基于Ecotect 软件分析不同材质墙体的保温性能

2022-05-09聂艳妮徐迅刘倩余波段俐伶王宗浩

新型建筑材料 2022年4期

聂艳妮，徐迅，2，刘倩，余波，段俐伶，王宗浩

（1.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010；2.广西大学广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西南宁 530001；3.广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西南宁 530001；4.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁 530001）

0 引言

建筑业是我国能源消耗的一大重点，2018年建筑全过程能耗总量占全国能源消费总量的46.5%[1]，建筑业的节能潜力最大。建筑物围护结构的节能研究是探索绿色发展的重要途径，其中墙体材料的保温隔热性能的研究极为重要。目前出现了许多轻质、保温的墙体材料，部分学者利用DeST-c[2]、有限元[3]及Ecotect Analysis 软件[4]对不同地区的墙体材料进行了能耗模拟[5-6]，通过解读这些热工指标，可以有效地对建筑物围护结构进行设计和方案改造。而本课题组前期对多孔硫氧镁混凝土[7]、树脂透光混凝土[8]的研究发现这2 种材料具有优异的力学性能和热工性能。本文利用Ecotect Anlysis 软件，将这2 种材料与常见的墙体材料如实心黏土砖、加气混凝土砌块进行能耗模拟，探究其保温隔热性能的优异性。

1 模型建立

1.1 模型建立

本文建立的模型类别为新农村自建房，层数为2 层，2 层结构相同，层高均为3.3 m，横向跨度11.5 m，纵向跨度10.8 m，建筑总面积190.14 m2。位于四川省绵阳市，属于夏热冬冷地区，气候条件来源于中国气象局数据库。实验室模型和可视化视图模型如图1、图2 所示。

图1 建筑物的3D 模型

图2 建筑物的可视化模型

1.2 设置模型参数

在建立了Ecotect Anlysis 模型后，对围护结构进行材质设置，分别设置5 种不同材质的墙体围护结构模型，即多孔硫氧镁混凝土、实心黏土砖、加气混凝土空心砌块、导热系数分别为0.306、0.253 W/（m·K）的树脂透光混凝土，新农村自建房模型围护结构材料参数见表1、表2。

表1 模型围护结构的材料参数[9]

表2 5 种墙体材料参数[9]

1.3 区域属性设置

区域属性设置一般包括了室内的人员数、着衣情况、活动状态等参数，室内设备使用情况，热环境属性设置即建筑物内空调等使用情况。考虑到本文主要是比较几种材质的围护结构对建筑物能耗的相关情况，所以将5 种材质下的区域属性情况设为一致。

新农村自建房为民用住宅建筑[10]，室内设置中的人员数量设置为4 人，活动为静坐70 W[11]。人员逐时在室率如表3所示。

表3 人员逐时在室率 %

室内得热情况主要由灯具和小型电器产生，所以需要对设备使用情况、显热得热、潜热得热进行设置。本文的显热得热和潜热得热分别设置为7、3 W/m2[11]，具体设备使用情况与人员在室活动情况时间表一致。

热环境属性设置为全空调系统，设置空调使用时间为24 h。舒适温度范围为18～26 ℃。

2 热环境分析

对于建筑物来说，适宜的室内温湿度是满足人们工作和生活的基本要求。而室内外温度差和太阳辐射热是建筑物围护结构主要的得失热源，如果需要保持建筑的室内热稳定性，并且节约能耗，就需要尽可能地减少围护结构传递的热流量。

2.1 围护结构得失热

Ecotect Anlysis 可以计算出不同围护结构得失热情况，通过数据对比可以分析墙体材料的保温性能差异。本文采用了最热日8 月1 日，最冷日1 月24 日及3 月21 日，9 月21 日的气象数据进行围护结构得失热。

图3 为8 月1 日室外温度变化曲线，图4 为8 月1 日该建筑物围护结构的得失热情况。

图3 8 月1 日室外温度的变化曲线

图4 8 月1 日围护结构的得失热

由图可以看出，从08：00 到17：00，室外气温逐渐升高，围护结构热传导热量在增加，17：00 之后室外温度有所降低，围护结构得失热也随之降低。从图4 看出，在一整天的得失热变化情况中，实心黏土砖的围护结构得失热量较大，总热量达到203 105 W·h，树脂透光混凝土-2 的得失热量最小，总热量为177 354 W·h，多孔硫氧镁混凝土、加气混凝土砌块、树脂透光混凝土-1 的得失热量相当，分别为189 061、185 262、182 156 W·h。故保温隔热性能：SZT-2>SZT-1>JQH>DKL>NTZ，保温性能最好的为树脂透光混凝土-2，保温性能最差的为实心黏土砖。

图5 为1 月24 日室外温度变化曲线，图6 为1 月24 日该建筑物围护结构的得失热情况。

图5 1 月24 日室外温度的变化曲线

图6 1 月24 日围护结构的得失热

由图5 可见，在这一天中，室外温度从00：00 到09：00 下降，从09：00 到17：00，室外温度逐渐升高至最高温度，接着有小幅度的下降。所以围护结构得失热在00：00 到09：00 有大幅度下降，09：00 之后升高。从图6 中看出，实心黏土砖的得失热量仍为最大，达到-375 883 W·h，树脂透光混凝土-2稍好于树脂透光混凝土-1，分别为-298 844、-305 071 W·h，加气混凝土空心砌块与多孔硫氧镁混凝土的保温隔热性能相当，分别为-333 869、-322 503 W·h。保温隔热性能：SZT-2>SZT-1>JQH>DKL>NTZ，保温性能最好的为树脂透光混凝土-2，保温性能最差的为实心黏土砖。

图7 为3 月21 日该建筑围护结构的得失热情况。

图7 3 月21 日围护结构的得失热

由图7 可见，随着室外温度的降低，围护结构损失热量增加，随着温度的升高，围护结构得热量增加。几种材质围护结构的得失热情况分别为多空硫氧镁混凝土：-64 759 W·h，实心黏土砖：-76 943 W·h，加气混凝土砌块：-61 462 W·h，树脂透光混凝土-1：-55 094 W·h，树脂透光混凝土-2：-54 601 W·h。故保温性能：SZT-2>SZT-1>JQH>DKL>NTZ。保温性能最好的仍然为树脂透光混凝土-2，保温性能最差的为实心黏土砖。

图8 为9 月21 日该建筑围护结构的得失热情况。

图8 9 月21 日围护结构的得失热

由图8 可见，几种材质围护结构的得失热情况分别为多空硫氧镁混凝土：41 606 W·h，实心黏土砖：45 702 W·h，加气混凝土砌块：40 497 W·h，树脂透光混凝土-1：39 901 W·h，树脂透光混凝土-2：38 191 W·h。故保温性能：SZT-2>SZT-1>JQH>DKL>NTZ。保温性能最好的仍然为树脂透光混凝土-2，保温性能最差的为实心黏土砖。

2.2 空调能耗

空调系统在建筑物中为人们提供舒适的环境，在外界环境温度低于设定温度时会开启供暖模式，外界温度高于设定温度时，会开启制冷模式。本文设定的温度舒适范围为18～26 ℃，空调系统处于长时间的高负荷运行，会产生较大的空调能耗。对不同墙体材质进行空调能耗的分析也可以看出该种墙体材料是否对建筑物节能有所帮助。本文采用了8 月1日（最热日）和1 月24 日（最冷日）的空调能耗进行对比分析。图9 为8 月1 日该建筑空调能耗情况。

图9 8 月1 日该建筑的空调能耗

由图9 可知，实心黏土砖的空调能耗最大，达到282 829 W·h，其次分别是多孔硫氧镁混凝土：268 785 W·h，加气混凝土空心砌块：264 986 W·h，树脂透光混凝土-1：261 880 W·h，树脂透光混凝土-2：257 078 W·h。即06：00 到17：00 室外温度持续升高，空调制冷能耗也不断升高，18：00 之后，室外温度降低，空调制冷能耗下降。

图10 为1 月24 日该建筑空调能耗情况。

图10 1 月24 日该建筑的空调能耗

由图10 可见，全天空调能耗NTZ＞DKL＞JQH＞SZT-1＞SZT-2。在00：00 到08：00 时间段，随着温度的降低，空调系统供暖能耗逐渐增大，09：00 到18：00 时间段，随着温度的上升，空调系统能耗也逐渐降低。之后温度再次降低，空调能耗也再次增大。

2.3 总能耗分析（见表4）

表4 全年空调总能耗 W·h

从表4 可以看出，该建筑模型5 种围护结构材料中，全年空调总能耗是NTZ＞DKL＞JQH＞SZT-1＞SZT-2。通过对比发现，传统的实心黏土砖保温能力最差，2 种树脂透光混凝土的保温能力都较好，其中导热系数低的树脂透光混凝土-2 的保温隔热效果最佳。

5 种围护结构的逐月空调能耗如图11 所示。

图11 5 种围护结构的逐月空调能耗

由图11 可以看出，该建筑模型冬季采暖能耗远远大于夏季制冷能耗，对其进行对比分析发现与空调运行时间有关。在Ecotect Anlysis 的区域设置中，对空调的运行时间调整[情况1（原始情况）空调运行时间为全天；情况2 将空调运行时间调整为08：00-18：00；情况3 将空调运行时间调整为18：00-08：00]，其余内容不变。由于本次对比的变量为冬季与夏季的能耗，所以仅选取树脂透光混凝土-2 进行计算。

模拟的结果如表5 所示。

表5 3 种情况逐月空调能耗 W·h

由表5 可以发现，空调运行时间为白天（情况2）时，冬季（12 月、1 月）能耗与夏季（7 月）能耗相差不大。空调运行时间为晚上（情况3）时，夏季能耗远远小于冬季能耗。即夏季能耗与冬季能耗的差异性体现在空调系统的运行时间上，原因是由于夏季晚上室外温度在人体舒适度范围内，围护结构墙体热传递得热速率降低，围护结构传递的热流量减少，所以空调能耗也随之降低。

2.4 热工性能对能耗的影响

围护结构传热系数是用来度量材料的导热能力，表示材料在单位面积上允许热量通过的能力[12]。传热系数越低，说明材料的保温性能越好。表6 为5 种材料的热工指标。

表6 材料的热工指标

对表6 传热系数和导热系数进行比较发现，5 种材料的保温性能为：加气混凝土空心砌块＞树脂透光混凝土-2＞树脂透光混凝土-1＞多孔硫氧镁混凝土＞实心黏土砖。

但从表4 全年空调总能耗中可以看出，实心黏土砖是保温隔热性能最差的，树脂透光混凝土-2 是保温隔热性能最好的墙体材料。所以仅从传热系数和导热系数判断保温性能并不全面，所以引入了其他热工指标来校验本次模拟的正确性。

蓄热系数、热阻和热惰性指标等热工指标也可以评价材料的保温隔热性能[13]。它们的计算公式如下：

式中：S——蓄热系数，W/（m2·K）；

T——热作用周期，T=24；

λ——导热系数，W/（m·K）；

c——比热容，J/（kg·K）；

r0——密度，kg/m3。

式中：R——热阻，（m2·K）/W；

δ——材料厚度，m。

式中：D——热惰性指标。

分别对多孔硫氧镁混凝土、实心黏土砖、加气混凝土空心砌块、树脂透光混凝土进行蓄热系数、热阻、热惰性指标的计算，结果如表7 所示。

表7 围护结构材料的保温隔热性能对比

对于实际建筑来说，热惰性指标可以评价围护结构抵抗热流波和温度波在材料层间传播的能力，相较于热阻只能表示稳定传热时的抵抗导热的能力，热惰性指标更能反应实际建筑的保温隔热性能，因此热惰性指标可以评价围护结构墙体的保温隔热性能。热惰性指标越大，说明围护结构材料抵御热流波和温度波的能力越好，保温隔热性能就越好。从表7 可以看出，5 种材料保温隔热性能从高到低分别为：树脂透光混凝土-2＞树脂透光混凝土-1＞加气混凝土空心砌块＞多孔硫氧镁混凝土＞实心黏土砖，与模拟数据能耗结果一致。