保温方式对砖墙围护结构净得热量的影响

胡先霞，李 贺，亢燕铭，钟 珂

(东华大学 环境科学与工程学院， 上海 201620)

长江下游地区的气候类型为亚热带季风气候，冬季气候阴冷潮湿，室外最低温度一般为0 ℃。为维持室内舒适的热环境，通常需要大量能耗。目前，很多研究[1-6]从围护结构性能对建筑节能的影响角度着手，对围护结构的传热行为进行了分析比较。

刘倩等[1]利用DeST软件比较了上海某住宅建筑不同围护结构保温隔热方式对采暖、空调及全年总能耗的节能率的影响，结果表明良好的保温方式对冬季采暖节能率有明显影响；李兆坚等[2]研究了建筑保温性能与空调冷热负荷和能耗的关系，结果表明增强建筑保温性能会使空调加热能耗降低；胡达明等[3]采用反应系数法研究了夏热冬暖地区墙体内、外保温方式对隔热性能的影响；孔凡红等[4]模拟分析了夏热冬冷地区相变围护结构和外保温围护结构的适用性；Constantinos等[5]利用等效满负荷小时(EFLH)方法研究了香港、首尔、东京三大亚洲城市几十年来温度变化对居住建筑冷却和加热能耗的影响；王晓腾等[6]研究了保温层位置对钢筋混凝土建筑的南外墙太阳能吸收状况的影响。上述研究均表明，墙体保温和太阳能的有效利用可以明显增大冬季墙体得热量，从而减少供暖能耗。

实际中，气候条件随时间不断变化，因此墙体与外界换热情况，不仅与当时的室内外气温和太阳辐射有关，还与前期天气影响的墙体本身温度有关。故连续阴天之后，墙体净得热量与室外气温和晴天持续天数均有关系。为此，本文将在不同室外气温和持续日照天数条件下，研究保温层位置对广泛使用的砖墙体净得热量的影响。

文献[6-7]均采用计算流体动力学(CFD)方法模拟了单个房间墙体热容对室内环境的影响；Barmpas等[8]结合太阳得热，采用CFD对不同材料组合的建筑围护结构的传热行为进行了三维模拟，并与TRNSYS模拟软件的计算结果进行对比。上述研究表明，CFD模拟可以得出较准确的结果，故本文拟利用此方法进行研究。

1 计算方法与模型

1.1 计算方法

本文以上海地区的居住建筑和气候条件为研究对象，采用有限容积法控制离散方程，并用二阶迎风格式对离散方程进行差分，依托FLUENT 6.3.26的计算程序，对冬季建筑南墙的传热行为进行研究分析。为简化FLUENT的计算工作量，本文采用了当量导热系数的计算方法，将壁面与空气的对流换热等效成导热进行模拟计算。

太阳辐射对墙体的加热作用受到墙体初始温度及空间分布的影响，为此首先需要对所有工况进行连续阴天的模拟，直至墙体温度分布特征脱离人为设定的初始条件的影响，达到周期性稳定状态；随后，在晴朗天气条件下，对太阳辐射(包括直射辐射和散射辐射)作用下的墙体传热过程进行连续数天的模拟计算。具体工况如表1所示。

表1 模拟的工况Table 1 Simulated cases

1.2 计算模型和边界条件设置

本文采用的物理模型为上海地区某5层高的居住建筑，其几何尺寸为长(L)×宽(W)×高(H)=15 m× 15 m× 15 m。选择建筑南向中间房间(进深×宽×高=4.0 m×3.6 m×2.9 m)为研究对象，南墙为房间唯一的外墙，窗墙比为2∶5，计算模型如图1(a)所示。为降低计算工作量，通过将图中深灰色区域视作对称面，取深灰色面中间部分(见图1(b))设为FLUENT模拟对象，如此可考虑到太阳辐射对建筑内围护结构的温度影响。计算中设时间步长为10 s，每15步改变一次计算域入口温度(即室外气温)和太阳辐射强度。

(a)(b)图1 计算模型Fig.1 The computational model

文献[9]给出了中国气象局气象数据中心上海地区累年日最低气温数据统计，为得出更为全面的试验结果，根据文献[9]的数据统计结果，室外气温最低温度分别取-1.0、 1.5、 4.0和6.5 ℃，气温日较差均为8 ℃，室外气温和太阳辐射强度的逐时变化曲线见图2。室内空气温度始终维持在18 ℃，模拟对象相邻房间室内气温同样为18 ℃。

图2 室外气候条件Fig.2 Outdoor climate conditions

长江下游地区的低层和多层居住建筑广泛采用成本低且施工简单的砖墙结构，故本文研究的墙体结构层为砖墙，抹灰层材料为水泥砂浆，保温层材料为泡沫聚苯乙烯，主要材料物性参数列于表2[10]中。分别采用内保温和外保温方式，墙体构造见图3。

表2 围护结构的材料物性参数Table 2 Physical properties of materials and thickness of building envelope

(a) 内保温 (b) 外保温图3 墙体构造图Fig.3 Profile map of the wall structure

1.3 计算模型的验证

文献[11]对比了西班牙Vigo地区一建筑南墙外表面温度在太阳辐射作用下的现场实测值和数值模拟值，得到了较为吻合的结果。为保证上述计算方法在数值模拟中的可靠性，参照文献[11]的模拟细节，利用本文所用的方法进行模拟，结果见图4。

图4 本文模拟的南墙温度与实测结果对比Fig.4 Comparisons of temperature on the south wall surface simulated in this paper and the measured results

由图4可以看出，与文献 [11]模拟的结果相比，本文模拟的结果更接近实测的温度值。这说明本文的计算模型和方法是可靠的。

2 结果与分析

2.1 南墙平均温度的分布特征

冬季，建筑南墙受太阳辐射的影响最大，南外墙的平均温度在晴天持续5 d条件下的逐时变化特征如图5所示。

(a) 内保温

(b) 外保温图5 砖墙逐时平均温度变化曲线Fig.5 Curves of the average temperature ofbrick wall changing over time

对比图5(a)和5(b)可以得出，两种保温方式下的南墙平均温度均随时间呈周期性波动。不同之处在于，内保温南墙平均温度的波动范围更大，波动幅度可达到6.5 ℃，而外保温墙体的波幅只有1.5 ℃。另外还可以看到，室外空气温度每升高2.5 ℃，内保温南墙的平均温度增加2.0 ℃左右，而外保温南墙的平均温度仅仅升高0.6 ℃，远低于内保温。

造成上述现象的原因：内保温墙体的外侧为导热系数和蓄热系数较高的砖墙结构层，昼间可吸收太阳辐射用于加热整个结构层，夜间大量热量又散发出去；而外保温墙体外侧则为导热系数较小的保温层，昼间阻碍了太阳能热量向砖墙结构层传递，夜间又起到良好的隔热作用，故减少了墙体温度的波动幅度。

为进一步分析不同保温方式墙体的空间温度分布特征，对两种保温方式下南墙在11:00和23:00的空间温度分布进行分析，其特征图如图6所示。图中横坐标为南墙任一点距其外表面的水平距离。

(a) 内保温τ=11:00 (b) 内保温τ=23:00

(c) 外保温τ=11:00 (d) 外保温τ=23:00图6 典型时刻南墙空间温度分布Fig.6 Space temperature distribution of the southwall at typical moments

从图6可以看出，无论何种保温方式，南墙内表面温度均变化较小，始终接近18 ℃，而外表面温度波动较大。图6表明：内保温时，整个砖墙结构层的温度受室外气温影响很大，并随着气候条件的昼夜变化而剧烈变化；外保温时，砖墙结构层温度波动很小，受室外气温影响也较小，仅保温层温度随着外部环境发生剧烈变化，外保温层的隔热作用导致太阳辐射对墙体结构层温度的影响不大。

2.2 不同保温方式下的砖墙净得热量情况比较

建筑围护结构得热量(qτ)由墙体对太阳能的吸收量和墙体外表面与室外空气对流换热损失的热量共同决定，可以表示为

qτ=(Id， τ+Ir， τ)α+hout(te， τ-tτ)

(1)

式中：Id，τ、Ir，τ分别为τ时刻到达南墙外表面的太阳直射辐射强度和散热辐射强度，W/m2；α为南墙外表面吸收系数，取0.73；hout为南墙外表面的对流换热系数，W/(m2·K)；te，τ、tτ分别为τ时刻室外空气温度和南墙外表面温度，K。

为便于比较不同保温方式的墙体净得热通量的变化特征，在室外空气最低温度te，min=-1 ℃工况下，对内、外保温墙体的净得热通量随时间的变化规律进行分析，如图7所示。

图7 te，min=-1 ℃时砖墙净得热通量Fig.7 The net heating quantity of brick wall when the lowest air temperature is -1 ℃

由图7可以看出，墙体在白天得热为正，处于吸热状态，夜间反之。内保温墙体最大净得热量约为150 W/m2，最小为-100 W/m2，外保温墙体最大和最小净得热量分别为50和-70 W/m2，内保温的波动幅度约为外保温的两倍。外保温墙体每天的得热量情况基本保持稳定，与连续日照天数无关，而内保温呈周期性下降趋势，并于第三天达到稳定状态。其他工况情况类似，不再赘述。

为进一步研究保温方式对建筑南墙白天吸收太阳能情况和夜间热损失的总体影响，需要分别计算出南墙昼间得热总量Qsun，1和夜间散热总量Qsun，2。已知计算日当天的日出时间为7:00，日落时间为17:00，则计算公式如式(2)和(3)所示。

(2)

(3)

不同室外空气温度和保温方式时，南墙温度场达到周期稳定状态(连续日照第五天)时的昼间得热总量和夜间散热总量柱状图如图8所示。

从图8(a)中可以看出，内保温时南墙昼间得热总量随着室外气温的增加而增加，外保温的昼间得热总量变化不明显。而图8(b)表明，内保温墙体的夜间散热总量变化则是随室外气温的增加而减少，同时，外保温南墙的夜间散热总量仍不随室外气温而明显改变，且散热总量低至内保温时的1/4。

(a) 昼间得热总量

(b) 夜间散热总量图8 南墙的昼间得热总量和夜间散热总量Fig.8 The total heating quantity during daytime andtotal heat dissipation at night of the south wall

综上所述可知：内保温砖墙虽然昼间得热量多，但其夜间损失的热量更大；而外保温砖墙虽然昼间对太阳能的得热量少，但夜间散发到大气中的热量也较少。

墙体全天净得热总量将最终影响供暖能耗。室外空气温度不同时两种保温方式的砖墙全天净得热总量随日照时间的变化曲线图如图9所示。图9表明，在连续晴天条件下，仅日照第一天内保温砖墙的净得热总量高于外保温，随着日照时间的增加，外保温砖墙的净得热总量几乎保持不变，而内保温时的净得热总量随之减少，并于第二天或第三天开始低于外保温墙体的净得热量。

图9 南墙全天净得热量随日照天数的变化Fig.9 All-day variations of net heating quantity of thesouth wall with the sunshine-days

从图9(a)还可以看出，室外气温越低，墙体得热量越少，外保温砖墙相对于内保温砖墙的得热量增值越大。可以认为外保温砖墙在冬季的保温效果优于内保温，且室外气温越低，优势越明显。

为进一步分析外保温方式的优势，本文以外保温墙体全天净得热总量为基准，定义外保温砖墙相对于内保温的增加率η为

(4)

式中：Qe， sun和Qi， sun分别为外保温和内保温墙体的全天净得热总量。室外气温不同时，η随日照时间的变化规律如图10所示。

图10 外保温净得热总量的增加率Fig.10 The increase rate of net heating quantity of external insulation way

由图10可知，就净得热总量而言，日照第一天外保温墙体并无优势，净得热增加率甚至为-300%，并且受室外气温影响很大。但在连续晴天3 d后，外保温砖墙的净得热总量比内保温方式多出近70%，且不随室外气温的改变而改变。这是因为在连续日照3 d(即内保温墙体外表面温度实现平衡)后，造成内外保温墙体的净得热量差别的原因，主要是墙体吸收的太阳能不同，故与室外气温无关，但在内保温墙体温度周期性稳定之前(即第一、二个晴天)，内保温墙体温度较低，对流散热量较小，使得墙体实际得到太阳能较多。同时由于对流散热量受室外气温影响大，故此时内外保温墙体的净得热量差别与室外气温有关。

因此，可以认为对于冬季日照较充足的地区，持续晴朗天数较长，砖外墙采用外保温方式更加有利于该地区建筑节能。

3 结 语

墙体与外界换热情况，不仅与当时的室内外气候条件有关，还与墙体本身温度有关。本文针对连续阴天之后，墙体在太阳辐射作用下的净得热量与室外气温和晴天持续天数的关系，采用数值模拟方法进行了详细研究，主要得到以下结论：

(1) 内保温时，砖墙结构层的温度受室外气温影响很大，并随着气候条件的昼夜变化而剧烈变化；外保温时，砖墙结构层温度波动很小，受室外气温影响也较小。

(2) 内保温砖墙的昼间得热量虽大，但夜间散热量也多，全天净得热总量随日照天数的增加而减少；外保温墙体在外侧保温层的作用下，昼间吸收的太阳能和夜间对流散热量均较小，并且与连续日照天数无关。

(3) 日照第一天外保温墙体并无节能优势，在连续晴天3 d及以后，外保温砖墙的净得热总量比内保温方式多出近70%，且不随室外气温的改变而改变。

综上，冬季持续晴朗天数较长的地区，砖外墙采用外保温方式更加有利于该地区建筑节能；对于少有连续晴天的地区，则内保温有利于减小供暖能耗。