刘秀平

（广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院有限责任公司，广西 南宁 530023）

0 引言

随着对住宅建筑需求的不断增加，人们对室内生活舒适度的要求越来越高，如何保持室内的热舒适性是建筑设计的关键所在。其中外墙保温则是最重要的措施之一，选择合适的保温材料和保温厚度对保持室内热舒适性至关重要[1]。保温层的最佳厚度对外墙保温非常重要，目前对这方面的研究多采用实验研究和仿真模拟。ElvisWati[2]通过计算热带地区连续使用建筑外墙的最佳隔热厚度得出，对于南向、北向和东/西向墙，最佳保温厚度分别为0.035 cm、0.029 cm 和0.036 cm。Shanmuga Sundaram[3]进一步研究了印度城市的最佳保温厚度、年电能消耗、年能源成本和回收期，并提供了详细的保温材料数据库。L.Derradji[4]研究了阿尔及利亚一座原型建筑的热行为和能源性能，计算结果表明，发泡聚苯乙烯的最佳保温厚度在1～2.5 cm 之间。许成城[5]分析比较了发泡聚苯乙烯（EPS）、聚氨酯（PU）和挤塑聚苯乙烯（XPS）三种保温材料的外保温墙的经济效益。三种材料的最佳厚度分别为69.8、39.8 和49.7 mm。Huang R&D[6]建立了外墙保温最佳厚度的全生命周期数学模型，发现最佳厚度在32.9 ～111 mm，而大多数商用的保温材料为8 mm，在最佳保温厚度范围内。Axaopoulos Petros J[7]研究了在乌兹别克斯坦使用发泡聚苯乙烯、发泡聚苯乙烯和矿物棉的最常见外墙的经济最佳保温厚度，发现最佳绝缘厚度在3.75 ～11.0 cm 之间。上述研究有助于对外墙保温的合理设计，但对于不同保温外墙形式的最优保温层厚度的系统研究较少。

采用有限元仿真模拟技术深入探讨内保温、夹芯保温、外保温、砂浆保温四种不同外墙保温措施的最优保温层厚度，分析结果可为住宅建筑的外墙设计提供一定理论支持。

1 外保温墙体

在中国民用建筑外墙多采用20 mm 水泥砂浆+240 mm 黏土多孔砖+20 mm 水泥砂浆的施工构造，室内环境受室外温度、太阳辐射、寒潮暴雨的影响显著，需采取必要的保温措施。目前常用的保温措施分为内保温、夹芯保温、外保温、砂浆保温四类（表1），其中在内保温、夹芯保温、外保温措施中多采用厚度40 ～80 mm 不等、导热系数较低的聚苯板、挤塑板、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、岩棉矿棉玻璃棉板等，砂浆保温措施则在黏土多孔砖外侧增加一层保温砂浆保温。采取上述保温措施后建筑空间可有效抵御外界气候对室内温度的不利影响，从而提升居住环境的舒适性。

表1 民用建筑外墙常见构造措施

2 外墙温度场仿真分析

2.1 有限元模型

外墙保温性能分析采用SOLID70 热分析单元建立ANSYS 有限元分析模型（如图1 所示），建筑外墙由砂浆单元、墙体基层单元（黏土多孔砖/加气混凝土砌块）和保温层单元（保温材料、保温砂浆）组成，中间开设有1.5 m × 1.8 m 的窗口，各类材料的热力学参数见表2。墙体外表面采用第三类边界条件，散热系数为23.0 W/m2·k，并同时计入外界气温变化、太阳辐射对室内温度的影响。

图1 民用建筑外墙有限元模型

表2 材料热力学参数

2.2 结果分析

由人体对室内温度舒适度体验可知：人体较舒适的室内温度为18 ～26 ℃，当室内温度高于25 ℃时体感炎热，低于10 ℃时体感寒冷，舒适度体验较差，此时为提升人体在室内的舒适性往往需开启空调等设备进行温度调控。

保温材料选用聚氨酯保温塑料，分别模拟外保温、内保温、夹芯保温和砂浆保温工况不同保温层厚度对南京室内温度的影响（图2～图5）。计算结果表明：

图2 外保温不同保温厚度温度段累计天数

图3 内保温不同保温厚度温度段累计天数

图5 砂浆保温不同保温厚度温度段累计天数

（1）采取外保温、内保温、夹芯保温以及砂浆保温措施的民用建筑室内热环境和人体舒适度随着保温层厚度的增加而有所改善。

（2）外保温措施：50 mm 保温层厚度建筑室内温度在<10 ℃、10 ～18 ℃、18 ～26 ℃和>26 ℃温度段的累计天数分为108 天、107 天、108 天和43 天，相较于30 mm 保温层厚度（105 天、103 天、69 天和88 天）、40 mm 保温层厚度（107 天、101 天、82 天和75 天）在人体舒适温度和夏季高温累计天数上表现更为优异。而50 mm、60 mm、70 mm 保温层厚度在各温度段的累计天数则十分接近，此时保温层厚度的增加无法再有效提升建筑围护结构保温节能效应。因此，对于夏热冬冷地区外墙外保温措施的保温层经济厚度为50 mm。

（3）内保温措施：60 mm 保温层厚度建筑室内温度在不同温度段的累计天数分为102 天、107 天、82天和72 天，优于30 mm 保温层厚度（104 天、95 天、61 天和105 天）、40 mm 保温层厚度（106 天、97 天、67 天和95 天）和50 mm 保温层厚度（110 天、98 天、69 天和88 天）。而60 mm、70 mm 保温层厚度的保温节能效应基本一致。因此，对于采取砂浆保温措施的外墙，其保温层经济厚度为60 mm。

（4）夹芯保温措施：50 ～60 mm 保温层厚度建筑室内温度在不同温度段的累计天数（108 和107 天、105和104 天、72 和78 天、80 和76 天）相对优于30 mm 保温层厚度（104 天、97 天、66 天和98 天）、40 mm 保温层厚度（106 天、102 天、69 天和88 天），且60 mm 和70 mm 保温层厚度的保温节能效应基本一致。因此，相对于外保温、内保温措施，采取砂浆保温措施的外墙，其保温层经济厚度建议取50 ～60 mm。

（5）砂浆保温措施：40 mm 保温层厚度建筑室内温度在不同温度段的累计天数分为104 天、104 天、74 天和83 天，优于20 mm 保温层厚度（105 天、89天、64 天和107 天）、20 mm 保温层厚度（106 天、99天、66 天和94 天）。而40 mm、50 mm、60 mm 保温层厚度的保温节能效应基本一致。因此，对于采取砂浆保温措施的外墙，其保温层经济厚度为40 mm。

3 结语

本文借助ANSYS 有限元分析软件构建了建筑保温外墙的三维模型，开展了民用建筑室内温度分析的仿真分析。分析结果表明：采取措施后的民用建筑室内热环境和人体舒适度均随着保温层厚度的增加而有所改善。对于像我国这样的夏热冬冷地区，建筑外墙采用外保温、内保温、夹芯保温、砂浆保温措施时，建议最优保温厚度分别为50 mm，60 mm，50 ～60 mm和40 mm。本文仿真模拟只考虑了聚氨酯保温塑料一种保温材料，后续可进一步展开不同方位墙体、不同保温材料的最优保温厚度分析，为外墙保温设计提供更为精细化的数据。