内容导读

内置保温系统在被动式超低能耗建筑中的应用情况如何？为解答这一问题，安能绿建技术部特别开展了关于“内置保温系统应用于被动式超低能耗建筑模拟分析”的研究。

该研究通过实验方式验证了传热仿真具有较高的精度，并在此仿真模型基础上对4种内置保温系统进行传热仿真，分析其传热特性并确定了4种内置保温系统的系统修正系数，同时对模型1保温系统构造应用于被动式超低能耗建筑中各热桥节点部分进行仿真计算，确定典型住宅建筑附加传热量及附加传热系数。在上述计算和分析基础上，采用DEST软件分析模型1构造应用于河北省三大气候区建筑能耗情况，并确定了内置保温系统应用于被动式超低能耗建筑的外墙传热系数和挑板末端隔热措施，为后续内置保温系统应用于被动式超低能耗建筑的工程设计提供参考。

关键词：

现浇混凝土内置保温系统；被动式超低能耗建筑；仿真模拟；能耗分析；热桥分析

论文作者：

安能绿色建筑科技有限公司技术部总监王晓波

前言

目前我国被动式超低能耗建筑的保温方式多为薄抹灰技术，然而薄抹灰技术在我国建筑运行过程中发生诸多问题，例如防火、保温层开裂、脱落以及后期维护更换保温成本高等问题。被动式超低能耗建筑的保温层较厚，在寒冷和严寒地区保温层厚度一般在mm以上，因此具有更大的风险，针对这些问题，河北省在年发布实施了《民用建筑外墙外保温工程统一技术措施》冀建质安〔〕4号，其中外墙保温首位推荐的便是现浇混凝土内置保温系统（后文简称内置保温系统），在河北省《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》[1]也规定了剪力墙结构应采用内置保温系统，在内置保温系统中为了保证防护层的安全性，需要采用连接件将主体结构与防护层进行连接，并在每层楼板处设置挑板保证保温系统的安全性，该构造在一定程度上增加了建筑热桥热损失，因此需要对该系统形式的节能效果进行分析。本文采用CFD软件对内置保温系统和建筑各热桥部位进行热损失计算，并在建筑能耗计算过程中考虑建筑热桥热损失，分析内置保温系统应用于被动式超低能耗建筑在河北省严寒C区、寒冷A区、寒冷B区节能效果，为后续工程设计提供参考。

01

现浇混凝土内置保温系统

及热桥数值分析

1.1模型设定及假设

本次仿真计算模型为三维无内热源稳态传热模型、第三类边界条件，传热模型、边界模型表达式、材料参数及修正系数参考文献[2-9]，传热模型中室内温度为20℃，室外温度按石家庄季冬季空调计算温度-8.8℃[10]，室内外空气对流换热系数分别取8.7W/(m2·k)、23W/(m2·k)[7]，模型2、3、4中金属连接件的镀塑层采用薄壁模型，传热过程进行相关假设如下：

（1）围护结构每种材料为均质，各材料导热系数各项同性；

（2）无内热源；

（3）忽略围护结构内水蒸气相变引起传热；

（4）忽略内表面的辐射传热。

1.2传热模型验证

为保证后续分析结果的正确性，采用实验方法对仿真模型精度进行验证，实验构件为mm*mm，保温层为mm石墨聚苯板，保温构造如图1所示。测试保温系统之前首先对保温材料进行测试，经过两组测试，石墨聚苯板的导热系数均为0./(m2·k)/W。按图1构件建立传热模型并划分网格，钢丝及穿透保温等金属部位进行网格加密，如图2所示，模型设定参照2.1节，采用防护热箱法测定构件传热系数并与传热模型对比，结果如表1所示,可看出，仿真结果与实验结果基本一致，仿真结果与第一组和第二组的误差分别2.28%和3.47%，结果较为准确，因此该网格尺度及传热模型可作为后续分析使用。

表1实验及仿真结果对比

图1实验构件模型及混凝土浇筑

图2构件传热单元模型及网格划分

1.3内置保温系统传热分析

目前河北省已发布实施的内置保温系统被动式超低能耗建筑构造模型有4种，传热单元模型尺寸、连接件类型、材料、锚入混凝土深度、防护层网片密度、钢丝直径、度塑层厚度参考现行标准及模型[1，2-5]，传热模型如图3所示，四种模型的保温层厚度均相同为mm。

（a）模型1（b）模型2

（c）模型3（d）模型4

图3内置保温系统传热单元模型

4种内置保温构造的温度云图及室内侧内表面温度散点图如图4和图5所示。图中可看出尽管连接件穿透保温层，但并没有造成保温系统传热温度分层现象，整体传热较为均匀，从室内侧表面温度散点图上看，模型1到模型4的室内侧表面最低温度分别为19.48℃、19.32℃、19.20℃、19.31℃，模型1能够在更为寒冷的气候条件下保证室内的墙体表面温度，从而提高室内热舒适效果和避免发生结露发霉等现象发生。

（a）模型1（b）模型2

（c）模型3（d）模型4

图4内置保温系统传热单元温度云图

（a）模型1（b）模型2

（c）模型3（d）模型4

图5传热单元室内侧表面温度散点图

尽管从传热温度云图和表面温度上看，分析结果较为良好，但金属连接件穿透保温势必会导致保温系统的传热量增加，因此在进行节能设计时需要对建筑保温系统进行修正，综合考虑金属连接件穿透保温造成的传热量增加。保温系统综合修正系数计算如式（1）（2）（3），内置保温系统传热结果分析如表2所示，模型1采用不锈钢桁架作为连接件，导热系数是传统钢材的近1/4，且穿透混凝土深度较小，因此保温系统的修正系数较小。综上分析可知，内置保温系统应用于被动式超低能耗建筑应慎重选用保温系统形式，金属连接件采用镀塑形式并不能提高保温效果阻断热桥效应，连接件材料的导热系数是影响内置保温系统保温效果的关键因素，为保证被动式超低能耗建筑的节能效果，内置保温系统的连接件应在满足受力安全和可靠连接的情况下选用更低导热系数的材料。

式中，η为保温系统修正系数；Q仿真为仿真模拟传热量，W；Q计算为无连接件构件传热量，W；R为构造层热阻,(m2·K)/W；Rin、Rin分别为室内和室外侧对流换热热阻,(m2·K)/W；A为传热面积m2；ΔT为传热温差，℃；δ为构造层厚度，mm，λ为构造层材料导热系数W/(m·K)，α为构造层材料导热系数的修正系数。

表2内置保温系统传热结果

02

内置保温系统

被动式超低能耗建筑能耗分析

2.1内置保温及外贴保温外墙传热对比

虽然外墙薄抹灰技术断热桥效果较好，但内置保温系统相对于薄抹灰技术省去了防火隔离带、锚栓、托架，同时内置保温系统的填充墙保温层厚度比剪力墙保温层厚度增加mm[1-5]，因此应综合考虑建筑整体外墙保温系统的的平均传热系数。以一栋9层剪力墙住宅为例（图5），保温层厚度均为mm石墨聚苯板，计算建筑外墙保温系统的平均传热系数。4种内置保温系统内置保温和外贴保温的平均传热系数，经计算如表3所示。可看出在不考虑建筑的结构性热桥情况下，建筑的外墙保温平均传热系数最小的为内置保温系统模型1构造，在相同保温厚度条件下，4种内置保温系统和外贴保温在该建筑中外墙保温平均传热系数大小依次为模型3＞模型2＞模型4＞外贴保温＞模型1。因此满足河北省外墙保温系统平均传热系数0.15W/(m2·k)条件下，内置保温系统模型1、模型2、模型3、模型4所需要石墨聚苯板保温层厚度分别为mm、mm、mm、mm。

图5住宅模型图

表3建筑平均传热系数计算

2.2内置保温热桥分析

上节计算的4种内置保温构造中，外墙平均传热系数最小的为模型1，更容易实现被动式超低能耗建筑，且最具有经济型，因此被动式超低能耗建筑热桥计算按模型1分析，计算依据参照第2节，由于模型1中不锈钢桁架与防护层钢丝网片为一体形成为三维热桥，而建筑中热桥多为线性热桥，因此将保温系统修正系数折算为保温材料综合修正系数α保温材料修正进行计算，如式（4）所示。建筑模型参照图6，各部位热桥计算结果如表4所示，热桥造成的附加传热系数以及建筑外墙总传热系数如式（5）和式（6）所示。

表4内置保温系统模型1建筑中各热桥

由于文献[1]中规定，为保证防护层安全性，需要在层间混凝土设置挑板并伸至防护层厚度的4/5处，末端做隔热设计，该结构性热桥处造成的热损失较大，需要专项设计。本节对挑板末端断热桥材料为保温砂浆和真空绝热板，末端隔热高度分别为mm和mm，模型如图6，计算结果如表5所示，挑板部位造成的热损失较大，仅挑板部位热桥热损失比其他热桥部位总和都多，采用真空绝热板对挑板末端进行断热桥具有较好的效果，但总体的热桥造成的热损失依然较大。

表5外挑板附加热损失计算

图6挑板断热桥构造

2.3建筑能耗分析

在图6模型和热桥计算的基础上采用Dest软件进行能耗计算，分析内置保温系统应用于被动式超低能耗建筑的采暖需求和制冷需求。由于文献[1]中室内热扰参数并未针对具体功能房间确定作息和散热，而是以被动区域为整体，在不同朝向、不同类型房间可能造成冷热负荷抵消，影响计算结果，因此室内散热参数和作息参照《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》[12]房间热扰设定。模型中围护结构热工参数及常压换气次数按照文献[1]限值设计，并在此基础上确定外墙传热系数，计算中考虑建筑自然通风对建筑能耗的影响，通风模型采用幂指模型。经计算当外墙传热系数为0.31时，该建筑位于河北省寒冷A区、寒冷B区和严寒C区能耗结果如表6所示，即采用内置保温系统模型1的外墙总传热系数小于0.31W/(m2·k)时，可满足三大气候区采暖和制冷需求，此时可选用末端mm真空绝热板挑板做法。

表6三大气候区采暖和制冷需求

03结论

采用CFD仿真软件对内置保温系统传热、内置保温建筑节点构造进行传热仿真和热损失分析，并采用DEST能耗分析软件对内置保温系统应用于被动式超低能耗建筑进行采暖、制冷需求计算得出以下结论：

（1）对传热模型进行仿真并实验验证，仿真具有较高的精度，误差在2.28%和3.47%之间，采用仿真计算的结果精度较高可作为建筑保温系统和热桥传热分析的手段。

（2）金属连接件镀塑并不能提高保温效果阻断热桥效应，连接件导热系数是影响保温效果的关键因素，当采用内置保温系统应用于被动式超低能耗建筑时，应在满足连接件受力安全和可靠连接的情况下，选用导热系数更低的连接件来保证被动式超低能耗建筑的节能效果。

（3）对外贴保温和4种内置保温进行建筑外墙平均传热系数计算，模型1的外墙平均传热系数最小，且略小于外贴保温，具有优异的节能效果。

（4）对模型1建筑热桥部位进行传热分析并计算附加传热系数，挑板部位热损失较大，采用真空绝热板进行末端隔热具有相对较好的性能。

（5）对内置保温系统应用于被动式超低能耗建筑进行采暖和制冷能耗分析，当外墙传热系数小于0.31W/(m2·k)时，可同时满足文献[1]三大气候区采暖、制冷需求限值，此时末端断热桥措施应为高mm真空绝热板。

参考文献

1、DB13(J)/T-（版），被动式超低能耗居住建筑节能设计标准[S]..

2、J20J-,被动式超低能耗建筑节能构造（二）[S]..

3、J21J-,被动式超低能耗建筑节能构造（三）[S]..

4、J21J-,被动式超低能耗建筑节能构造（四）[S]..

5、J21J-,被动式超低能耗建筑节能构造（五）[S]..

6、杨世铭.传热学[M].北京：高等教育出版社,6：41-46.

7、GB-,民用建筑热工设计规范.GB-[S]..

8、王晓波,刘建伟,陈占虎,等.既有建筑节能改造内保温典型热桥数值模拟优化研究[J].建设科技,(19):29-31+51.

9、陈振龙,韩重庆,许清风,等.底面受火预应力混凝土空心板耐火性能的有限元分析[J].防灾减灾工程学报,,36(3):-.

10、GB-,民用供暖通风与空气调节设计规范[S]..

11、16J-8-,被动式低能耗建筑-严寒和寒冷地区居住建筑[S]..

12、JGJ26-,严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准[S]..

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