外墻在整個圍護結構中占有面積最大, 消耗能量比例也較大, 因此, 外墻保溫是實現節能的一種重要方式。外墻保溫方式有很多, 保溫裝飾墻體既具保溫性能, 又有裝飾效果, 受到越來越多的關注。泡沫玻璃具有保溫、隔燃、吸聲等優勢, 應用越來越多[1,2,3,4]。泡沫玻璃保溫裝飾復合墻體動態傳熱特性, 對保溫裝飾復合墻體的節能研究具有重要意義。

常見的泡沫玻璃復合墻體有粘錨式和干掛式兩種, 本文針對兩種泡沫玻璃復合墻體, 計算其傳熱性能, 并對非穩態工況下兩種復合墻體的節能特性進行研究。

墻體結構熱阻可分為單層材料熱阻、多層材料熱阻、組合壁熱阻以及構造中帶封閉空氣間層墻體的熱阻。因此, 在數值上, 墻體的傳熱阻等于傳熱過程中熱流沿途所受到的阻力之和Ra, 即:

Ra=Ri+∑Rn+Re (1)

式 (1) 中:Ri—墻體內表面換熱阻, m2·K/W;∑Rn—墻體結構的熱阻, m2·K/W;Re—墻體外表面換熱阻, m2·K/W。

單層材料的熱阻計算公式:

R=δλ   (2)$R=\frac{\delta }{\lambda }(2)$

式 (2) 中:R—單層材料的熱阻, m2·K/W;δ—材料層的厚度, m;λ—材料的導熱系數, W/ (m·K) 。

墻體傳熱系數按K=1/Ra計算得出。

根據墻體表面狀況和環境條件直接采用《民用建筑熱工設計規范》推薦的數據, 夏季墻面的內表面換熱阻Ri為0.11 m2·K/W, 外表面換熱阻Re為0.04 m2·K/W[2]。干掛式和粘錨式墻體材料如表1和表2所示, 其構造圖見圖1和圖2。

根據GB 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中上海的夏季外墻逐時冷負荷計算溫度作為室外溫度 (1型外墻朝向南) [3], 如表3所示。夏季室內空調計算溫度為26 ℃。

墻體傳熱系數k, 室內設計溫度為Ti, 墻體外表面溫度為To, 忽略墻體外表面與其他事物的互相熱輻射和對流換熱的影響。單位面積墻體熱流密度q的表達式為:

q=k (To-Ti) (3)

式 (3) 中:R—單層材料的熱阻, m2·K/W;δ—材料層的厚度, m;λ—材料的導熱系數, W/ (m·K) 。

泡沫玻璃厚度δp分別取20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm, 以比較不同厚度泡沫玻璃對墻體在非穩態條件下整體熱流密度的影響。

圖3和圖4分別表示粘錨式泡沫玻璃建筑外墻外保溫系統和干掛式泡沫玻璃建筑外墻外保溫系統在設定條件下的熱流密度曲線。

計算結果表明, 在粘錨式泡沫玻璃建筑外墻外保溫系統和干掛式泡沫玻璃建筑外墻外保溫系統中, 當泡沫玻璃材料厚度分別選取20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm時, 系統的瞬時熱流密度發生明顯變化。其中, 當泡沫玻璃層由20 mm增加為30 mm時, 系統的熱流密度變化最為明顯, 粘錨式中平均增長42.5%, 干掛式中平均增長33.2%。

本文以粘錨式泡沫玻璃建筑外墻外保溫系統和干掛式泡沫玻璃建筑外墻外保溫系統兩種復合墻體為研究對象, 通過理論計算的方法對兩種復合墻體的傳熱特性進行了計算, 并對非穩態工況下兩種復合墻體的節能特性進行了研究。分析計算結果得出了以下結論。

(1) 墻體中使用泡沫玻璃對于提高墻體的保溫節能性能具有重要作用, 因此研究泡沫玻璃建筑外墻外保溫系統的傳熱特性具有現實意義。

(2) 干掛式泡沫玻璃建筑外墻外保溫系統存在空氣層, 使得它的保溫性能明顯優于粘錨式泡沫玻璃建筑外墻外保溫系統。

(3) 兩種復合墻體中, 最經濟的泡沫玻璃厚度大約為30 mm, 此時獲得最優的節能保溫效果, 同時節省泡沫玻璃材料用量。