不同外围护结构对于建筑隔热的对比分析
----以杭州市为例
钱凯杰
（浙江科技学院，建筑122，1120540055）
摘要： 本文通过建立ecotect 模型，将模型定义为办公建筑，以杭州市气象数据为基础，分析模型逐时得热情况，选择平均最热日（6月30日），得到室外温度曲线变化，风速，空间温度，选择区域温度变化。此次实验通过室内温度变化情况来体现出不同围护结构的隔热性能。通过对实验数据的分析处理，发现并初步总结出：不同外围护结构的隔热性能不同，并且保温砖墙（ReverseBrickVeneer-20) 的隔热性能 相对较好，BrickPlaster 的隔热性能较差，同时也发现材料传热系数越小，隔热性能越好。同时隔热性能与比热（热惰性）有关。
关键词：室内热环境；围护结构；材料；模型；
中图分类号：TU55+1.1 文献标识码：A
1. 引言
现金人们对改善夏季热环境品质的要求日益普遍。除了传统的建筑围护结构放热，自然通风等技术措施外，还常依赖空调设备，这样使建筑耗能大增。良好的建筑围护结构防热设计和健康、适宜的自然通风，对于保证人居身心健康、建筑节能都是极为重要的[1]
我国建筑以混凝土结构、砌体结构及混合结构体系为主，由于这些结构形成的建筑自身特点，在实施建筑节能时通常采用外墙附贴保温隔热系统构造的方式。为了满足节能50%的建筑设计标准要求，国内企业引进国外节能技术或对其进行改造后组织生产用于建筑物的节能，这方面的技术有：EPS 薄抹灰外墙外保温系统；机械固定EPS 钢丝网架板外墙外保温系统。还有国内独立研发的技术：如胶粉EPS 颗粒外墙外保温系统；EPS 现浇混凝土外墙外保温系统；这些技术系统的应用工程已达上千万平方米，有的应用已超过上亿平方米，技术比较成熟，标准配套，代表了我国当今技术主潮流。[2]
对于建筑隔热主要通过以下几点：1、减少室外热作用，正确选择朝向和布局，利用外表面浅色处理、蒸发冷却措施。2、窗口遮阳，遮挡太阳辐射作用。3、围护结构的隔热与散热，特别是西墙的处理。4、合理组织自然通风。5、尽量减少室内余热。[1]
近年来，由于气候变化，人们对于室内热舒适度，室内热环境的要求也越来越高，尤其是对于夏热冬冷和夏热冬暖地区，提升外围护结构的隔热性能，减小围护结构的热传导性能是最有效的办法，本文通过建立模型，附以不同材料性能的墙体，以杭州市气象数据为基础，日期为平均最热日（6月30日）通过ecotect 软件，分析模型逐时得热情况，从而得出性能最佳材料。
2. 模型建立
2.1分析方法
建立简单ecotect 模型，建筑功能定义为办公用房，在保证屋顶，窗户，地面材料不变的情况下，改变墙体材料，以杭州市气象数据为基础，得到逐时得热情况。模型透视图如图2.1
收稿日期：2015-3-18； 修改日期：
项目情况：建筑节能课程作业
作者简介：钱凯杰（1994 -），男，汉族，浙江省杭州市浙江科技学院，本科在读，目前从事建筑设计
图2.1分析模型示意图（图片来源：作者绘制）
Fig2.1.Schematic diagram of the analysis model
2.3模型中人活动内容
该办公建筑中，人物着衣量为0.4clo ，主要处于穿着短袖状态，室内湿度60%，风速0.50m/s，室内照度300kux ，室内人员数量为100个，活动内容为办公打字。如图2.3
2.3.Ecotect 区域管理（图片来源：作者绘制）
2.4人员时间表
由于是办公建筑，因此人员活动情况为周一到周五8:00-17：00，是室内100%的人员进行活动，其余时间室内都没人，具体时间表如图
2.4
2.4. 室内人员活动情况（图片来源：作者绘制）
2.5杭州地区气象数据分析 杭州市地处中北亚热带过渡区，温暖湿润，四季分明，光照充足，雨量丰沛。一年中，随着冬、夏季风逆向转换，天气系统、控制气团和天气状况均会发生明显的季节性变化，形成春多雨、夏湿热、秋气爽、冬干冷的气候特征。杭州市由于地貌类型复杂，地势高低悬殊，杭州市光、热、水的地域分配不均，局部地区小气候资源丰富。但因季风在进退时间上和持续强度上的不稳定性，常出现冷热干湿异常，导致灾害性天气。
因此对于多变性气候特点，做好保温隔热，通风降温是杭州地区建筑设计的关键，通过数据发现建筑物采暖耗热量主要通过围护结构传热耗热量构成，以居住建筑为例，一般情况下，可占到总耗热量的73~ 77%，这其中外墙约占了25%，楼梯间隔墙占了15%。因此提升外墙的隔热性能最为重要 [3]
3. 实验数据结果
3.1材料一
材料：墙体材料：泡沫混凝土brickplaster 墙体材料属性, 导热系数2.620。具体见3.1
3.1材料属性（图片来源：作者绘制）
3.1.1结果
3.1.1材料为brickplaster 实验结果（图片来源：作者绘制）
3.1.2实验结果分析
由实验结果可知，杭州室外最热温度变化主要在[27,36]区间变化，0点-6点温度较低，室内温度变化不大，6点为转折，室外温度明显上升，室内温度也随之上升，室内温度稳定在33°C 左右。分析材料热属性，该材料的传热系数大，比热（热惰性）较小，在夏季太阳光照射下，以日出时刻最为明显，室内温度突然上升，对于日落时刻，由于缺少阳光照射，室内温度突然下降，但依然维持在一个温度。
待解决问题： 一、在实验过程中，发现该材料的U 值（导热系数）有2.6+，但是各个层次的导热系数最多也只有0.7，无法解决其中的矛盾。按道理brickplaster （泡沫混凝土的保温性能应该是不错的）
待解决问题： 二、该材料的比热不大，按理说在夜间能够快速散热，但是在实验结果中发现，夜间室内温度依然很高，比下面的蓄热墙体的室内温度还高。
3.2材料二
材料：墙体材料：蓄热墙体（reversebrickveneer-r20) 墙体材料属性, 导热系数0.390。具体见3.2
3.2材料属性（图片来源：作者绘制）
3.2.1结果
3.2.1实验结果（图片来源：作者绘制）
3.2.2实验结果分析
由实验结果可知，杭州室外最热温度变化主要在[27,36]区间变化，0点-6点温度较低，室内温度变化不大，6点为转折，室外温度明显上升，室内温度也随之上升，室内温度稳定在32-33左右。分析材料属性，可以发现该材料的传热系数较小，室内温度相对于之前的泡沫材料相对较低，同时在18:00，太阳落山，而室内温度并没有骤降，主要是蓄热墙体白天吸收温度，晚上放出热量，但最终温度相比泡沫材料要低。
3.3材料三
材料：墙体材料：混凝土砖墙 墙体材料属性, 导热系数1.83。具体见
3.3
3.3材料属性（图片来源：作者绘制）
3.3.1实验结果
3.3.1实验结果（图片来源：作者绘制）
3.3.2实验结果分析
该材料的隔热性能界于第一种墙体和第二种墙体之间
3.3实验结果对比分析
通过文献资料得知，夏季防热主要有两种方法：
（1）利用外表皮吸收快，散热快的特点，主要材料是一些轻质材料，蓄热系数小，该方法主要用于昼夜温差较小地区，主要为夏热冬暖地区。
（2）利用外表皮时滞效应，白天吸收热量，晚上放热，主要试用与昼夜温差较大地区
墙体材料性能分析：通过对于蓄热墙体总导热系数为0.39，而该材料各个部分的导热系数除了松散材料的导热系数较低，其他两层材料的导热系数都非常高可以发现，该蓄热墙体运用到了重质材料与轻质材料互补的原理，由于轻质材料的热阻较大，但是蓄热系数小，很难在夜里放出热量，而对于重质材料，热容量较大，虽然抗外界温度波动能力较强，但由于热阻较小，仍有很多热量通过它传入室内，因此对于夏热冬冷地区，单一的轻质材料或重质材料对于建筑防热都是不利的。隔热层和热容量较大的主体结构形成复合结构（蓄热墙体），两者互补，既可以抑制温度波动，也可以减少传入室内的热量。因此在选用隔热材料是，需要选择传热系数较小的重质材料。[1]
3.4实验误差分析
1. 实验过程中ecotect 建模误差，建立的模型可能会有错误，导致实验结果不准确
2.实验者对于建筑节能方面知识储备不够，在实验中发现了很多与自己本身的理论知识的偏差，这对于实验结果的分析产生很大的影响
3.5围护结构隔热层设计
隔热层的位置对围护结构衰减倍数有很大影响。当隔热层布置在围护结构外侧时，围护结构的衰减倍数要大于布置在其他位置时的情况。这是由于隔热层的热容量较小的轻质材料，受外界热作用后温升较快。其表面较高的温度有利于向室外通过对流和辐射形式散热，减少了传向内侧主体材料的热量。
在围护结构本身的防热设计中，一方面要尽量采用轻质的隔热层和重质的结构层复合的构造方式，另一方面，应将隔热层布置在围护结构外侧。只有这样，才能提高结构的衰减倍数，降低内表面温度波动，减少传入室内的热量
4. 围护结构防热设计
1. 屋顶隔热：外围护结构外表面受到的日晒时数和太阳辐射强度以水平面为大，东西向其次，东南和西南又次之，南向较小，北向最小，所以屋顶隔热极为重要，其次是西墙和东墙。
2. 降低室外综合温度：结构外表面采用浅色平滑的粉刷和饰面材料。如：马赛克、小瓷砖等，以减少对太阳辐射的吸收；在屋顶或墙面外侧设置遮阳设施，可有效降低室外综合温度。 3. 采用带有通风间层的外围护结构：主要利用自然通风的风压作用，从间层内带走一部分热量，减少传入室内的热量，而且有利于白天隔热和夜间散热。
4. 合理选择外围护结构的隔热能力。主要根据地区气候特点，房屋的使用性质和结构在房屋中的部位等因素来选择
5.利用水的增发和植被对太阳能的转化作用降温。如：蓄水屋顶，植被屋顶。这些屋顶具有很好的隔热能力，但也增加了结构的荷载，而且如果蓄水屋顶防水处理不当，还可能漏水，渗
水。
6.屋顶和东、西外墙的内表面温度通过验算，要求室内表面最高温度应低于当地夏季室外计
[1] 算最高温度，保证满足隔热设计标准。
5. 结论
此次实验通过室内温度变化情况来体现出不同围护结构的隔热性能。通过对实验数据的分析处理，发现并初步总结出：不同外围护结构的隔热性能不同，并且保温砖墙（ReverseBrickVeneer-20) 的隔热性能 相对较好，BrickPlaster 的隔热性能较差，同时也发现材料传热系数越小，隔热性能越好。同时隔热性能与比热（热惰性）有关，比热热越高，隔热性能越好。
参考文献 [1]柳孝图：《建筑物理》，第三版，北京西郊百万庄，中国建筑工业出版社：102-118
[2]华南工学院亚热带建筑研究室编：《建筑防热设计》，北京，中国建筑工业出版社，1978
[3]中国气象网