節(jié)能設(shè)計(jì)中輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱問題探討

朱峰磊，厲盼盼，李紅，王夢林

（中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京100013）

1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱設(shè)計(jì)要求

外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的夏季隔熱，不僅需要考慮與室外空氣的熱交換，還需要考慮太陽輻射和室外溫度對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。室外溫度呈周期性變化，不僅和氣象參數(shù)有關(guān)，還與圍護(hù)結(jié)構(gòu)朝向和飾面材料有關(guān)。氣溫對各朝向的外墻和屋頂?shù)挠绊懴嗤翘栞椛錈釋Ω鞑糠纸Y(jié)構(gòu)影響有所差異。

GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱“熱工規(guī)范”）提出了新的隔熱評價(jià)方法，在給定邊界條件下分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身的隔熱性能。標(biāo)準(zhǔn)按照空調(diào)房間、自然通風(fēng)房間給出了不同的限值要求。具體評價(jià)的基準(zhǔn)條件是外墻的兩側(cè)分別給定空氣溫度和變化規(guī)律，外墻外表面為當(dāng)?shù)氐南募咀顭嵩碌湫腿盏闹饡r(shí)室外綜合溫度，自然通風(fēng)房間外墻內(nèi)側(cè)空氣溫度平均值比室外空氣溫度平均值高1.5℃、波幅小1.5℃；空調(diào)房間外墻內(nèi)側(cè)空氣溫度為26℃。

由于屋面受到的太陽輻射比外墻更大，并且屋面內(nèi)表面換熱系數(shù)小于外墻，因此，屋面內(nèi)表面溫度比外墻更難以控制。在氣候相同的條件下，屋面內(nèi)表面平均輻射溫度大于外墻，對室內(nèi)熱環(huán)境影響更大，因此，屋面的限值要求比外墻提高了0.5℃。

2 輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱分析

輕質(zhì)材料通常具有良好的絕熱性能，但是本身蓄熱特性和熱穩(wěn)定性較差，溫度波幅衰減快，對房間熱穩(wěn)定性不利。因此，目前國家和地方節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求對輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的夏季隔熱性能進(jìn)行分析和判定。

本文采用基于Kvalue隔熱計(jì)算內(nèi)核的節(jié)能軟件，選取重慶和南京2座典型城市，對金屬夾芯保溫體系屋頂和外墻內(nèi)表面最高溫度進(jìn)行分析。邊界條件設(shè)置如下：

1）外表面：第三類邊界條件，室外空氣逐時(shí)溫度和各朝向太陽輻射按照熱工規(guī)范提供的重慶、南京夏季最熱月典型日氣象參數(shù)取值，對流換熱系數(shù)為19.0W/（m2·K）；

2）內(nèi)表面：第三類邊界條件，室內(nèi)空氣溫度按照熱工規(guī)范第3.3.2條的規(guī)定取，對流換熱系數(shù)為8.7W/（m2·K）；

3）其他邊界：第二類邊界條件，熱流密度為0。

計(jì)算模型及參數(shù)：

1）計(jì)算模型選取外墻、屋面的平壁部分；

2）金屬夾芯保溫體系，由于金屬本身熱阻極小，分析時(shí)可忽略，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)夾芯保溫材料選用巖棉，導(dǎo)熱系數(shù)為0.045W/（m·K），密度為 140kg/m3，蓄熱系數(shù)為 0.749W/(m2·K)[1]；

3）太陽輻射吸收系數(shù)為0.7。

3 輕質(zhì)結(jié)構(gòu)隔熱措施

3.1 隔熱反射涂料及淺色飾面

隔熱反射涂料的特點(diǎn)是高反射率，可以有效反射可見光和紅外波長范圍內(nèi)的太陽輻射，使太陽輻射的熱量不在圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面累積升溫，反射涂料結(jié)合高效圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫，可以有效改善室內(nèi)熱環(huán)境，達(dá)到良好的隔熱效果。

在上述輕質(zhì)結(jié)構(gòu)隔熱計(jì)算基礎(chǔ)上調(diào)整邊界條件，外表面太陽輻射吸收系數(shù)由0.7修改為0.3并進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 反射涂料及淺色飾面對隔熱計(jì)算結(jié)果的影響

3.2 采用復(fù)合構(gòu)造

輕質(zhì)材料一般具有良好的絕熱性能，重質(zhì)材料通常具有良好的蓄熱性能和熱穩(wěn)定性，2種材料進(jìn)行復(fù)合可以有效提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)對室外綜合溫度強(qiáng)擾動的衰減。通常采用復(fù)合構(gòu)造時(shí)，外側(cè)宜采用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)宜采用重質(zhì)結(jié)構(gòu)。

調(diào)整計(jì)算模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在保溫材料內(nèi)表面增加15mm石膏板進(jìn)行復(fù)合，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱能力。重慶自然通風(fēng)房間可以降低保溫約60mm，南京約降低30mm；重慶和南京空調(diào)房間保溫厚度約降低5mm。

3.3 通風(fēng)屋頂和通風(fēng)外墻

采用通風(fēng)墻體或空氣間層進(jìn)行隔熱的方法，一方面可以通過通風(fēng)腔體阻擋陽光照射；另一方面可以利用風(fēng)壓熱壓作用帶走空氣間層的熱量，從而降低外界太陽輻射引起的溫差，減少室外熱環(huán)境對圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的影響。

調(diào)整計(jì)算模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造，在保溫材料內(nèi)側(cè)增加20mm空氣間層，熱阻0.56m2·K/W。重慶自然通風(fēng)房間可以減少保溫層厚度約30mm，南京約減少10mm；重慶和南京空調(diào)房間保溫厚度約減少15mm。

3.4 其他隔熱措施

除上述隔熱措施，還可以考慮如屋頂綠化、垂直綠化、采用相變蓄熱材料、雙層呼吸幕墻、蓄水屋面等措施降低夏季內(nèi)表面最高溫度。

研究表明，屋頂和垂直綠化具有顯著的隔熱效果，可以凈化空氣品質(zhì)，同時(shí)可以緩解城市熱島效應(yīng)，改善熱環(huán)境。但需要注意種植屋面的阻根和防水處理以及后期的維護(hù)。

雙層幕墻通常由內(nèi)外2層玻璃組成，中間為空氣間層，夏季可以通過外界太陽輻射加熱雙層玻璃幕墻間的空氣，利用煙囪效應(yīng)引起空氣流動，降低玻璃幕墻表面溫度，防止夏季過熱的情況。

蓄水屋面在水蒸發(fā)時(shí)可以帶著大量的熱量，減少通過屋頂?shù)膫鳠崃坎⒔档臀菝娴膬?nèi)表面溫度。但是蓄水屋面設(shè)計(jì)時(shí)需要注意屋頂?shù)姆浪拔菝婧奢d，同時(shí)需要經(jīng)常換水。

4 結(jié)語

輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)由于本身的絕熱能力較強(qiáng)，有很高的熱阻，但是其熱穩(wěn)定性和蓄熱能力較差，因此，需要增加隔熱措施，才能滿足夏季隔熱設(shè)計(jì)的要求。輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以采用如淺色飾面、隔熱涂料、空氣間層等，通過影響室外空氣綜合溫度和波幅，降低構(gòu)件內(nèi)表面最高溫度；或通過提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱能力，采用復(fù)合構(gòu)造，改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)總衰減程度來達(dá)到室內(nèi)熱穩(wěn)定的要求。