节能墙体热工性能研究

节能墙体热工性能研究

主要研究空调系统。

张自国

(长春工程学院能源动力工程学院，长春 130012)

摘要：简述了墙体节能单项指标传热系数的检测、计算原理。并对实验墙体的实际传热系数进行了实测，并且与长春地区墙体传热系数限值对比，满足设计要求。通过实测数据得出建筑热工设计应该与采暖系统节能设计结合起来，才能真正起到建筑节能的效果。

关键词：节能墙体；热工性能；传热系数；建筑节能

0引言

建筑节能是我国节能减排工作的重要组成部分。目前，我国建筑节能的工作重点是解决北方城镇采暖和大型公共建筑能耗大的问题，主要途径是提高建筑物围护结构的热工性能，以及提高采暖、空调和照明系统的能源利用效率[1]。提高围护结构的热工性能主要以建筑外墙、屋面保温，增加外窗、外门的气密性和热阻为手段。我国的建筑节能工作是从20世纪80年代初伴随着中国实行改革开放政策以后开始的，1986年建设部颁发了JGJ26—86《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》，目标是在1980年—1981年当地通用设计的采暖能耗基础上节能30%，也就是第1步节能，随后第2步节能，第3步节能相继推出，逐步建立了建筑节能设计标准体系。到目前为止，我国新建建筑都实现了第3步节能，并且既有非节能建筑的节能改造工作也已经全面展开。为了建设节约型社会，实现建筑节能，从而完成国家节能减排任务，有必要对节能建筑墙体的热工性能进行检测研究。

1墙体热工性能理论研究

评价建筑节能效果的常用方法为建筑热工法[2]。建筑热工法的关键测量参数是传热系数。传热系数K作为墙体节能单项指标，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1 ℃，单位时间内通过1 m2面积传递的热量。在进行墙体热工计算时，复合墙体厚度方向与竖直方向相比很小，可视为热量仅沿墙体厚度方向传递，且可以看作是与时间无关的一维稳态导热问题。并且在通常情况下，墙体内外表面的温度都不高，忽略辐射换热的影响。这时，导热微分方程可以简化为

当墙体内侧的热流体通过墙体向另一侧的冷流体传热时，如图1所示。已知热、冷流体的温度分别为Tf1和Tf2，固体热、冷表面的温度分别为Tw1和Tw2，两边界层的换热系数分别为α1和α2。热流体通过墙体传递给冷流体的热流密度为

图1　传热模型

则墙体的传热系数为

对于单位面积而言，传热总热阻与传热系数互为倒数：

上述传热计算过程均是将传热过程当作一维稳态传热考虑。二维稳态传热，当绝热材料的结构较复杂，且各组成材料的导热系数相差较大时，为了计算方便可按表1的修正系数对热阻值进行修正。

表1　二维稳态传热修正系数

修正计算公式如下：

R二维=γ·R一维。

考查墙体的热工性能可以重点考核该墙体的传热系数或热阻是否能够达到设计标准要求。表2为长春地区围护结构传热系数限值对照表[3]。

表2　不同节能围护结构传热系数限值

通过表2可以看出对于第3步节能标准墙体的传热系数只要不大于0.44 W/(m2·℃)就满足要求。

2墙体热工性能实验研究

目前传热系数都是通过测量被测部位的热流密度然后通过计算求得，通常有2种方法：热流计法和热箱法[4]，这2种方法中热流计法比较常用。在我国东北地区，冬季室内温度一般在18 ℃左右，且较稳定，室外气温在零下，因此被测墙体所在房间可以看作是一个大的热箱，在这样的环境条件下用热流计测量热流密度误差不大。本实验就是在这种条件下进行的。实验对象为长春市某办公楼，以该办公楼的北向房间的北侧外墙为实验目标。北向房间没有太阳光的直接照射，可以不考虑太阳直射辐射的影响。此建筑的外墙结构为：内抹灰层，400 mm厚空心砖砌体层，80 mm厚EPS板外保温层，外抹灰层(由内至外)。在实验期间，除实验人员的例行检查外，没有其他人员随意进出，可以避免其他外扰的影响。

实验主要测量2种参数：热流密度和温度。热流密度是使用UT71A智能型数字万用表间接测量的。当热流沿垂直方向通过热流传感器的基准面时，传感器内测量温差的元件(热电堆)可以测量基板2面零点几度的温差，而这个温差可以由热电堆中热电偶节点的热电势反映出来，用UT71A智能型数字万用表测量出此时的热电势数值乘以热流传感器系数(热流传感器的系数为23.594 w/(m2·mV)，就可以将电信号(mV)转换为热流密度w/m2。温度测量采用的是测温电阻(Pt100)。

图2　实验系统图

将测温电阻埋设于墙体内，放置于室内、外空气中，将热流传感器紧密地粘贴在房间内墙面上。用数据线将所有的测温电阻和热流传感器与数据采集仪相连接。将数据采集仪通过数据线与计算机连接，保持数据采集仪和计算机的电源为开启状态，测量数据被保存在计算机中。实验不仅能够测量计算得到被测墙体的传热系数，还能够绘制出墙体内的温度场，从而可以更详尽地了解被测墙体的热工性能。以1月16日的数据为例绘制出图3～5。

从图5中可以看出，墙体外侧加贴EPS保温层的效果很好，墙体内测温点6的温度(6 ℃左右)与墙体外表面温度(-20 ℃左右)二者温差较大，说明墙体外保温层起到了良好的保温性能。从图3～4可以看出在室外温度较低的情况下，室内空气温度波动很小，在0.8 ℃以内，室内热环境较好。但是室温维持在24 ℃左右，与设计室内计算温度18～20 ℃相比室内温度偏高，不利于节能。

图3　室内空气温度分布图

图4　室外空气温度分布图

图5　墙体平均温度分布图

实测通过墙体的热流密度平均值为16.8 W/m2。根据上一节公式，用实测墙体热流密度平均值除以被测墙体内、外表面温度平均值之差就可以得出实测墙体的传热系数：16.8/(22.36+20.57)=0.39 W/(m2·℃)。与表2长春地区围护结构传热系数限值进行比较，校核传热系数，实测墙体传热系数小于0.44 W/(m2·℃)，已经满足第3步节能要求。

3结语

在现有技术条件下，节能墙体的热工性能检测完全可以通过测量墙体的热流密度和墙体内、外表面温度，通过传热公式计算求得被测墙体的传热系数或热阻。这种方法测量参数少，简单容易操作。

通过实测可以看出EPS保温层确实起到了较好的保温效果，在实际施工过程中只要按照图纸设计要求施工，墙体的热工性能都能够达到相应的规范要求。通过实测的室内温度数据可以看出：即使是在室外空气温度较低的情况下(-20 ℃左右)，室内空气温度仍能够达到24 ℃左右(设计一般室内计算温度取18~20 ℃)，室内气温偏高。可见室内散热设备的散热能力过大，造成了能源浪费。因此，建筑热工节能设计要与供暖节能设计相互匹配，否则不能算是真正的建筑节能。

参考文献

[1] 袁炯炯，应群.简述我国建筑节能设计标准[J].福建建筑，2007(9)：18-20.

[2] 耿欣，林中达，龚伟.新型节能墙体热工性能测量方法的研究[J].能源研究与利用，2010(3)：14-16.

[3] 陶乐然.尝试三步节能改善居住环境——建筑节能65%的标准研究与试点工程应用技术[J].建设科技，2003(8)：22-23.

[4] 顾平道，张云凯.新型建筑墙体传热系数测试系统的建立与试验[J].工程与试验，2014(2)：59-62.

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.015

收稿日期：2015-02-21

作者简介：张自国(1977-)，男(汉)，吉林敦化，实验师

中图分类号：TU111.41

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2015)02-0056-04

The research on the thermal performance to energy-saving wall

ZHANG Zi-guo

(SchoolofEnergy&PowerEngineering，

ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

Abstract：The article sketches the principle of detection and calculation to heat transfer coefficient in the single index of energy-saving wall.It make the real measurement to the heat transfer coefficient in the experimental wall.By comparing with heat transfer coefficient limits in Changchun region，this coefficient meets the design requirements.Through the actual measurement data，the result is that the building thermal design should be combined with the energy saving design of the heating system，to really play the effect of building energy saving.

Key words：energy-saving wall；thermal performance；heat transfer coefficient；building energy saving