

对比图15和图16中Unit-A、Unit-B楼地面温度场云图可以得出，当相邻住户间不采暖时，采用玻化微珠保温砂浆整体式保温隔热建筑可以有效地降低相邻户间热量的散失，有效提高其保温性能，更好地实现分户计量和分室控温。

图16 相邻户间不采暖Unit-B楼地面温度场云图

3 结论

通过对50节能建筑和玻化微珠整体式保温隔热建筑的保温隔热性能的分析，得出以下结论：

1）采用玻化微珠整体式保温隔热建筑可以有效地降低玻化微珠砂浆保温层的温度集中现象，有利于保温层材料的耐久性。

2）采用玻化微珠整体式保温隔热建筑可以有效地保护主体结构免受温度波动的影响，对结构层的耐久性起到有利的影响。

3）对建筑外墙而言，玻化微珠整体式保温隔热外墙的复合保温形式有效地阻隔外界低温向室内传递，玻化微珠整体式保温隔热外墙的复合保温形式有效地阻隔室内高温向室外传递。

4）对楼地面而言，当相邻户有一户不采暖时，玻化微珠保温砂浆可有效地阻隔通过楼地面相邻户间热量的传递，可有效地阻隔室内高温向下层传递，阻隔下层低温向室内传递。

5）采用玻化微珠保温砂浆整体式保温隔热建筑的保温层可以有效降低外界和相邻户间热量的传递，有利于实施分户计量和分室控温。

总之，绿色城市、低碳社会的理念对每一个城市规划从业者提出了更高更细的要求，研究并推广玻化微珠保温砂浆整体式保温隔热建筑只是我们小小的一步。大力推进绿色建筑产业化发展，形成高效合理的绿色建筑产业链，方能让我们规划绿色低碳的中国梦早日实现。

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