建筑节能 ０ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓａｖｉｎｇ 加气混凝土自节能墙体温湿度传递模拟分析串 赵德志卢 爽 （哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨１ ５０００６） ［摘要］ 针对目前加气混凝土墙体在使用过程中出现的一些问题，运用ＡＮＳＹＳ软件对两种墙 体体系进行了温湿度分布、温度应力以及温度变形的模拟分析。结果表明，外抹保温砂浆后，墙 体基体在冬季、夏季的温度变化分别降低１．６６８￣Ｃ￣１３５．３１５℃，而外抹普通砂浆时，砂浆层内湿 度梯度更大，在负温情况下更容易产生结露以及冻胀。保温砂浆可有效降低加气混凝土基体层 内最大温度应力，其与基体层粘结强度更大，因此可以有效减小界面层开裂的可能，同时还可 以明显降低加气混凝土墙体基体的变形。 １ 引 言 ３计算模型 随着近年来建筑节能的深人推进，自节能墙体 开始进行数值计算之前，需要对墙体建立合适 受到更多的关注和重视。所谓墙体自节能就是应用 的数学、物理模型，数学模型采用通用的微分方程， 导热系数小的墙体材料来达到保温效果，目前应用 物理模型根据实际应用过程中墙体尺寸确定。 较多的为加气混凝土自节能墙体。加气混凝土砌块 假设墙体为均匀连续、多种材料组合结构，层间 以其无数微小、、分布均匀的气孔结构而形成 连接紧密，并忽略各材料层间的热阻，则根据能量守 轻质、保温、吸音、抗震、可加工性强等多种功能， 恒定律以及傅立叶定律，综合考虑温度梯度和热流向 是一种优良的新型墙体材料。但在拥有众多优势的 量，建立空间点（ｘ，Ｙ，Ｚ）任意时刻的温度 的函数： 同时，加气混凝土砌块也存在着表面强度较低、吸 ＯＴ水率较大等缺点。在工程实际使用中，建筑外墙自 ｐｃ ＝昙（ ）＋ （ ＯＴ）＋ Ｏ．ｈｏ Ｔ）＋ （１） 节能系统会受到温湿度变化以及各种荷载的作用， 将会导致墙体变形、开裂以及剥落等。因此，本文 式中： 一导热系数［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］； 将用数值方法对加气混凝土外墙的温湿度场、温度 ｃ—材料比热容［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）】； ｐ一材料的密度（ｋｇ／ｍ ）； 应力以及温度变形进行模拟计算分析。 —单位时问单位体积所散出的热量（ 『ｍ ）。 ２有限单元法 本文在研究温度场分布时采用的是稳态传热， 有限元法是一种十分有效的数值模拟分析的 参数 、Ｐ、ｃ均为常数，且墙体内部无热源（Ｑｖ＝Ｏ）因 方法，目前在各种工程领域中有着广泛的应用。 此，（１）式可以简化为： ＡＮＳＹＳ作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析 ａ ，ａ 丁．ａ ．ａ 、 软件，可进行静力分析、断裂分析、复合材料分析、 。－ｇ一 ｃＤ ａｘｚ ａ ＋ 十 ８ｚ 、‘ （２） 热应力分析等。本文利用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件对 至此，墙体内部的温度场求解就是在给定边界 加气混凝土自节能墙体在冬季、夏季不同环境条件 条件下对偏微分方程（２）的求解。从方程形式可以 下进行实体建模，对自节能系统温度分布、应力分 看出其有通解存在，针对不同的传热过程，附加各自 布及温度变形进行分析。 的条件，算出特解，就可以得到所需要的传热结果。 计算过程中墙体结构的物理模型根据实 哈墙改建节科２０１２—０２。 际应用情况来确定，墙体基体的尺寸确定为 ５ ８ 墙材革新与建筑节能２０１６．１２ 、０、 建筑节能 Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓａｖｉｎｇ 『人】外温度恒定，冬零 内温度为ｌ８ ：，＇４－外温度 为一２０％，夏季 温 为１８ ：，审外温 为３０￣Ｃ； ｊ 址要忽略不¨材料 Ｉ＇ＨＪ自勺接触热 ，墙体『人】各 怵材料表而不平 将导致厌川接触／ｆ 紧密， 此 接触而Ｉ埘侧会仃 温度差，发，ｊｉ热ｆ／；－ 脱象， 导致热阻ｆ｝Ｉ现，小过ｔｔ：ｔ ｊ二本文『｝１热ｌ５『Ｉ Ｊ ｆ Ｉ 匕例很 ＩＪ、． 且相火理论也 善，【夫１此 仃 丸模拟分 过 ｒｆ，忽略其影口向 图１墙体物理模型 ３０００…ｍ×２０００ｌｌｌＩｌｌ×２４０ｎＩＩＩＩ，同｝１ｌｆ耷外 ｝术面砂浆 』矗 度为２０ｎＩｌｌ１．『』『Ｉ【纠ｌ所乐 ４计算结果及分析 ４．１ 温度场分布 确定热传 力 ．还衙 始条什以及边界条 小史ｒ ｒ温度场ｆｌ＇，ｊ￣ｌ析主要 助Ｊ：ＡＮＳＹｓ—ｆ１ Ｉ＂ＪＷＩ，，－ｋｌ ｅｎｃ ＇１７－台墒体温度场分析以及濉发腹 什，川来确定墙体Ｉ～部的温度场－９４ｉ，义Ｉｆ１只血川 ｆ种温度条什下，以 拟不Ｉ州李 炎边 条什（热流边界条件）和ｌ第 类边界条 变形分析均没定 什（ Ｉｆ流换热边 条什）同时，ｆＲ 《 ＪＨ建筑热 Ｉ 没汁规地》，同ｆＪｌｆ参芬、 Ｉｊ皂『其他ｌ史献．选取室内 刈’流换热系数１７ｉｌｌ＝８．７ｗ／（Ｉｌｌ ・Ｋ）， 外×ｌｆ流换热系 一（ 季干¨冬季）时墒体温度场分 以及濉度应 Ｊ 和Ｉ变形，墙体物 模型也选定曲种情 进ｆ／Ｉ－Ｌ较： 种情况为２４０ｒａｎ ｝ＪｌＩ 混凝十 外抹２０ｍｍ普 币ｔ１情况为２４０ｍ，ｎ ＪＶ；－ｆｌ￣，Ｊ ＪＪｌｌ 混凝土 数／７ ２３．３ｗ／（Ｉｌｌ ・ｌ＼），冬季室１人ｊ外十¨对湿度￣）－５３１Ｊ 迎水泥砂浆，另・体外抹２０ｎｌｎｌ 保温砂浆 之所以选定这样两种 ２（）％和６５ｃ．ｋ ｊ 他Ａ ＮＳＹＳ分析计斡过 ｆｆ１所用到 的材料参数见表ｌ所爪 表１材料的性能参数 物理卡５１型主要是为Ｊ 探索保温抹面砂浆ｘ，Ｊ）ＪＮ气混凝 土墙体保温所起到的改善程度和具体作川，同时也 探索抹面保温砂浆在实际应用过程Ｉ ＩＩ』 具有的 性能以及 用过 ｒ ＇们ｆ２ 注意的事项 ２为两种墙 冬季、夏季ｌ１１ｆ墙体温度场分布的汁铆：结果 诲汽渗透系数 ｇ／（Ｉｌｌ・｝１・Ｐａ） ０．８８ｘ１０ ｌ ０．２１×１０ 从 ｒｌ１温度场分伽情况呵以荇¨１，尤沦 冬 零还时 夏季，ＪＪＩｌ气混凝土墙体琏休外抹２０ｍＩｌｌ 上—— 保泓砂浆时．墙体的 热俅温能乃郡仃ＪＪ『】强彳Ｉ 冬零 外温度一２０ ：的情况下，外抹ｆ牛ｍｌ砂浆的墙 ｌＪ、Ｊ外表面温度分圳为１ ５．３９９ ： 一ｌ９．０２９１ ，外 抹 温砂浆后墙体１人Ｊ外表面温度分圳为ｌ ５．８０６￣（： 此外， 进仃 Ｊ变场模拟汁 Ｉ１、『，还 岳做ｆ“ ｆｌＪ—ｌ ９．１ ８ ｌ ：；夏季 书外温度为３ ０ ：ｌＩｌ’ｌＪ，外抹普 个似没：其一址 怎ｆ 热的 设，似｝殳冬季、夏季 迎眇浆的墙体１人】外表 温度分刖为ｌ ８．８２ｌ 和 Ｏ ５００ ）外抹 通砂浆ｊ ｆ水 冬母温度场分ｍ ・外株侏温抄浆墙体 冬季 Ｊ耍场５｝－４ｉ （ｔ ）外抹 通砂浆墙ｆ小 夏辱温度场分伽 ｌ、｛木ｆ ＾眇浆墙体 夏季ｉ 瞍场分ｍ 图２不同季节两种墙体温度分布模拟结果 ２０１６．Ｉ２墙材革新 建筑１，能 ５ ９ 建筑节能 Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓａｖｉｎｇ （０一 ２９．６９３％，外抹 濉 湍砂浆的加气混凝土墙体１人】 体的耐久性产生较火影响．．墙体１人】卡Ｈ对湿度过人刈‘ 墙仆处Ｊ 负温环境时，还会产 为表面温度则为１８．６９３￣（：柯１２９．７４１ ，沿墙体厚度方 产生结露现象，向ｌ：的温度变化ＩｆｌＩ线ｃｎ１Ｉ刘３、 ４所示（Ｌ＝ＯＮ，ｔ为审 结冰冻胀，进一步劣化端体性能，造成墒体 ｌ：裂、 １人Ｊ墙体表面）。从…Ｉ线 ｆ１蜓可以清晰地看｝＿｛｛， 外 剥落等 考虑到夏季哈尔滨 内外温度湿度牛ｌＩ ｉｌ＂ 抹保湍砂浆的情况 ，』ＪｌＪ气混凝土墙体基体『人ｊ部的 不大， 冬季ｒ｝１予 『人Ｊ供暖会导致窄内卡日对 温度变化减小，冬季Ｉｔ寸则 ３３．９４１。（ 降至２８．６２６￣（：， 变化ｆｌ｛１０．７０８％１￣ ９．０４ｑ［￣．降低了１．６６８％，蜕ｆ 】其 人 幅小＿ｒ室外的相对湿度，ｌ大１此义『Ｉｌ将 对 利，埔体 １人ｊ外ｌ卡Ｈ对湿度 简化为 定教仇，ｆｉ）－￣ＪｌＪ为２０％ｆｌｌ 降低＿ｒ５．３ｌ５￣Ｃ，鹱季时使加气混凝土基体层１人】 度 在冬币时的内部ｌ十ｌ ‘ 度进 分忻 模拟分析¨、 对于墒体的保温 热 能具有更好的效果。 图３冬季时两种墙体内温度分布曲线 Ｌ【ｍｍＪ 图４夏季时两种墙体内温度分布曲线 总的来说，…ｆ保温砂浆的导热系数比普通水 ｆＪ已砂浆的导热系数 低， 此，保温砂浆将起刮更 大的保温隔热作川， 脱为砂浆层内的温度变化更 大，Ｊｊｌ】气混凝土堆体层Ｉ』、Ｊ的温度变化减小，砂浆埘 墙体基体的保护作川增强，对－』＝墙体基体的耐久性 仃积假作厂Ｈ一 ４．２相对湿度分布 除温度外，埔体Ｉｑ的卡ｆＩ对湿度分布也将会埘墙 ６ ０ 墒 ‘革 ｊ 筑 能！（）１６．１２ ６５％ 需要晚叫的址，刈 ｆｌＩ＿｛７Ｊ始条件以及边 条什的简化可能会他帧拟 果 ｊ实际状态相比 ，卜 一定的偏差，模拟 『』ｌ１Ｉ ５所， 匿 【ｌ，）外株１ ｆ ｌｐ浆ｊ荫１夺冬 ｆ¨《１ ｊ｝Ｊ要ｊ，佰 图５冬季时两种墙体内相对湿度分布 ｒ｝１Ｆ．Ｉ ＩＩ吖以行…，州㈨条什下．外抹保濉ｆＩ＝少浆 的墒体内部湿度分 ＪＪＩ１均 Ｊ，ｌ￣ｉｉ￣ｌ－抹普通砂浆的 墙体内，砂浆层『人Ｊ的 度悌度虹人，其原 ｒ ｆ午 通抹面砂浆的蒸汽渗透系数比 温砂浆小得多，水 蒸气不容易向内渗透，进 ‘ 集 砂浆』 ＩｆＩ， 导 致内部湿度梯 人 众所圳 ，墙体同护结卡｜Ｊ 的【大Ｊ部越接近室外 俊越低， ＩⅫ１／￣ ｆｌＩＲ 度悌度越人越 容易结露，如果在蒸汽渗透途Ｉ ｌ，水蒸气完令受Ｉ５Ｉ【， 即 低温一侧有燕汽渗透『５ｆ【 （蒸汽渗透系数小） 的材料州 ，在此 ‘ ．边 处水熊气－分 力增人， 容易产生内部结 、ｌＩｌＩＩ冬１３ｉｆ￣ｌｌ，冬季ｔ『ｌｆ普通砂浆 内的温度要比保濉砂浆 的温发低，ＪＪｕ之其熊汽 渗透系数更小，导敏水焦 巫 易往普通砂浆 １人Ｊ 发生结露， 材料『Ｊ、Ｊ邴 ，ｆｉ结 时，材料处于 ｉ涧 状态，使导热系数增＿久，负 ｆｊ、ｆ【Ｊｊ』ｊ会进一步凝 、 膨胀，使同护结构发 胀做坏 ｏ 建筑节能 Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓａｖｉｎｇ ４．３温度应力及墙体变形 保温砂浆的粘结强度为普通砂浆粘结强度的２．５倍 （０．４３ＭＰａ／０．１７ＭＰａ），因此，使用保温砂浆对加气 进行墙休应力与变形分析时，考虑到实际应用 情况．给予墙体四周固定约束，墙体仅可在沿厚度 混凝土墙体抹面可以有效降低面层砂浆开裂、脱落 方向发生变形。相对于自Ｆ｝１约束来说，这种情况下 的风险。 墙体的变形较小．但墙体内部的应力值则较大。陶６ 为两种墙体在冬季和夏季时的分析结果。 比较夏季时两种墙体的温度应力也可以发现． 应力表现为拉应力，最大应力值仍然 现在墙体砂 浆层内，外抹保温砂浆的加气混凝土墙体基体内部 的应力分布变化范同更小，也可以说明了外抹保温 砂浆后，对加气混凝土基体保护作用增强，缓解墙 体基体开裂现象的出现。 图７为冬季、夏季不同温度场作用下外抹普通 水泥砂浆的加气混凝土墙体和外抹保温砂浆的加 气混凝土墙体的温度变形。南于边界条件中给定的 （ａ）外抹普通砂浆加气混凝土 墙体冬季温度应力分布 （ｂ）外抹普通砂浆加气混凝土 墙体夏季温度应力分布 为四周同定支撑，因此墙板的四周的变形为０。冬季 时，室内温度为正温，墙体膨胀，室外温度为负值， 墙体则出现收缩，墙体变形最大值 现在加气混凝 土基体层内，外抹保温砂浆的墙体基体最大变形更 小，约为外抹普通水泥砂浆的墙体基体最大变形的 ８３％；夏季时，墙体变形为热膨胀，变形的最大值则 出现在墙体最外层砂浆层内：外抹普通水泥砂浆的 墙体变形最大值为９．５８ｘ １０一 外抹保温砂浆的墙 体最大变形值明显减小，约为６．７４ ｘ １０一ｍ，降低幅 （ｒ・）外抹保温眇浆的｝Ｊｎ气混凝 （ｃ１）外株保温砂浆的加气ｆｌ皂凝 土墙体冬季温度应力分布 土墙体夏季温度应力分布 图６不同季节两种墙体温度分布模拟结果 从图中可以发现，冬季时，无论是外抹普通 水泥砂浆的加气混凝土墙板还是外抹保温砂浆的 加气混凝土墙板，应力最大值都｝乜现在墙体的最 外表层，表现为压应力，分别可以达到８．０７ＭＰａ和 １７．３２ＭＰａ，显然墙体外表面抹保温砂浆时，砂浆层 内部的温度应力值更大．但外抹保温砂浆时加气 混凝土基体内部的温度应力在０．００９ＭＰａ一１．９３ＭＰａ 范同内变化，而外抹普通水泥砂浆的墙体基体应力 变化范围则为０．０１３ＭＰａ～３．７５ＭＰａ，前者最大值仅为 后者的５ｌ％，明 可以看出，外抹保温砂浆的墙体， （ａ）外抹普通砂浆加气混凝土 墙体冬季温度变形 （Ｉ ）外抹普通砂浆加气混凝土 墙体夏季温度变形 保温砂浆对于加气混凝土基体的保护作用增强， 墙体基体层温度变化范嗣减小，墙体基体温度应 力更小，减小了墙体基体开裂风险。两种墙体在砂 浆与加气混凝土基体界面处应力值分别为３．７５ＭＰａ 和１．９３ＭＰａ．外抹保温砂浆的墙体界面处应力值 更小，而两者的粘结强度在之前的章节中体现为 （ｃ ）外抹保温砂浆的加气混凝 土墙体冬季温度变形 一 。 ‘。 ｏ，ｓｏｏ （ｔＩ）外｝木保温砂浆的加气混凝 土墙体夏季温度变形 图７不同季节两种墙体温度分布模拟结果 ２０１６．１２墙材革新与建筑节能 ６ １ 建筑节能 Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓａｖｉｎｇ ０ 厦门市屋顶外表面太阳光反射比现状调研分析木 赵 庄超群 李滨滨 （１．厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，厦门３６１ ００４ ２．重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆４０００４５； ３．厦门建研建筑产业研究有限公司，厦门３６１ ００４） ［摘要］ 针对厦门市屋顶外表面太阳光反射比现状进行调研分析。调研结果表明：太阳光反射 比大小与颜色的深浅有关，颜色越浅，太阳光反射比越大，屋顶的隔热性能越好。同时，材质的差 异会导致太阳光反射比不同。经检测，大部分建筑屋顶外表面的太阳光反射比均低于０．４。 ［关键词］ 太阳光反射比；隔热性能；屋顶外表面 １ 引 言 据统计，我国居住建筑屋顶造成的耗热量约占 顶层房间总能耗的３５％。ｌｌ 屋顶隔热性能是影响建 筑能耗的重要因素。在ＧＢ５０１７６《民用建筑热工设 计规范》中，围护结构隔热性能的判定指标为内表 面最高温度。而影响该指标的吸收系数Ｐ通过对太 生一定的温度波动，并对建筑能耗产生影响。ｌ２］ 在现有研究中，对厦门市屋顶的隔热性能和节 能潜力研究较少。因此，课题组以厦门市为调研区 域，开展屋顶外表现状调研。以期通过该调研掌握 该地区屋顶外表面太阳光反射比现状，为建筑围护 结构节能改造提供参考。 阳光反射比 进行折算获得的。因此，太阳光反射 ２调研工作内容 Ｉ；Ｌ－￣是影响建筑隔热性能的重要指标。 ２＿１ 调研步骤 太阳光反射比＾ｙ指的是在３００ｎｍ一２５００ｎｍ波段 本次调研以现场调研为主，辅以样本测定的方 内反射与入射的太阳辐射通量的比值。由于受到大 式进行。整个调研分为以下几个步骤： 气温度、太阳辐射、降雨等环境因素的周期性影响， （１）选定调研区域、明确调研对象和调研 屋顶外表面太阳反射比发生变化，导致室内温度产 内容。 ．４１房和城乡建设部２０１６年科学技术项目计划（建科函［２０１６１９６号）。 （２）现场调研：现场以两人＿组的形式开展， 度可以达到３０％。 两种情况下墙体在冬季和夏季时墙体的温湿度分 由此可见，同外抹普通水泥砂浆相比，加气混 布以及温度应力和变形。分析结果表明，由于保温 凝土基体外抹保温砂浆时明显可以减４，／Ｊｕ气混凝 砂浆良好的保温隔热性能，因此可以明显降低加气 土墙体基体的变形，同时，保温砂浆自身的优异性 混凝土基体层内的温度变化，同时，外抹保温砂浆 能有效减小保温砂浆层内应力值，降低了墙体基体 的墙体基体内应力更小，其界面处应力值仅为外抹 普通砂浆墙体界面处应力值的５１％，并且墙体的变 和抹面保温砂浆的开裂风险。 ５结语 形更小；从湿度分布可以看出，普通砂浆层内湿度 梯度更大，不利于水蒸气的迁移，加之冬季的负温 本文依据严寒地区的温度条件，分别模拟计算 环境，因此需要注意防止水蒸气冷凝的出现以及墙 了加气混凝土外抹普通水泥砂浆和外抹保温砂浆 体发生冻胀破坏。 ６ ２ 墙材革新与建筑节能２０１６．１２
