既有建筑节能改造内保温典型热桥数值模拟优化研究

1引言

当下，中国城镇化发展正由“高质量”向“高舒适”转化，城市功能升级和既有建筑改造为满足人们高舒适、高品质的生活及建筑节能提供了重要途径。而既有建筑改造中，高层建筑单户居民建筑改造及别墅既有建筑改造占有很大市场需求，而传统的外墙外保温施工技术，在上述建筑节能改造中存在很多不足之处。特别是在高层单户居民建筑改造过程中，还存在作业危险、施工难、系统安全隐患及影响外墙美观等弊端。为此，在既有建筑改造中，推行外墙内保温施工技术显的尤为重要。然而，外墙内保温施工过程中易形成典型的结构冷（热）桥，使墙体结露、发霉，还会形成围护结构热工缺陷从而造成能量损失，针对这些典型冷（热）桥的设计、施工，并无相关标准规范，且行业内有关既有建筑改造外墙内保温热桥模拟的研究较少，因此研究内保温传热特性及内保温优化研究对于我国推进建筑节能改造具有重要意义[1-3]。

本文通过利用数值模拟的方法，对既有建筑外墙内保温结构热桥进行模拟，根据模拟结果对热桥进行优化，得出既有建筑改造过程中外墙内保温结构热桥优化方案。

2数值模拟

2.1模型建立及网格划分

本次模拟对内保温内墙处做伸延并模拟，模型及网格如图1所示，由于围护结构内、外表面和不同材料交界面为传热变化较大的地方，因此需要对该区域进行网格加密。

图1围护结构及网格划分

2.2相关假设

围护结构每种材料为均质，各材料导热系数各向同性；

无内热源；

忽略围护结构内水蒸气相变引起传热；

忽略内表面的辐射传热。

2.3数学模型

本次模拟采用二维稳态传热数学模型，基于上述假设传热模型如下[4-5]：

2.4边界条件

墙体与室内、室外空气接触的壁面采用第三类边界条件，计算公式如下：

式中h₁和h₂分别为围护结构内外壁面对流换热系数，按民用建筑热工设计规范分别取8.7W/(m²·k)、23W/(m²·k)，t_w1、t_w2分别为室内外壁面温度，t_f1、t_f2分别为室内外空气侧温度，根据《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》DB13(J)/T273-2018室内温度选取按20℃计算，室外温度按不利因素考虑，按《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012冬季室外计算温度-8.8℃计算。

其他断面按照绝热壁面处理，计算公式如下：

2.5材料设定

本次模拟围护结构为石家庄某小区实际围护结构构造，砂浆导热系数大，且厚度相对其它材料厚度可忽略不计，因此只对主要材料进行建模，模型及尺寸如图1所示，材料热工参数如表1所示。

表1材料热工参数表

3模拟结果分析

图2是内保温不做延伸及沿着内墙将保温层延伸至900mm的温度云图，内保温不做延伸的情况下，在保温与内墙的交界处壁面温度较低，易形成热桥并发生结露现象，在冬季室内热量易通过该区域造成能量损失，结露情况下还会造成发霉，恶化室内环境。同时，低温壁面在冬季还可能与人体表面发生长波辐射换热，影响室内热舒适环境。随着保温层沿着内墙延伸，延伸长度从100mm至900mm，室内墙体内表面温度逐渐趋于均匀，外墙混凝土层温度基本保持不变，而内墙内传热的温度梯度逐渐变小。

图3是室外侧壁面不同位置的温度与热流密度随

内保温延内墙延伸长度的变换曲线，外壁面的位置延Y轴方向从0到1000mm，从图中可以看出，外壁面温度延Y轴方向先升高后降低，在中间位置处达到温度最高值，这是由于在中心位置热流密度较大，该位置室内热量延内墙处造成的能量损失要高于其他位置，易形成热桥，随着延伸长度增加，外壁面整体温度、热流密度降低且逐渐均匀，说明延内墙延伸长度越长，热损失越小。

图2内保温不同延伸长度温度云图

图3外壁面温度、热流密度

图4不同延伸长度外壁面平均热流密度

延伸保温长度虽然可以不断减小室内热损失，但随延伸长度增加，热损失降低的幅度也逐渐减小，考虑到经济性与室内热环境，确定合理的延伸长度可以在有效降低热损失的同时保证室内人员的热舒适性及经济性。

       图4为不同延伸长度外壁面平均热流密度，反应了内墙热桥部位向室外传递热量的大小，可以看出延伸长度在达到400mm时，热流密度降低幅度较大，再做延伸，热流密度变化趋势较小，降低趋势基本保持不变。经计算分析延伸至400mm时热损失降低了44.31％，延伸至900mm时热损失降低了58.93％，多延伸500mm热损失也仅降低15.62％，经济性不佳。

图5内表面位置及温度

图5为延伸500mm时内表面位置及内表面温度曲线图，内表面位置延x轴方向，可以看出内保温不做延伸时墙体表面温度较低，会出现结露的风险。根据《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》的规定，室内湿度要求为30％~60%，当室内湿度达到60%时，靠近外墙的内墙有部分墙体温度低于露点温度285.16K。根据标准规定室内温度应当与内表面温度温差小于3℃，这样能够降低人体表面与低温内墙的辐射传热，保证室内人员可以有足够热舒适度。图中可以看出内壁面保温层壁面温度基本一致，温度变化较大的区域为内墙混凝土表面，当延伸500mm时内表面与室内温度温差都小于3℃，结合图4热损失降低了49.20%。当延伸900mm时内墙混凝土内表面温度出现下降，这是由于室内侧断面为绝热壁面，而在实际工程中，断面为非绝热壁面，对室内侧混凝土表面换热影响较大，因此出现和实际不符现象。

4结论

文章对既有建筑被动房节能改造外墙内保温延内墙延伸长度进行数值模拟研究，得出主要结论如下：

（1）内保温延伸长度越长，外壁面温度越低，热流密度越小热损失越小。（2）随着延伸长度增长，平均热损失逐渐降低，但降低幅度逐渐减小，当降低400mm时热损失降低了44.31％，延伸超过400mm时，热损失降低幅度变化较小。（3）综合经济性、节能性和舒适性，延伸500mm时最佳，热损失降低了49.20％，内表面与室内温差均小于3℃。

参考文献

[1]李铌,李亮,赵明桥.城市既有建筑节能改造关键技术研究[J].湘潭大学自然科学学报.成都:西华大学,2009,31(3):104-111.

[2]程文忠,孟杨.外墙外保温施工技术在既有居住建筑节能改造工程中的应用[J].建筑技术,2011,42(1):76-78.

[3]张君,黄振利,李志华.不同保温形式墙体温度场数值模拟与分析[J].哈尔滨工程大学学报(12):22-31

[4]《民用建筑热工设计规范》GB/T50176—2016[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.杨世铭.传热学[M].高等教育出版社,2006.

[5]《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》DB(13)/T273—2018[S].北京：中国建筑工业出版社，2018.