摘 要 本文通过对影响建筑石材幕墙热工性能的因素进行研究分析，在此基础上建立了建筑石材幕墙热工性能计算模型，并通过大量计算，系统分析了各种因素的影响程度，提出了优化外墙节能设计的建议。
关键词 石材幕墙；节能设计
建筑石材幕墙作为建筑外墙本体的外围护构件，其集聚抗风压、抗雨水渗漏和保温隔热、隔声遮阳等功能于一身，是建筑外墙的组成部分，其保温隔热性能的高低很大程度上影响了建筑物外墙的整体热工性能，影响了居住人群的生活质量，是建筑的重要功能构件，但是许多建筑师却忽视了建筑石材幕墙的保温隔热功能，国家行业技术规范未对石材幕墙与外墙本体组合而成的建筑外墙（以下简称：石材幕墙组合墙体）的热工设计计算作出具体可操作的规定，一直以来在外墙传热系数的计算上，不计石材幕墙保温隔热的贡献，直接以外墙本体的传热系数作为外墙整体的保温性能。
1.石材幕墙组合墙体传热过程
石材幕墙组合墙体自室外向室内的传热过程较为复杂，它的过程表现为：室外环境温度与石材外表面的热交换→石材内部的热传导→石材内表面与空气层和混凝土外表面进行换热→空气层空气与混凝土外表面进行换热→混凝土内部的热传导→混凝土内表面与室内环境换热，这个过程是辐射、对流和导热三种传热组合的形式，固体内部热传递表现为热传导的过程，其传热性能与材料的平均热阻相关；固体与空气之间的传热表现为辐射换热和对流换热的过程，其传热性能与辐射率和对流速度有关。
2.建立石材幕墙组合体数学计算模型
2.1 传统的简化计算模型
传统的简化计算采用以下理论计算的公式，公式参见文献[3]，具体公式如下：
式中 为传热系数，单位W/m2•℃；为室外空气对流换热系数，单位W/m2•℃；温度； 为室内空气对流换热系数，单位W/m2•℃；为第一种以及第N种围护结构厚度，单位为m；为第一种以及第N种围护结构导热系数，单位为W/m•℃；
对于有复合空气层的墙体，其空气层的影响采用空气层的热阻来表征，空气层的热阻来自参考文献[2]，具体取值见表1。这些取值相对固化，可理解为代表了某种特定状况下的空气层热工性能，当空气层的空间尺寸以及空气流的流速和温度发生变化时，是无法在此公式上得到反映和体现，因此传统公式的适用范围存在很大的限制，特别是不适用于个性的节能热工设计。因此有必要探索科学准确的计算模型。
2.2 流固耦合传热数值模拟计算模型
固流耦合传热数值模拟计算是综合考虑了导热、辐射和对流的传热模式，对可忽略的影响因素通过假设条件进行了简化，在此基础上形成了流固耦合单元传热模拟数值计算模型，再对边界条件、单值性条件以及流固体物性进行定义，而后对流固耦合体进行网格划分，最后对其进行流动和传热耦合的数值模拟计算。传热数值模拟计算是流动和传热耦合的计算过程，模型的建立具体如下：
（1）对于石材幕墙组合墙体模型，我们对一些影响很小可忽略的因素设定了假设条件，以此简化计算模型，具体假设条件为：
1）假设石材和混凝土为常物性、各向同性；
2）忽略幕墙连接件对空气层流动的影响；
3）假定石材幕墙水平方向无限长，因此仅考虑高度和厚度方向的换热；
4）忽略围护结构中热桥对换热的影响。
（2）综合考虑了复合墙体的传热过程和传热方式，建立了石材幕墙组合墙体传热数值计算模型：
1）对于不可压缩流体，连续性方程为：
2）对于不可压缩流体，两个方向的动量方程如下所示：
空气层中空气为粘性常数的不可压缩流体，则 。
3）能量守恒方程形式为：
式中U表示空气流速；T表示温度；P表示密度；t表示时间；表示空气层两个方向的速度；表示运动粘滞系数；表示压强；表示导热系数；表示比热容；表示源项。
其中空气流动采用采用标准湍流模型进行求解，对流项差分格式采用QUICK格式，压力速度耦合采用SIMPLE算法，壁面采用壁面函数法进行处理，辐射模型采用DTRM模型；数值方法采用有限容积法。
2.3 建立石材幕墙组合墙体的几何模型和网格划分
计算区域平面如图1所示，围护结构总共分成三层，分别为石材幕墙、空气层、钢筋混凝土。其中石材幕墙靠室外侧，钢筋混凝土靠室内侧。计算区域网格划分如图2所示，图2为计算区域网格划分的局部截图。其中空气层周围、石材幕墙室外侧以及钢筋混凝土室内侧的温度梯度比较大，采用较小的网格间距。网格比例因子控制在1.2[1]。
计算区域的几何参数如表2所示。
2.4物性参数、单值性条件以及传热数值模拟计算
石材、空气以及钢筋混凝土的物性参数见表3。模拟运行幕墙夏季空调工况的换热情况。室外侧以及室内侧都为第三类边界条件。室外侧的空气温度为38℃，对流换热系数取为19.0W/m2•K；室内侧的空气温度为26℃，对流换热系数取为8.7W/m2•K。石材的上下面给定第三类边界条件，具体设置与室外侧同。钢筋混凝土上下面给定为绝热边界条件。
3.计算分析空气层参数对石材幕墙＋混凝土的组合墙体传热系数的影响程度
组合墙体包含固体与空气层两个部分，其与固体相比，影响其传热性能所特有的因素来自空气层的相关参数，包括空气层的空间尺寸以及空气流的流速和温度。
本文通过针对由250mm厚混凝土墙体、中间空气层以及25mm厚石材幕墙组合而成的建筑外墙，在夏热冬暖地区夏季空调工况的条件下（室外侧的空气温度为38℃，对流换热系数取为19.0W/m2•K；室内侧的空气温度为26℃，对流换热系数取为8.7W/m2•K[2]），当空气层的厚度、高度和气流速度、气流温度等参数在一定范围内发生变化时，其对外墙整体传热系数的影响程度。
3.1 不同空气层厚度的影响
计算工况：空气层厚度10mm～300mm变化、高度10m、空气层密闭。
在该工况下，数值模拟的传热系数计算结果见表4。对表4的数据进行分析，可以得出在数值模拟结果中，当空气层厚度为30mm时，传热系数最小，随着空气层厚度的增大，传热系数逐渐增大，空气层厚度达到80mm以后，传热系数基本稳定在2.35 W/（m2•K）到3.39W/（m2•K）之间，变化不大，说明空气层的厚度变化对组合墙体的传热系数影响微小。
3.2 不同空气层高度的影响
计算工况：空气层厚度100mm、高度3m～100m变化、空气层密闭。
取空气层高度H分别为3m、10m、30m、50m、70m以及100m六种工况下模拟围护结构传热变化情况。表5及图3为数值模拟结果。从图6中可知，当空气层高度H从3m上升到100m时，组合墙体的传热系数先上升，当高度到达10m时开始传热系数开始下降，传热系数受空气层的高度变化影响微小。
3.3 空气层内不同风速的影响
计算工况：空气层厚度100mm、高度10m、空气层风速在0～2.0m/s之间变化、空气层送风温度在26°～38°之间变化。送风温度
该工况下，从图5中可知，送风速度取0.3m/s，当送风温度从26℃上升到38℃，围护结构的传热系数几乎成线性上升，传热系数从1.798 W/（m2•K）上升到2.592 W/（m2•K）。可见送风温度对传热系数的影响非常显著。但是：
1）当送风温度为38℃时，即送风温度为模拟室外送风，围护结构的传热系数随送风速度的增加而不断增大，为不利状况；
当送风温度为35℃时，即送风温度为模拟地下室送风，围护结构的传热系数随送风速度的增加而不断增大，为不利状况；
2）当送风温度为26℃时，即送风温度为模拟室内送风，围护结构的传热系数随送风速度的增大而不断减小，但26°的送风温度为空调温度，属耗能模式，不可采用；）
综合以上三种工况的计算结果表明：不论如何调整空气层各项参数，对于有效提高石材幕墙组合墙体的传热性能均无明显效果，因此我们从另一方面考虑，为避免石材幕墙钢支撑构件锈蚀，以提高石材幕墙使用寿命，建议将空气层实施密闭设计。同时计算结果也明确了混凝土外墙＋石材幕墙的组合墙体，其传热系数难以实现GB50189《公共建筑节能设计标准》所提出的墙体传热系数小于等于1.5的要求，因此必须在混凝土表面加作外保温，才能符合标准要求。
4.建筑外墙组合体的传热系数计算
4.1 石材幕墙＋混凝土墙
组合墙体：选取与实际工程接近的组合墙体，具体为：25mm石材幕墙＋150mm空气层＋一定厚度的保温材料＋250mm厚混凝土。
计算工况：在夏热冬暖地区夏季空调工况的条件下（室外侧的空气温度为38℃，对流换热系数取为19.0W/m2•K；室内侧的空气温度为26℃，对流换热系数取为8.7W/m2•K[2]），且空气层密闭的状态下。
在以上工况下，计算当以上组合墙体的传热系数符合GB50189《公共建筑节能设计标准》所提出的小于或等于1.5的要求时，其保温材料的设计厚度。表7 为物性参数，表8为计算结果。
由表8中可以得出当采用聚苯板为保温材料时，保温厚度为10mm，墙体的保温系数为1.47 W/（m2•K）；而采用胶粉聚苯颗粒保温浆材和无机保温干粉砂浆时，厚度取15～20mm，就能使墙体的保温系数小于1.5 W/（m2•K）。
4.2 石材幕墙＋空心砌块
组合墙体：选取工程较为常用的组合墙体，具体为：25mm石材幕墙＋150mm空气层＋190空心砌块。空心砌块为煤矸石烧结多孔砖和粘土空心砖。
计算工况：在夏热冬暖地区夏季空调工况的条件下（室外侧的空气温度为38℃，对流换热系数取为19.0W/m2•K；室内侧的空气温度为26℃，对流换热系数取为8.7W/m2•K[2]），且空气层密闭的状态下。
在以上工况下，计算该组合墙体的传热系数是否可以符合GB50189《公共建筑节能设计标准》所提出的小于或等于1.5的要求。表9 为物性参数，表10为计算结果。
这两种外墙型式的构造具体如图6所示。图7为增加石材幕墙后的墙体型式。从表10中可以看出，外加石材幕墙后，煤矸石烧结砖和粘土空心砖这两种外墙型式的保温性能分别提高了20.5%和20%，增加石材幕墙后的节能效果明显，且组合后墙体传热系数基本能符合GB50189《公共建筑节能设计标准》的要求，具有很强的推广意义。
5.结语
通过以上论述可以得出以下结论：
（1）石材幕墙组合墙体的传热数值模拟计算模型与传统理论公式相比具有建模科学、计算准确的特定，可供墙体个性化节能设计和研究使用，值得推广。该模型的推出，可为将石材幕墙的节能贡献拉入建筑整体节能能效提供了计算手段。
（2）煤矸石烧结多孔砖等自保温材料，其传热系数大多介于2.0～1.7之间，无法符合公建标准要求，但是本文设计计算结果表明，石材幕墙＋煤矸石烧结多孔砖组合墙体的传热系数就能符合标准要求，这为市场提供了一个新的节能墙体选择。
（3）石材幕墙＋混凝土墙体的组合墙体在工程中运用的十分普遍，但工程节能设计时均为考虑石材幕墙的节能效果，而做了大量的外保温或内保温设计，造成了成本的浪费，经过本文设计计算表明，仅仅需要加15厚的保温砂浆就可以满足公建标准的要求，这使得此类组合墙体的节能设计变得十分简便易行了。
（4）计算结果表明，不论如何调整石材幕墙空气层的各项参数，对于提高石材幕墙组合墙体的传热性能均无明显效果，因此所谓的希望通过使石材幕墙与墙体之间的空气层通风来提高组合墙体节能效果的手段是不可行的。
参考文献
[1] 陶文铨. 数值传热学（第2版）[M]. 西安：西安交通大学出版社. 2001.
[2] GB50176-93《民用建筑热工设计规范》.
[3] 章熙民，任泽?，梅飞鸣，等. 传热学（第三版）[M]. 北京：中国建筑工业出版社. 1993.
[4] DBJ13-62-2004《福建省居住建筑节能设计标准实施细则》.