超高层建筑墙体保温节能装饰材料的应用研究*

何 欣，杨峰俊

（1山东建筑大学建筑规划设计研究院，山东济南250014；2济南工程职业技术学院工程管理学院，山东济南250200）

现阶段，面对多变的生存环境和气候变化，维持生活环境需要耗费大量的能源，特别是对超高层建筑，因此对建筑能源节约责无旁贷[1-3]。在建筑节能研究中墙体的节能设计是重点，墙体的保温、采暖消耗更多能耗[4]。目前国内外的学者专家对此类问题已有专业的分析和研究，国外学者改变建筑节能标准，颁布执行相关法律法规，形成了严谨建筑节能机制，推动了建筑行业发展[5]。国内研究根据北方地区能耗特点，使用高性能的保温材料，实现节能目标与墙体保温目标[6]。针对墙体保温和节能这一目标，提出了应用研究，并对节能材料的可行性和实用性展开深入分析讨论。

1 超高层建筑墙体保温节能装饰材料的 应用研究

1.1 计算墙体非稳态传热

计算墙体非稳态传热分析超高层建筑墙体热工性能，首先应确定墙体相应材料特性，见表1。

表1 墙体相应材料特性Table 1 Characteristics of wall materials

根据以上内容计算各墙体相应材料的衰减倍数和延迟时间，对应的计算公式为：

公式中：ε0表示衰减倍数，t0表示计算的延迟时间，W表示蓄热系数，d表示比热，V表示衰减量，x1和xe表示墙体的衰减系数，前者为初始状态的衰减系数，后者表示墙体最终状态的衰减系数[7-8]。

在完成上述准备，分析发现挤塑板具有较小的传热系数，其衰减倍数也很小，由上述内容可知，墙体厚度与延迟时间相关，墙体保温性能决定衰减倍数，根据这一特点，构建墙体保温体系。

1.2 构建墙体保温体系

以往的墙体保温结构采用混凝土、粘土砖等材料，保温性能比较差，严重影响建筑其他部分施工效果，因此这种保温体系很少被采用[9-11]。在高寒地区比较常见的保温体系有复合夹心墙保温体系，该保温体系下的保温形式如图1所示。

图1 高层建筑保温形式示意图Fig.1 Schematic diagram of high rise building insulation form

这种保温体系存在外墙防水和冷桥等问题，总体经济性比较差[12]。

总结上述两种保温体系，选择外墙外保温体系作为节能材料应用的保温体系，其保温形式示意图如图2所示。

图2 外保温体系示意图Fig.2 Schematic diagram of external thermal insulation system

采用这种保温体系有助于延长建筑物的使用寿命，在采用空心砖和陶粒空心砌块等材料的基础上，提高了墙体的防水和气密性能[13]。在确定保温体系的基础上，确定节能材料的性能指标，分析节能材料的热工性能。

1.3 确定节能材料的性能指标

通过上述内容可知挤塑板在墙体保温中具有较好的应用性能，以挤塑板和膨胀聚苯板以及聚苯板为对比，确定挤塑聚苯板性能指标，见表2。

表2 材料性能指标Table 2 Material performance index

续表2

针对上述材料，计算其热工性能，结合经济性分析，将节能装饰材料应用到超高层建筑中。

1.4 分析节能材料热工性能

分析节能材料热工性能时，计算物体之间的导热和对流[14]。假设墙体厚度为b，墙体两侧的温度为ω1和ω2，在计算中设置ω1>ω2，而热流会利用导热这一形式从一个温度高的方向传递到温度低的一侧，利用公式(3)计算单位时间内流经1m2墙体截面的热量[15]。

式（3）中，Q表示通过墙体的热量;γ表示墙体保温材料的导热系数，W/（m·K）。经过上述计算节能材料的导热性能。

在计算对流时，还需要结合热量的变化。计算公式为：

式（4）中，Qc表示表面对流换热量，ηc表示对流换热系数；ω表示墙面温度，℃；t表示空气温度，℃。超高层建筑物的外墙分为主体和热桥，两者的传热系数与围护结构材料层的性质相关，由此可知，其传热计算公式为：

公式中：R表示墙体外部结构的热阻，（m2·K）/W；Ri和Re分别表示墙体内外表面换热阻，（m2·K）/W；bc表示墙体围护结构材料层的厚度，m；γ表示墙体围护材料的导热系数，W/（m·K）。计算多层平壁的导热公式为：

式（8）中：ρ表示热流密度，W/m2；ti表示平壁内表面温度，℃；te表示平壁外表面温度，℃；R1、R2、R3分别表示第一、第二、第三层的热阻。从上述公式可知，热流密度与温差和材料热阻存在负相关。在保证墙体保温的同时突出节能材料的经济性，建立墙体保温层最佳经济厚度模型。

1.5 建立墙体保温层最佳经济厚度模型

将采暖燃料费与墙体保温层材料费、施工费等投资费用相结合构建最佳经济厚度模型。单位面积保温材料费用计算公式为：

式（9）中，gin表示单位面积保温材料价格，α表示保温层体积，g表示单位体积保温材料价格。单位面积的采暖燃料费用计算公式为：

式（10）中，gf表示燃料价格，φ表示墙体保温层采暖总效率，gh表示外墙采暖燃料费用，J表示燃料热值。依据上述公式计算在墙体保温有效周期内，墙体保温层总费用，计算公式为：

通过以上计算公式可知，保温层厚度与造价成正比，与采暖燃料费成反比。所以为了确定性价比最高的节能材料，由确定保温层最佳经济厚度的计算公式，如下所示。

通过上述公式计算出墙体的最佳经济厚度，结合墙体传热水平和材料热工性能，将节能装饰材料应用到超高层建筑墙体中。

1.6 将节能装饰材料应用到墙体施工中

将超高层建筑墙体清理干净，避免墙体表面的脱模剂、防水剂等杂物影响节能装饰材料的应用。将节能装饰材料合成的聚合物砂浆涂抹在每块聚苯板上，聚苯板点框粘结示意图如图3所示。

图3 聚苯板点框粘结示意图Fig.3 Schematic diagram of point frame bonding of polystyrene board

在完成上述操作后，将板均匀粘贴在基层墙体上滑动就位。若出现损坏处，将损坏处的保温叠合层割掉，将基层墙体漏出。

2 结果与分析

2.1 能耗性能验证

为了验证装饰材料的节能和保温效果，以超高层建筑的墙体为例，以文献[4]方法与文献[5]方法为本研究方法的对比方法，进行实验研究。在模拟分析时，需要输入相应的建筑材料性能参数，见表3。

表3 选用的建筑材料性能参数Table 3 Performance parameters of selected building materials

以预测过程能耗为指标，对不同方法进行了实际性能验证。建立了一个遥感传感网络，该网络由200个节点构成，节点随机分布于100m×100m的范围中。不同方法的预测过程能耗对比如图4所示。

图4 不同预测方法的能耗对比Fig.4 Energy consumption comparison of different prediction methods

通过对图4的分析可知，在对超高层建筑墙体保温装饰材料性能进行展开预测时，参考文献[4]和[5]方法的能耗均高于本文方法。文中所提出的方法预测过程能耗一直低于100kJ，证明了该方法具有较好的实用性。

2.2 保温性能验证

为进一步验证超高层建筑墙体保温装饰材料的保温性能，在相同厚度的情况下，进行了对比实验，其结果如图5所示。

图5 不同方法的聚苯板保温性能对比Fig.5 Comparison of thermal insulation performance of polystyrene board with different methods

通过对图5的分析可知，参考文献[4]和[5]方法的平均气温均低于本文方法。文中所提出的方法的平均气温均在14℃以上，证明了该方法具有较好的保温性。

3 结论

本文以超高层建筑墙体为研究目标，研究节能装饰材料在墙体保温中的应用，从墙体的传热和材料的热工性能入手，分析墙体与材料之间的热传递情况，进而选择合适的节能材料，应用到墙体保温中。该方法具有保温性能好、能耗低等特点，为超高层建筑墙体保温提供更多的技术支持，为建筑业的发展提供更多的发展可能。