建筑節能設計中的外墻設計及數值模似

河南建筑職業技術學院,河南 鄭州 450064

建筑節能設計中，外墻作為圍護結構的重要組成部分，傳熱耗熱量約占整體維護結構的28%以上，因此建筑外墻節能設計尤為重要[1]。文獻[2]提出基于CFD 數值模擬的空心砌塊通風墻體節能特性分析方法，在24 h 及8:00～20:00 空調運行模式下，分析不同空腔厚度及不同空氣流速時通風墻體的內表面熱流及溫度，并與相同空腔厚度空心砌塊普通墻體進行了對比。文獻[3]提出基于等效采暖度時數的建筑外墻保溫經濟厚度分析方法，運用P_1-P_2 經濟模型建立全壽命周期外墻保溫最優厚度數學模型，引入節能工程經濟外部性概念，通過實測數據采用等效采暖度時數計算建筑能耗。但是以上兩種方法獲取的試驗實測值與模擬計算值之間的相對誤差較大，導致建筑能耗較高。

針對上述方法存在的問題，本文對建筑節能設計中的外墻設計進行有效分析，并通過數值模擬研究外墻節能設計優勢。

1 外墻內外保溫層厚度理論

2×4 外墻外保溫層厚度設計：三層以下建筑的熱傳導系數限值0.35 W/（m2·K），若墻骨外墻結構規格采用2×4，即墻骨柱截面尺寸為40×90 mm，采用傳熱系數為0.036 W/（m2·K）的玻璃纖維棉作為夾芯材料時，外墻傳熱系數處于0.35 W/（m2·K）左右，此時無需采用外保溫，若采用傳熱系數為0.045 W/（m2·K）的巖棉作為內保溫層材料時，應在夾芯保溫基礎上，增加外墻外保溫[4,5]。

2×6 外墻內保溫層厚度設計：以熱傳計算結果為依據，當墻骨間距為450 mm、650 mm 時，2×6巖棉保溫外墻填充保溫材料厚度隨墻骨厚度增加而增大，傳熱系數相對較低，分別為0.286 W/（m2·K）和0.282 W/（m2·K），未超過節能實際設計標準限制0.35 W/（m2·K）[6,7]。

2 數值模擬

2.1 外墻平均傳熱系數計算和數值模型

采用基于一維穩態傳熱原理的標定熱箱法測定墻體保溫性能。在溫度、風速、輻射等情況達到穩定狀態后，測量試件箱體（熱箱、冷箱）兩側空氣溫度、箱體內外壁表面溫度以及熱箱內發熱設備所產生的所有通過墻體的熱流Q1，計算被測墻體的傳熱系數或熱阻[8,9]。其中利用熱箱計量功率，計算墻體試件傳熱熱阻、傳熱系數，其公式如下：

式中：H、E分別表示墻體試件傳熱熱阻、傳熱系數，單位分別為m2·K/W、W/（m2·K）；Up、U2、U3分別表示輸入熱箱總功率、熱箱箱壁散熱量、墻體框架側向迂回散熱量，單位均為W；th、tc分別為熱箱、冷箱環境空氣溫度；tsi、tse分別表示時間熱箱面、冷箱面溫度，單位為℃。平均傳熱系數計算公式：

式中：E0、Ew和Ec分別表示外墻平均傳熱系數、墻保溫材料填充處平均傳熱系數和框架傳熱系數，單位為W/（m2·K）；Sw、Sc分別表示保溫材料所占面積比、框架所占面積比。

結合外墻平均傳熱系數，構建外墻導熱數值模擬模型，其表達式為：

式中，Hi、He分別表示墻體內外表面的換熱組，取值分別為0.10 m2·K/W，0.05 m2·K/W。

2.2 模擬實驗設置

利用本文方法對建筑節能設計中的外墻設計進行有效驗證，并通過數值模擬檢測墻體保溫性能。在建筑外墻保溫材料施工中，采用AIPAK 作為計算流體力學軟件進行建筑節能設計中外墻穩態傳熱數值模擬，利用熱流密度推導外墻平均傳熱系數，其中選擇室內零方程模型作為實驗用物理模型，依據第三類邊界條件設計外墻內外表面熱邊界條件，內、外表面換熱系數分別為8.8 W/（m2·K）、23.5 W/（m2·K），室內、外溫度分別為25 ℃、-5 ℃；墻體材料熱工參數設置情況見表1。

表1 墻體材料熱工參數設置Table 1 Thermal parameters setting of wall materials

3 數值模擬結果與分析

將墻體A（未采取保溫節能設計）和墻體B（采取保溫節能設計）分別劃分為1-5 區域（不包含邊界墻骨柱和空腔），測量各區域溫差，并分別計算各區域熱箱、冷箱側墻體表面各測點溫差均值，利用公式（1）-公式（3）計算各熱流計測點的熱阻和傳熱系數。墻體的保溫材料填充區域2 和4 及墻骨柱區域3 與實際墻體中的保溫材料和墻骨柱比例相同。利用公式（4）加權墻體A、B 的2、3、4 區域傳熱系數，計算墻體平均傳熱系數，結果如表2 所示。

表2 墻體保溫性能檢測結果Table 2 Detection results of wall thermal insulation properties

墻體A、墻體B 的內、外表面溫度分布情況如圖1、圖2 所示。

圖1 墻體A 內、外表面溫度Fig.1 Inner and exterior surface temperatures of the wallA

圖2 墻體B 內、外表面溫度Fig.1 Inner and exteriorsurface temperatures of the wall B

從圖1 可以看出，墻體A 的內、外表面溫度范圍分別為22.934 ℃～24.446 ℃、-5.977 ℃～-4.978 ℃，內、外表面溫差分別為1.512 ℃、0.999 ℃。從圖2 可以看出，墻體B 的內、外表面溫度范圍分別為23.283 ℃～24.594 ℃、-5.964 ℃～-5.593 ℃，內、外表面溫差分別為1.311 ℃、0.371 ℃。

對比墻體A 和墻體B數據可知，墻體B相對于墻體A外表面溫差由0.999 ℃降低至0.371 ℃，溫差縮小0.628 ℃；內表面溫差由1.512 ℃減小至1.311 ℃，墻體內表面最低溫度由22.934 ℃上升至23.283 ℃。實驗結果表明，建筑節能設計中的外墻設計可減小墻體外溫差，提升墻體內部溫度，增加室內溫度均勻性，增強室內人員熱舒適性。

墻體A、墻體B 的平均傳熱系數試驗實測值與模擬計算值的對比結果如表3 所示。

表3 試驗實測值與模擬計算值的對比結果Table 3 Comparison of test measured values and simulated values

由于試驗過程中存在許多誤差，如試驗儀器誤差、環境影響等，其中實驗條件下墻體受熱會降低木料含水率，也會導致傳熱系數發生變化。因此在該種情況下，獲取的試驗實測值與模擬計算值之間的相對誤差小于5%，可認為試驗結果與模擬結果具備良好一致性。

為了進一步驗證本文方法的有效性，采用基于CFD 數值模擬的空心砌塊通風墻體節能特性分析方法、基于等效采暖度時數的建筑外墻保溫經濟厚度分析方法和本文方法，對建筑能耗進行對比分析，對比結果如圖3 所示。

根據圖3 可知，基于CFD 數值模擬的空心砌塊通風墻體節能特性分析方法的建筑能耗最高可達21 W/m2，而基于等效采暖度時數的建筑外墻保溫經濟厚度分析方法和本文方法隨著建筑外墻保溫層厚度的不斷增加，建筑能耗逐漸降低，但是本文方法的建筑能耗比基于等效采暖度時數的建筑外墻保溫經濟厚度分析方法的建筑能耗低。

4 結論

建筑節能設計中外墻設計主要從兩個角度出發，分別為建筑外墻內外保溫層材料選取和內外保溫層厚度設計。其中外墻外保溫層設計的隔熱效果好，且抗裂、美觀、防滲性能均可達到應用標準；外墻保溫層厚度是依據保溫材料的導熱性能進行設計。通過數值模擬驗證節能設計后的外墻，可縮短墻體內外溫差，提升室內熱舒適性。