浙西农村地区建筑外墙保温措施的适用性分析

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310023)

截至2010年，建筑能耗已占全球总能源使用量的32%，且仍呈现不断增长的趋势，降低建筑能耗是建筑行业可持续发展的关键[1]。在中国，农村建筑面积占全国总建筑面积的41.1%[2]，并且农村建筑能源利用率普遍较低。龚敏等对既有住宅建筑节能改造措施进行了能耗分析，证实节能改造措施有助于提高节能效果[3]。建筑墙体的能量损失占建筑围护结构总能量损失的60%～70%，因此墙体节能技术对于改善建筑围护结构的能耗起着关键作用[4]。墙体节能保温体系中适用于既有农村建筑的有外墙外保温和外墙内保温两种。近年来，玻化微珠保温砂浆作为防火耐老化性好、强度高、无毒性的无机保温材料，在外墙保温系统中具有优异的综合性能[5]。Walker等实地测量了历史建筑材料的热工性能，结果发现历史建筑墙体的保温效果随时间逐渐降低[6]。但目前对保温材料的研究大多针对其耐久性和耐候性等基本性能[7]，对其保温性能的衰减性研究较少。由于使用环境的影响，外墙外保温与外墙内保温的性能衰减存在明显差异[8]。因此，在考虑保温性能衰减的情况下结合经济效益，分析外墙内外保温系统的综合性能差异性对农村地区建筑节能改造有着重要的意义。

笔者以浙西地区杭州市淳安县既有农村建筑为例，使用Matlab软件开发了有限差分数值模拟，计算墙体的热损失。根据对墙体传热系数衰减的假设并结合经济效益，使用有限差分数值模拟，研究墙体内外保温系统性能随时间衰减对建筑能耗的影响，分析冬季采暖和夏季制冷时外墙内外保温的节能效果的差异性。

1 数值模拟

1.1 基本理论

假设外墙传热是沿x方向(从外墙的内表面到外表面)的一维传热，并且传热与时间有关，则一维瞬态热传导方程为

(1)

式中：ρ为材料密度；C为材料比热；T为墙体在x处的温度；k为材料导热系数；t为时间；x为距墙体内表面的距离。利用Matlab中的pdepe函数，可用离散的数值解作为上式连续偏微分方程近似解求解方程。

1.2 数据参照

根据《民用建筑热工设计规范》(GB 50176—2016)的规定[9]，以最热月(七月)和最冷月(一月)平均气温作为气候分区的主要指标。我国将气候划分为五个建筑气候区：严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、温和地区和夏热冬暖地区。浙西包括金华、衢州、严州等地，正属于夏热冬冷地区(最冷月平均温度满足0～10 ℃，最热月平均温度满足25～30 ℃)。因此根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 134—2010)[10]分别设定冬季室内温度为Tg1=18 ℃和夏季室内温度为Tg1=26 ℃。

室外温度选取浙江省杭州市淳安县作为本次研究的数据调查点，对其近十年的气温数据(数据来源于淳安县气象局)进行分析和筛选，并从中选出最热的一年，按照《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》采暖期和制冷季计算期规定，选取2013年12月1日至次年2月28日和当年6月15日至8月31日每天的逐时气温数据用于假设冬季和夏季室外温度Tg2在24 h内的变化。

将每个数据点转化为秒，并利用Matlab的polyfit函数对其进行拟合，得出和时间相关的温度函数(图1)。根据拟合曲线的相关系数，最终确定温度函数的最佳拟合方式为六次多项式，用于定义变量Tg2，为了保证精度，在Matlab中保留小数点后14 位。六次多项式为

Tg2=p1t6+p2t5+p3t4+p4t3+p5t2+p6t+p7

(2)

图1 淳安县夏季和冬季24 h温度变化曲线

1.3 边界条件

笔者所研究的是一维热传导问题，墙体内部无热源。因为墙体直接接触的是空气，所以确定边界条件时要考虑空气的对流和辐射。物体表面向外的传热速率总和为

(3)

式中：T为物体的绝对温度，K；σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；ε为表面辐射系数，其值在0和1之间，由物体表面性质决定；A是与热流方向相垂直的墙壁的面积，对于平壁，A是与x无关的常数。因此，热流密度为

(4)

属于第二类边界条件，即Neumann问题

(5)

所以边界条件为

(6)

式中：对流换热系数α=10 W/(m2·K)，斯忒藩-玻尔兹曼常数σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；表面辐射系数ε=1。

故初始边界条件(墙体内表面边界条件)为

(7)

结束边界条件(墙体外表面边界条件)为

(8)

2 墙体材料热工性能衰减假设

2.1 外墙保温材料热工性能

通过对浙西地区农村建筑情况的调查，农村住宅改造过程中外墙改造工程的一般做法为20 mm石灰水泥砂浆外抹面+240 mm实心黏土砖墙+20 mm石灰水泥砂浆内抹面，几乎没有考虑和采取有效的保温措施。主要原因在于：1)保温节能材料的价格比一般建筑材料要高，出于经济方面考虑而忽略保温环节；2)村民们的节能环保意识薄弱。

考虑到玻化微珠保温砂浆优异的综合性能，为了达到50%的节能标准，拟采用玻化微珠保温砂浆作为保温材料。根据《农村居住建筑节能设计标准》(GB/T 50824—2013)[11]规定，并为了方便分析经济效益，保温砂浆的厚度一致设为30 mm，外墙内外保温系统饰面层拟用20 mm的混合砂浆代替计算，详细构造：1)外保温系统为20 mm混合砂浆+240 mm实心黏土砖墙+30 mm玻化微珠保温砂浆+20 mm混合砂浆抹灰；2)内保温系统为20 mm混合砂浆+30 mm玻化微珠保温砂浆+240 mm实心黏土砖墙+20 mm混合砂浆抹灰。构造做法如图2所示。材料热工性能参考《民用建筑热工设计规范》(GB 50176—2016)[9]，如表1所示。

图2 外墙保温系统构造图

表1 保温材料热工性能

2.2 衰减假设

外墙外保温材料的保温性能随着建筑使用时间的增加而逐渐失效，最显著的标志为材料的导热系数随之增加[8]。通过各种老化实验表明：相变热和湿传导对保温材料热工参数影响较大[12]。由于室内外保温的使用环境不同，室外的相对湿度要远高于室内，热相变和湿传导对外墙内保温性能的影响要比外墙外保温小得多，故外墙内保温性能衰减要更为缓慢。在正常使用条件下玻化微珠保温砂浆的最低使用寿命为40 年，远高于有机保温材料。故参考潘志颖等[8]对不同工况的衰减设定以50 年为一个计算周期，墙体外保温性能每10 年衰减25%。为显示内外保温系统保温性能受环境影响的差异性，假设墙体内保温性能每10 年降低5%。

3 结果与分析

3.1 能耗结果分析

根据不同保温系统的性能衰减情况和夏热冬冷地区的气候特征，分别考虑供暖期与制冷期的建筑能耗情况。图3显示了根据气象数据和所选标准，农村建筑外墙保温材料性能随时间衰减情况与年制冷能耗和年供热能耗之间的关系。当不考虑保温材料性能衰减时，内保温系统的制冷能耗和供热能耗则都要略高于外保温系统。在考虑保温材料性能衰减后，从图3(a)可知：在50 年的使用年限内，内保温系统年制冷能耗增长了13.33%，外保温系统年制冷能耗增长了58.43%。从图3(b)可知：在50 年的使用年限内，内保温系统年供热能耗增长了13.41%，外保温系统年供热能耗增长了53.72%。内外保温系统所需制冷、供热能耗随保温性能的衰减逐渐增大，但外保温系统的增长幅度远大于内保温系统。

图3 保温系统年制冷能耗和供热能耗

通过对不同保温系统材料性能衰减情况的模拟计算得到的内外保温系统的建筑年能耗如图4所示。图4显示了建筑能耗与保温材料性能衰减之间的关系，可以发现：不同保温系统的建筑能耗随保温材料性能的衰减呈增大的趋势，其中外保温系统的增大趋势明显快于内保温。在不考虑性能衰减时，外保温的建筑年能耗略小于内保温，为内保温的94.94%；在考虑性能衰减后的第一个10 年内，外保温的建筑年能耗就已经超过内保温。在50 年的使用年限内，内保温系统年能耗增长了13.39%，而外保温系统年能耗增长了54.75%。内保温系统年能耗以每10 年0.29%左右的幅度均匀而缓慢增长；外保温系统能年耗则在第一个10 年时增长了14.7%，之后的增长幅度随时间逐渐降低，最后一个10 年的仅增长0.54%，年能耗的增长趋势逐渐平缓。这也表示随着保温材料性能衰弱达到一定值，保温材料性能的衰弱对建筑能耗的影响将微乎其微。

图4 保温系统全年供热和制冷总能耗

3.2 成本结果分析

笔者对玻化微珠保温砂浆保温系统进行了经济效益分析，结果见表2。其中，材料成本参照张泽平等[13]对玻化微珠保温砂浆保温系统的平米造价。运营成本根据调研确定杭州市淳安县的电费为0.55 元/kWh，并将保温系统50 年来的年度能耗化算为费用成本。由表2可知：在玻化微珠保温砂浆厚度相同，即材料成本一致的情况下，虽然外墙外保温系统受气候环境影响较大而材料性能衰减更为显著，但是由材料性能衰减造成的能耗差距并不显著。在50 年的使用年限内，外保温系统的总运营成本比内保温系统高16.14%，总造价比内保温系统高14.48%。最终通过比较可得，因外保温系统性能衰减造成的能耗更大，外保温系统的总造价高于内保温系统。

表2 玻化微珠保温砂浆保温系统成本

Table 2 Cost of thermal insulation system of thermal insulation glazed hollow bead mortar单位：元/m2

外墙保温系统材料成本运营成本总平米造价外墙内保温68.28598.28666.56外墙外保温68.28694.83763.11

4 结 论

笔者调查模拟了适用于浙西地区农村住宅的外墙保温系统的年度供暖和制冷能耗，并根据内外保温系统受气候环境影响的差异性分析其保温性能衰减对建筑能耗的影响。模拟结果表明：由于保温性能衰减程度不同，不同保温系统的年均累计供热能耗和制冷能耗存在差异，在50 年的使用年限内，外保温系统年能耗增长了54.75%，而内保温系统年能耗增长了13.39%，内保温系统随保温材料性能衰减而建筑能耗增加的趋势较外保温系统更为平缓。在考虑材料性能衰减的情况下，外保温系统运营成本比内保温系统高16.14%。通过综合经济分析，外保温系统的总造价比内保温系统高14.48%，因此，单从外墙方面考虑，在浙西地区外墙内保温的经济性和适用性要高于外墙外保温系统。