基于参数化的墙体外保温装饰一体化系统性能优化研究*

文/北京工业大学城市建设学部 王文颢 戎卿文

北京工业大学城市建设学部 北京市历史建筑保护工程技术研究中心 戴 俭 李 宁

0 引言

外围护结构是影响建筑能耗的关键，建筑内部的热量主要通过门窗和墙体散失，其中通过墙体散失的热量占比较大，约占围护结构散热量的70%。目前，墙体保温隔热方式主要包括墙体外保温、墙体内保温及夹心保温3种类型，其中墙体外保温的性能最佳，市场应用最广泛，但仍存在开裂、脱落及装饰性差等问题。相较于传统的墙体外保温系统，保温装饰一体化系统集成了保温与装饰功能，施工过程中采用粘贴与机械锚固结合或龙骨干挂的方式，可防止保温材料脱落和开裂，通过采用龙骨干挂保温装饰一体板进一步提高施工效率，以加快墙体外保温的装配化进程，同时在基层墙体与一体化板材之间形成的封闭空气间层有利于提升墙体保温隔热性能。

目前基于空气间层与外墙外保温装饰一体化系统的研究较少，模拟研究成果多基于少量样本，无法得到研究变量与模拟结果的准确关系。本研究重点关注空气间层与外墙保温装饰一体化系统耦合性能。基于Grasshopper参数化平台，批量生成充足的模型样本并借助Ladybug与Honeybee进行批量模拟，对比分析不同保温材料及厚度、不同封闭空气间层厚度对墙体保温性能的影响，可较为准确地得到保温层厚度、封闭空气间层厚度与墙体传热系数之间的非线性关系，进而确定保温装饰一体化系统最佳的封闭空气间层厚度，优化保温装饰一体化系统的性能，为保温装饰一体板的装配安装提供理论指导。

1 研究路径与要素设置

1.1 复合墙体构成

保温装饰一体化板也叫节能保温装饰一体板，是由黏结层、保温装饰成品板、锚固件、密封材料等组成。保温装饰一体板保温材料种类丰富，分为有机材料和无机材料两大类，有机材料包括挤塑聚苯乙烯板（XPS）、模塑聚苯乙烯板（EPS）、聚氨酯板（PU）、石墨聚苯板（SEPS）等；无机材料包括玻璃棉板、岩棉板、泡沫玻璃板等。饰面材料包括金属、水泥纤维板、石材、涂料饰层、陶瓷及硅酸钙板等。

本文模拟研究的复合墙体模型由基层墙体、封闭空气间层、保温装饰一体化板3部分构成。以保温材料为挤塑聚苯板（XPS）、饰面层材料为硅酸钙板的保温装饰一体板为例进行展示，具体模型构造如图1所示。

1墙体模型构造1a无封闭空气间层厚度的墙体模型1b有封闭空气间层厚度的墙体模型

1.2 墙体模型批量生成

常规模拟通常采用控制变量法设置多组对照组，分别建立各对照组模型，并进行网格划分，再逐一进行模拟计算，最后用模拟所得的数据进行分析，繁杂的模拟计算流程不仅无法得到研究变量与模拟结果之间的准确关系，而且耗费大量的时间和精力。

借助Grasshopper参数化平台可批量生成大量模型，为模拟提供充足的样本（因特殊原因，参数化程序不做展示）。模拟采用简化二维模型，基层墙体为3000mm×240mm的砖墙，一体化板材饰面材料为12mm厚硅酸钙板。通常保温层厚度不超过200mm。为保证样本充足，每种保温材料的保温层厚度变化范围为1～200mm，每种保温材料共生成200组模型。封闭空气间层位于墙体与保温装饰一体化板之间，为保证样本充足，空气间层厚度变化范围为1～100mm，共生成100组模型。由于模型数量较大，截取部分模型进行展示（见图2）。

2部分墙体生成模型

为方便研究，对模型进行简化及假设：墙体传热为稳态传热过程，各材料均匀且导热仅发生在垂直于墙体的方向；忽略保温装饰一体板连接件对墙体性能的影响；各材料层上下两端为绝热壁面。

1.3 材质设定

墙体各材料的设定主要借助Honeybee插件，THERM内有常见材料的材质库，可调用材质库中的参数直接定义材料，材料属性主要包括以下4个参数：导热系数、吸附性、发射率及空腔模型。除调用材质库定义材料外，也可通过输入4个参数完成各材料的材质设定，墙体各材料的参数设定如下。

1）砖墙 导热系数0.810W/（m·K），吸附性0.7，发射率0.93。

2）挤塑聚苯板 导热系数0.029W/（m·K），吸附性0.5，发射率0.90。

3）聚氨酯 导热系数0.024W/（m·K），吸附性0.5，发射率0.90。

4）玻璃棉 导热系数0.038W/（m·K），吸附性0.5，发射率0.90。

5）岩棉 导热系数0.042W/（m·K），吸附性0.5，发射率0.90。

6）硅酸钙板 导热系数0.042W/（m·K），吸附性0.5，发射率0.91。

7）空气 导热系数0.026W/（m·K），空腔模型ISO 15099。

1.4 边界条件设定

本研究以北京地区气象数据为例，气象数据来源于Grasshopper平台的Ladybug插件，为中国气象局和清华大学实测数据。借助Ladybug插件计算北京地区冬季平均室外温度及平均室外风速，计算所得北京地区冬季时段室外平均温度为-1.96℃，平均风速为2.51m/s。通过Boundaries运算器设定墙体边界条件，参数主要为边界曲线、边界类型、壁面温度及对流换热系数。拾取墙体室外侧边界曲线输入Boundaries运算器，将其作为室外边界条件，壁面温度假设为冬季室外平均温度-1.96℃，对流换热系数通过室外风速换算，北京冬季室外平均风速为2.51m/s，对应对流换热系数为20W/（m2·K），将数值输入Boundaries运算器。拾取墙体室内侧曲线输入Boundaries运算器，将其作为室内边界条件，温度设为冬季供暖室内设计温度18℃，对流换热系数设为Boundaries运算器默认的indoor参数。

1.5 样本批量模拟

模型生成与参数设定完成后，运用Honeybee插件中的Therm运算程序对墙体样本进行批量热工性能模拟，Therm是由美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）开发的软件，主要用于模拟计算建筑墙体、门窗、幕墙等构件的热工性能，Therm的二维稳态传热分析基于有限元方法，可对建筑构件的复杂几何形状进行热工模拟计算。

模拟时间间隔设置为5s，模拟程序按保温层或空气间层厚度由小到大的顺序对墙体样本逐一模拟，通过Data Recorder记录每组样本的模拟数据，分别批量模拟计算挤塑聚苯板、聚氨酯板、玻璃棉板、岩棉板4种材料及不同保温层厚度的墙体样本传热系数及热通量，每种保温材料各200组样本，共得到800组有效数据，同时批量模拟不同空气间层厚度的墙体传热系数及热通量，共得到100组有效数据。

2 模拟结果与讨论

2.1 不同保温材料及厚度影响

如图3所示，4种保温材料变化趋势相近，相较于无保温措施的墙体，其传热系数大幅下降，但随着保温层厚度增加，墙体传热系数变化并非呈线性减小趋势，而是呈“先急剧下降后逐渐变缓”趋势，保温层厚度增加至一定程度后外墙传热系数趋于稳定。

3不同保温层厚度的墙体传热系数变化

以挤塑聚苯板为例，其厚度为1～20mm时，墙体传热系数降幅较大，在此范围内墙体传热系数变化范围为0.69～1.26W/（m2·K），传热系数降低0.57W/（m2·K），热通量变化范围为13.77～25.12W/m2，热通量降低11.15W/m2。保温层厚度在20～60mm范围内时，墙体传热系数下降趋势逐渐变缓，保温层厚度为60mm墙体传热系数为0.35W/（m2·K），墙体热通量为7.06W/m2。当保温层厚度从60mm增加至200mm时，传热系数仅降低0.22W/（m2·K），整体下降趋势逐渐变缓，外墙传热系数趋于稳定，故挤塑聚苯板较为合理的厚度约为60mm。聚氨酯板、玻璃棉板及岩棉板墙体的传热系数变化趋势与挤塑聚苯板相似，其厚度分别为55，65，75mm时性价比最高。

2.2 不同封闭空气间层厚度影响

以挤塑聚苯板为保温材料的保温装饰一体化板为例，模拟研究其不同封闭空气间层厚度对复合墙体性能的影响，保温层厚度为60mm且无空气间层的墙体模拟所得传热系数为0.354W/（m2·K），热通量为7.06W/m2，热阻为2.82（m2·K）/W。

如图4所示，封闭空气间层的引入有利于提高复合墙体冬季保温性能，空气间层厚度在0～20mm范围内，随着厚度增加，墙体传热系数下降较快；空气间层厚度达20mm时，墙体的传热系数为0.333W/（m2·K），与无空气间层的墙体相比传热系数降低0.021W/（m2·K），热阻增大0.18（m2·K）/W；空气间层厚度达25mm时，实现传热系数最小值0.332W/（m2·K），与空气间层厚度为20mm时相比仅降低0.001W/（m2·K）；空气间层厚度在25mm以上时，随着厚度增加，墙体传热系数不再变化。考虑到保温装饰一体化板干挂安装的便利性与准确性，故认为空气间层较合理的厚度为20mm。

4不同空气间层厚度的墙体传热系数变化

3 结语

研究基于Grasshopper参数化平台，批量生成并模拟了大量墙体样本（因特殊原因，参数化程序不做展示）。以北京地区气象数据为依据，致力于分析不同保温材料及厚度、不同封闭空气间层厚度对墙体保温性能的影响，得到保温层厚度、封闭空气间层厚度与墙体传热系数之间较为准确的非线性关系。

1）保温层厚度对保温装饰一体化系统的性能影响较大，但性能并非随着厚度增加呈线性增长趋势，故应遵循当地节能设计标准，同时考虑保温材料本身特性，合理选择保温材料。

2）保温装饰一体化板的保温材料为挤塑聚苯板、聚氨酯板、玻璃棉板及岩棉板时，墙体传热系数变化趋势相似，保温层厚度分别为60，55，65，75mm时，其性价比最高。

3）封闭空气间层的引入有利于提升保温装饰一体化系统性能，考虑到干挂安装的便利性与准确性，当空气间层合理厚度达20mm时，可使墙体传热系数降低0.021W/（m2·K），热阻增大0.18（m2·K）/W。