摘 要 本文通過對影響建筑石材幕墻熱工性能的因素進(jìn)行研究分析，在此基礎(chǔ)上建立了建筑石材幕墻熱工性能計(jì)算模型，并通過大量計(jì)算，系統(tǒng)分析了各種因素的影響程度，提出了優(yōu)化外墻節(jié)能設(shè)計(jì)的建議。
　　關(guān)鍵詞 石材幕墻；節(jié)能設(shè)計(jì)
　　
　　建筑石材幕墻作為建筑外墻本體的外圍護(hù)構(gòu)件，其集聚抗風(fēng)壓、抗雨水滲漏和保溫隔熱、隔聲遮陽等功能于一身，是建筑外墻的組成部分，其保溫隔熱性能的高低很大程度上影響了建筑物外墻的整體熱工性能，影響了居住人群的生活質(zhì)量，是建筑的重要功能構(gòu)件，但是許多建筑師卻忽視了建筑石材幕墻的保溫隔熱功能，國家行業(yè)技術(shù)規(guī)范未對石材幕墻與外墻本體組合而成的建筑外墻（以下簡稱：石材幕墻組合墻體）的熱工設(shè)計(jì)計(jì)算作出具體可操作的規(guī)定，一直以來在外墻傳熱系數(shù)的計(jì)算上，不計(jì)石材幕墻保溫隔熱的貢獻(xiàn)，直接以外墻本體的傳熱系數(shù)作為外墻整體的保溫性能。
　　1.石材幕墻組合墻體傳熱過程
　　石材幕墻組合墻體自室外向室內(nèi)的傳熱過程較為復(fù)雜，它的過程表現(xiàn)為：室外環(huán)境溫度與石材外表面的熱交換→石材內(nèi)部的熱傳導(dǎo)→石材內(nèi)表面與空氣層和混凝土外表面進(jìn)行換熱→空氣層空氣與混凝土外表面進(jìn)行換熱→混凝土內(nèi)部的熱傳導(dǎo)→混凝土內(nèi)表面與室內(nèi)環(huán)境換熱，這個(gè)過程是輻射、對流和導(dǎo)熱三種傳熱組合的形式，固體內(nèi)部熱傳遞表現(xiàn)為熱傳導(dǎo)的過程，其傳熱性能與材料的平均熱阻相關(guān)；固體與空氣之間的傳熱表現(xiàn)為輻射換熱和對流換熱的過程，其傳熱性能與輻射率和對流速度有關(guān)。
　　2.建立石材幕墻組合體數(shù)學(xué)計(jì)算模型
　　2.1 傳統(tǒng)的簡化計(jì)算模型
　　傳統(tǒng)的簡化計(jì)算采用以下理論計(jì)算的公式，公式參見文獻(xiàn)[3]，具體公式如下：
　　式中 為傳熱系數(shù)，單位W/m2•℃；為室外空氣對流換熱系數(shù)，單位W/m2•℃；溫度； 為室內(nèi)空氣對流換熱系數(shù)，單位W/m2•℃；為第一種以及第N種圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度，單位為m；為第一種以及第N種圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/m•℃；
　　對于有復(fù)合空氣層的墻體，其空氣層的影響采用空氣層的熱阻來表征，空氣層的熱阻來自參考文獻(xiàn)[2]，具體取值見表1。這些取值相對固化，可理解為代表了某種特定狀況下的空氣層熱工性能，當(dāng)空氣層的空間尺寸以及空氣流的流速和溫度發(fā)生變化時(shí)，是無法在此公式上得到反映和體現(xiàn)，因此傳統(tǒng)公式的適用范圍存在很大的限制，特別是不適用于個(gè)性的節(jié)能熱工設(shè)計(jì)。因此有必要探索科學(xué)準(zhǔn)確的計(jì)算模型。
　　2.2 流固耦合傳熱數(shù)值模擬計(jì)算模型
　　固流耦合傳熱數(shù)值模擬計(jì)算是綜合考慮了導(dǎo)熱、輻射和對流的傳熱模式，對可忽略的影響因素通過假設(shè)條件進(jìn)行了簡化，在此基礎(chǔ)上形成了流固耦合單元傳熱模擬數(shù)值計(jì)算模型，再對邊界條件、單值性條件以及流固體物性進(jìn)行定義，而后對流固耦合體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后對其進(jìn)行流動(dòng)和傳熱耦合的數(shù)值模擬計(jì)算。傳熱數(shù)值模擬計(jì)算是流動(dòng)和傳熱耦合的計(jì)算過程，模型的建立具體如下：
　�。�1）對于石材幕墻組合墻體模型，我們對一些影響很小可忽略的因素設(shè)定了假設(shè)條件，以此簡化計(jì)算模型，具體假設(shè)條件為：
　　1）假設(shè)石材和混凝土為常物性、各向同性；
　　2）忽略幕墻連接件對空氣層流動(dòng)的影響；
　　3）假定石材幕墻水平方向無限長，因此僅考慮高度和厚度方向的換熱；
　　4）忽略圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱橋?qū)Q熱的影響。
　�。�2）綜合考慮了復(fù)合墻體的傳熱過程和傳熱方式，建立了石材幕墻組合墻體傳熱數(shù)值計(jì)算模型：
　　1）對于不可壓縮流體，連續(xù)性方程為：
　　2）對于不可壓縮流體，兩個(gè)方向的動(dòng)量方程如下所示：
　　空氣層中空氣為粘性常數(shù)的不可壓縮流體，則 。
　　3）能量守恒方程形式為：
　　式中U表示空氣流速；T表示溫度；P表示密度；t表示時(shí)間；表示空氣層兩個(gè)方向的速度；表示運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)；表示壓強(qiáng)；表示導(dǎo)熱系數(shù)；表示比熱容；表示源項(xiàng)。
　　其中空氣流動(dòng)采用采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型進(jìn)行求解，對流項(xiàng)差分格式采用QUICK格式，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，壁面采用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理，輻射模型采用DTRM模型；數(shù)值方法采用有限容積法。
　　2.3 建立石材幕墻組合墻體的幾何模型和網(wǎng)格劃分
　　計(jì)算區(qū)域平面如圖1所示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)總共分成三層，分別為石材幕墻、空氣層、鋼筋混凝土。其中石材幕墻靠室外側(cè)，鋼筋混凝土靠室內(nèi)側(cè)。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖2所示，圖2為計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分的局部截圖。其中空氣層周圍、石材幕墻室外側(cè)以及鋼筋混凝土室內(nèi)側(cè)的溫度梯度比較大，采用較小的網(wǎng)格間距。網(wǎng)格比例因子控制在1.2[1]。
　　 計(jì)算區(qū)域的幾何參數(shù)如表2所示。
　　2.4物性參數(shù)、單值性條件以及傳熱數(shù)值模擬計(jì)算
　　石材、空氣以及鋼筋混凝土的物性參數(shù)見表3。模擬運(yùn)行幕墻夏季空調(diào)工況的換熱情況。室外側(cè)以及室內(nèi)側(cè)都為第三類邊界條件。室外側(cè)的空氣溫度為38℃，對流換熱系數(shù)取為19.0W/m2•K；室內(nèi)側(cè)的空氣溫度為26℃，對流換熱系數(shù)取為8.7W/m2•K。石材的上下面給定第三類邊界條件，具體設(shè)置與室外側(cè)同。鋼筋混凝土上下面給定為絕熱邊界條件。
　　3.計(jì)算分析空氣層參數(shù)對石材幕墻＋混凝土的組合墻體傳熱系數(shù)的影響程度
　　組合墻體包含固體與空氣層兩個(gè)部分，其與固體相比，影響其傳熱性能所特有的因素來自空氣層的相關(guān)參數(shù)，包括空氣層的空間尺寸以及空氣流的流速和溫度。
　　本文通過針對由250mm厚混凝土墻體、中間空氣層以及25mm厚石材幕墻組合而成的建筑外墻，在夏熱冬暖地區(qū)夏季空調(diào)工況的條件下（室外側(cè)的空氣溫度為38℃，對流換熱系數(shù)取為19.0W/m2•K；室內(nèi)側(cè)的空氣溫度為26℃，對流換熱系數(shù)取為8.7W/m2•K[2]），當(dāng)空氣層的厚度、高度和氣流速度、氣流溫度等參數(shù)在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，其對外墻整體傳熱系數(shù)的影響程度。
　　3.1 不同空氣層厚度的影響
　　計(jì)算工況：空氣層厚度10mm～300mm變化、高度10m、空氣層密閉。
　　在該工況下，數(shù)值模擬的傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。對表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出在數(shù)值模擬結(jié)果中，當(dāng)空氣層厚度為30mm時(shí)，傳熱系數(shù)最小，隨著空氣層厚度的增大，傳熱系數(shù)逐漸增大，空氣層厚度達(dá)到80mm以后，傳熱系數(shù)基本穩(wěn)定在2.35 W/（m2•K）到3.39W/（m2•K）之間，變化不大，說明空氣層的厚度變化對組合墻體的傳熱系數(shù)影響微小。
　　3.2 不同空氣層高度的影響
　　計(jì)算工況：空氣層厚度100mm、高度3m～100m變化、空氣層密閉。
　　取空氣層高度H分別為3m、10m、30m、50m、70m以及100m六種工況下模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱變化情況。表5及圖3為數(shù)值模擬結(jié)果。從圖6中可知，當(dāng)空氣層高度H從3m上升到100m時(shí)，組合墻體的傳熱系數(shù)先上升，當(dāng)高度到達(dá)10m時(shí)開始傳熱系數(shù)開始下降，傳熱系數(shù)受空氣層的高度變化影響微小。
　　3.3 空氣層內(nèi)不同風(fēng)速的影響
　　計(jì)算工況：空氣層厚度100mm、高度10m、空氣層風(fēng)速在0～2.0m/s之間變化、空氣層送風(fēng)溫度在26°～38°之間變化。送風(fēng)溫度
　　該工況下，從圖5中可知，送風(fēng)速度取0.3m/s，當(dāng)送風(fēng)溫度從26℃上升到38℃，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)幾乎成線性上升，傳熱系數(shù)從1.798 W/（m2•K）上升到2.592 W/（m2•K）�？梢娝惋L(fēng)溫度對傳熱系數(shù)的影響非常顯著。但是：
　　1）當(dāng)送風(fēng)溫度為38℃時(shí)，即送風(fēng)溫度為模擬室外送風(fēng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)隨送風(fēng)速度的增加而不斷增大，為不利狀況；
　　當(dāng)送風(fēng)溫度為35℃時(shí)，即送風(fēng)溫度為模擬地下室送風(fēng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)隨送風(fēng)速度的增加而不斷增大，為不利狀況；
　　2）當(dāng)送風(fēng)溫度為26℃時(shí)，即送風(fēng)溫度為模擬室內(nèi)送風(fēng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)隨送風(fēng)速度的增大而不斷減小，但26°的送風(fēng)溫度為空調(diào)溫度，屬耗能模式，不可采用；）
　　綜合以上三種工況的計(jì)算結(jié)果表明：不論如何調(diào)整空氣層各項(xiàng)參數(shù)，對于有效提高石材幕墻組合墻體的傳熱性能均無明顯效果，因此我們從另一方面考慮，為避免石材幕墻鋼支撐構(gòu)件銹蝕，以提高石材幕墻使用壽命，建議將空氣層實(shí)施密閉設(shè)計(jì)。同時(shí)計(jì)算結(jié)果也明確了混凝土外墻＋石材幕墻的組合墻體，其傳熱系數(shù)難以實(shí)現(xiàn)GB50189《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》所提出的墻體傳熱系數(shù)小于等于1.5的要求，因此必須在混凝土表面加作外保溫，才能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
　　4.建筑外墻組合體的傳熱系數(shù)計(jì)算
　　4.1 石材幕墻＋混凝土墻
　　組合墻體：選取與實(shí)際工程接近的組合墻體，具體為：25mm石材幕墻＋150mm空氣層＋一定厚度的保溫材料＋250mm厚混凝土。
　　計(jì)算工況：在夏熱冬暖地區(qū)夏季空調(diào)工況的條件下（室外側(cè)的空氣溫度為38℃，對流換熱系數(shù)取為19.0W/m2•K；室內(nèi)側(cè)的空氣溫度為26℃，對流換熱系數(shù)取為8.7W/m2•K[2]），且空氣層密閉的狀態(tài)下。
　　在以上工況下，計(jì)算當(dāng)以上組合墻體的傳熱系數(shù)符合GB50189《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》所提出的小于或等于1.5的要求時(shí)，其保溫材料的設(shè)計(jì)厚度。表7 為物性參數(shù)，表8為計(jì)算結(jié)果。
　　由表8中可以得出當(dāng)采用聚苯板為保溫材料時(shí)，保溫厚度為10mm，墻體的保溫系數(shù)為1.47 W/（m2•K）；而采用膠粉聚苯顆粒保溫漿材和無機(jī)保溫干粉砂漿時(shí)，厚度取15～20mm，就能使墻體的保溫系數(shù)小于1.5 W/（m2•K）。
　　4.2 石材幕墻＋空心砌塊
　　組合墻體：選取工程較為常用的組合墻體，具體為：25mm石材幕墻＋150mm空氣層＋190空心砌塊�？招钠鰤K為煤矸石燒結(jié)多孔磚和粘土空心磚。
　　計(jì)算工況：在夏熱冬暖地區(qū)夏季空調(diào)工況的條件下（室外側(cè)的空氣溫度為38℃，對流換熱系數(shù)取為19.0W/m2•K；室內(nèi)側(cè)的空氣溫度為26℃，對流換熱系數(shù)取為8.7W/m2•K[2]），且空氣層密閉的狀態(tài)下。
　　在以上工況下，計(jì)算該組合墻體的傳熱系數(shù)是否可以符合GB50189《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》所提出的小于或等于1.5的要求。表9 為物性參數(shù)，表10為計(jì)算結(jié)果。
　　這兩種外墻型式的構(gòu)造具體如圖6所示。圖7為增加石材幕墻后的墻體型式。從表10中可以看出，外加石材幕墻后，煤矸石燒結(jié)磚和粘土空心磚這兩種外墻型式的保溫性能分別提高了20.5%和20%，增加石材幕墻后的節(jié)能效果明顯，且組合后墻體傳熱系數(shù)基本能符合GB50189《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，具有很強(qiáng)的推廣意義。
　　5.結(jié)語
　　通過以上論述可以得出以下結(jié)論：
　�。�1）石材幕墻組合墻體的傳熱數(shù)值模擬計(jì)算模型與傳統(tǒng)理論公式相比具有建模科學(xué)、計(jì)算準(zhǔn)確的特定，可供墻體個(gè)性化節(jié)能設(shè)計(jì)和研究使用，值得推廣。該模型的推出，可為將石材幕墻的節(jié)能貢獻(xiàn)拉入建筑整體節(jié)能能效提供了計(jì)算手段。
　�。�2）煤矸石燒結(jié)多孔磚等自保溫材料，其傳熱系數(shù)大多介于2.0～1.7之間，無法符合公建標(biāo)準(zhǔn)要求，但是本文設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果表明，石材幕墻＋煤矸石燒結(jié)多孔磚組合墻體的傳熱系數(shù)就能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，這為市場提供了一個(gè)新的節(jié)能墻體選擇。
　　（3）石材幕墻＋混凝土墻體的組合墻體在工程中運(yùn)用的十分普遍，但工程節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)均為考慮石材幕墻的節(jié)能效果，而做了大量的外保溫或內(nèi)保溫設(shè)計(jì)，造成了成本的浪費(fèi)，經(jīng)過本文設(shè)計(jì)計(jì)算表明，僅僅需要加15厚的保溫砂漿就可以滿足公建標(biāo)準(zhǔn)的要求，這使得此類組合墻體的節(jié)能設(shè)計(jì)變得十分簡便易行了。
　�。�4）計(jì)算結(jié)果表明，不論如何調(diào)整石材幕墻空氣層的各項(xiàng)參數(shù)，對于提高石材幕墻組合墻體的傳熱性能均無明顯效果，因此所謂的希望通過使石材幕墻與墻體之間的空氣層通風(fēng)來提高組合墻體節(jié)能效果的手段是不可行的。
　　
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