围护结构隔热评价探讨

彭小云 翁达福 巫盼

1 华东交通大学土建学院

2 厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司

0 引言

建筑外围护结构与室内的热交换，综合了导热、对流换热、辐射换热三种传热方式。在这个热交换过程中，围护结构内表面温度的高低具有重要的作用，它既体现了围护结构内部导热的结果，又承担着向室内辐射热量并与室内空气进行对流换热作用，是围护结构实际热性能与防潮性能的重要表征指标。

《民用建筑热工设计规范》（GB 50176）1993 版和2016 版都规定：在房间自然通风情况下，建筑物的屋顶和东、西外墙的内表面最高温度θ·imax≤te·max[1-2（]夏季室外计算温度最高值）。1993 版规范当中南昌地区的te·max=37.8 ℃[1]，而2016 版规范当中南昌地区的te·max=39.1 ℃[2]，高出1.3 ℃。辐射温度的高低直接影响到人体的热舒适性，当壁面温度（辐射温度）较高时，房间的热环境很难达到舒适，而且壁面温度越高，烘烤感越强，热舒适性越差，因此，在自然通风状态下，按照2016 版规范的规定，达到θ·imax的值时，热舒适性反而比1993 版规范要差。而随着人们生活水平的提高，人们对热舒适的要求却越来越高，因此，θ·imax值的增大与人们对热舒适度追求是不相适应的。

《民用建筑热工设计规范》（GB 50176-2016）基于一维周期性传热模型，提出了自然通风和空调情况下围护结构内表面最高温度的计算方法，规范还附带了一个计算软件。按照2016 版规范，在南昌地区，自然通风条件下，240 mm 烧结多孔砖+20 mm 石灰砂浆（从外至内）的墙体基本就能达到这个隔热要求，但却不能满足人体热舒适的要求，因此，如何确定一个合理的θ·imax，建立一个较合适的隔热评价和计算方法，是一个值得探讨和研究的问题。

1 常物性无内热源的非稳态模型

为了室内热舒适性的需要，需重新建立一个较合适的围护结构隔热计算和评价方法。由于围护结构多为多层复合结构，且夏季围护结构的传热方式是非稳态的，因此可采用非稳态数学模型。室外计算温度可选取所在地夏季最热月典型日的逐时室外综合温度，进行边界条件的设置，计算围护结构各逐时的内表面温度最大值，以此最大值作为隔热的评价依据。

导热微分方程式的表达式如下[4]：

基于常物性、无内热源的一维非稳态对方程进行简化，得到围护结构内部导热微分方程：

式中：α 为热扩散系数，m2/s。

把围护结构沿x 方向（厚度方向）将厚度分为j段，每段距离是Δx；时间从0 开始，将Δτ 分为n 段。nΔτ 表示n 时刻，j 表示围护结构内部的节点位置，则节点位置（j，n）的温度对x 的二阶导数进行中心差分，可转换为：

式中：tf为逐时室外综合温度，℃。

以式（6）、式（7）两个方程式，建立节点方程组，利用该方程组可求解出外墙、屋面的内表面温度：

式中：i 为时刻，h；j 为节点。

求出内表面温度t1，t2，…tn，其中的最大值即为内表面最高温度，如式（9）[3]。

选取一个合理的室内舒适温度tin，作为外墙、屋顶的内表面温度最大值θi,max的评价指标，即θi,max≤tin。则该评价方法相对于《民用建筑热工设计规范》（GB 50176）提出了更高的要求。

2 围护结构隔热计算分析

2.1 室外计算参数的选取

采用南昌地区典型气象年7 月26 日（温度最高、太阳辐射最强）的气象参数（见图1 和表1）[5]，计算分析了不同围护结构的隔热效果及其对室内热环境的影响。

图1 南昌地区典型气象年7 月26 日室外计算温湿度

表1 南昌地区典型气象年7月26 日太阳辐射强度（W/m2）

2.2 围护结构的选取

根据南昌地区外围护结构材料及其构造的使用情况，综合考虑热阻和蓄热性能，选取表2[3]的墙体材料和表3[3]的围护结构类型（墙材厚度采用表2 中的厚度，外层涂料的热阻和蓄热系数忽略），来计算比较南昌地区的围护结构隔热情况。

表2 墙体材料及其热工性能

表3 围护结构种类

2.3 计算模型

采用上述推导的多层围护结构内表面的计算方法，构建墙体计算模型，从里（室内）往外（室外）依次画若干个相互紧挨在一起的矩形，并确定这些矩形区域的厚度，材料属性，计算网格和边界条件。

“层数”是实施计算围护结构需要细分的层数，修改细分层数时，每一细分层的厚度“Δx”会自动变化。一般情况下“Δx”在5～10 mm 左右，计算精度就可以满足要求。从理论上讲，“Δx”越小，计算精度越高。本次模拟“Δx”取精度为5 mm。

本次模拟，五种围护结构太阳辐射吸收系数都取0.7，室内工况为自然通风状态，外表面换热系数取19 W/(m·2K)，内表面换热系数取8.7 W/(m·2K)。

2.4 计算结果分析

代入南昌的气象数据，可求得五种围护结构的内表面最高温度与最高温度出现的时间。计算结果表明（详见图2、图3），五种围护结构内表面最高温度：西向是围护结构2=围护结构4＜围护结构1＜围护结构3＜围护结构5，东向是围护结构4＜围护结构2＜围护结构1＜围护结构3＜围护结构5，南向是围护结构4＜围护结构2＜围护结构1＜围护结构3＜围护结构5；五种围护结构内表面最高温度出现的时间：西向是围护结构1＜围护结构2＜围护结构4=围护结构5＜围护结构3，东向是：围护结构1＜围护结构2=围护结构5＜围护结构4＜围护结构3，南向是围护结构5＜围护结构1＜围护结构4＜围护结构2＜围护结构3。围护结构内表面最高温度的最大值是41.76 ℃（西向、围护结构5），最小值是37.99 ℃（南向、围护结构4）；出现时间最早是17.75 时（东向、围护结构1），最迟是19.50 时（西向、围护结构5）。

图2 各种围护结构内表面最高温度

图3 各种围护结构内表面最高温度出现时刻

分析计算结果，可得出：

1）按照1993 版热工规范，南昌地区te·max=37.8 ℃，则所有的五种墙体在东、南、西三个方向的内表面最高温度都不满足要求。按照2016 版热工规范，南昌地区的t·emax=39.1 ℃，只有围护结构3 和围护结构5 在东、南、西三个方向的内表面最高温度不满足要求。从热舒适角度考虑，由于θi·max的最小值37.99 ℃（南向、围护结构4）都高出人体皮肤表面温度好几度，因此，很难满足热舒适性的基本要求。

2）围护结构2 的隔热效果优于围护结构3，围护结构4 隔热效果优于围护结构5，表明相同基层墙体的条件下，热阻越大（做了外保温后），隔热性能越好。

3）从热阻大小来看，是围护结构1＞围护结构2＞围护结构4，但隔热效果优劣的顺序却是围护结构4、围护结构2、围护结构1，这是因为蓄热系数是围护结构4＞围护结构2＞围护结构1，因此，热阻不是决定隔热性能好坏的唯一因素，还受到材料蓄热性能影响。

4）从内表面最高温度出现的时间来看，基本都在傍晚前后，因此，在自然通风状态下，不利于住宅建筑的使用。

3 结论

本文对比分析了新老《民用建筑热工设计规范》隔热的评价方法，从而基于热舒适的要求，提出了常物性无内热源的非稳态模型，然后基于此模型，以南昌地区为例，计算分析了五种复合墙体的隔热效果。得出如下结论：1）围护结构内表面最高温度θ·imax达到热工规范要求的t·emax，仍然无法满足人体热舒适性的基本要求。2）相同基层墙体的条件下，热阻越大（做了外保温后），围护结构隔热性能越好。3）热阻不是决定围护结构隔热性能好坏的唯一因素，还受到材料蓄热性能的影响。