《Sustainability》：Thermal Performance of Multilayer Building Wall Systems Using Analytical and Numerical Models
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在室外温度变化条件下，多层建筑墙体系统的热工性能是评估建筑能效和室内热舒适度的重要因素。本研究提出了一种基于经典瞬态导热理论的简化解析公式，以及在MATLAB R2026a (Update 5)环境中实现的基于有限差分法(FDM)的数值模型。分析涵盖了五种具有
在室外温度变化条件下，多层建筑墙体系统的热工性能是评估建筑能效和室内热舒适度的重要因素。本研究提出了一种基于经典瞬态导热理论的简化解析公式，以及在MATLAB R2026a (Update 5)环境中实现的基于有限差分法(FDM)的数值模型。分析涵盖了五种具有不同结构组成和热质量的多层墙体系统，结合了三种保温材料（膨胀聚苯乙烯(EPS)、矿物棉和气凝胶）以及不同的保温层厚度，总共形成了55种墙体组合配置。所研究的墙体系统通过传热系数(U值)、衰减系数、时间延迟、最大热流密度以及内墙表面温度的时间变化进行评估。结果表明，多层墙体系统的动态热工行为取决于承重层的热质量、保温材料的类型与厚度以及组成材料的热物性的综合影响。解析公式与MATLAB模拟结果之间的比较显示出所研究墙体系统预测热工行为的趋势一致，支持了所提出的解析-数值方法在多层建筑墙体系统热工性能初步评估中的适用性。
研究背景与意义：建筑能效是现代建筑设计与运行面临的主要挑战之一。为降低能耗、减少二氧化碳(CO
2)排放并提升室内热舒适度，提升建筑围护结构的热工性能备受关注。建筑围护结构作为室内外环境的主要屏障，其热工特性直接决定了供暖和制冷的能源需求。目前工程实践中通常在稳态传热条件下通过传热系数(U-value，表征稳态传热能力的指标)来评估建筑构件的热工性能。虽然该方法简单且计算成本低，但无法捕捉温度场随时间的演变，忽略了材料储热能力和外部热负荷的时间依赖性，难以描述实际运行中的瞬态传热过程。尽管已有许多研究探讨了保温层厚度、位置或结构热质量等单一因素对动态热工性能的影响，但很少有研究在统一的方法论框架内同时考虑不同类型的承重墙、多种保温材料及厚度，且将适合初步计算的简化解析模型与基于有限差分法的数值模拟进行比较的研究十分有限。为此，研究人员在《Sustainability》上发表了这项研究，旨在开发并评估一种简化的解析方法来评估多层建筑墙体系统的动态热工特性，探讨墙体组成、结构热质量、保温材料及厚度对瞬态热工行为的影响。研究结果表明，多层墙体的动态热行为取决于上述因素的综合作用，且解析与数值模型趋势一致。该研究提出的方法论为根据特定热工性能目标选择多层墙体系统提供了实用的框架，对节能建筑设计具有重要意义。
关键技术方法：研究人员采用了简化的解析公式与数值模拟相结合的方法。基于经典一维瞬态导热方程，利用各层材料的热物性参数，建立了评估动态热工特性的解析模型。同时，在MATLAB R2026a (Update 5)环境中利用有限差分法(Finite Difference Method, FDM，一种通过离散空间和时间域求解偏微分方程的数值方法)建立数值模型，采用显式差分格式，空间离散为每米厚度50个节点，时间步长设为60 s，总模拟时长72 h。模型选用正弦函数模拟周期性室外气温变化（均值30 ℃，振幅10 ℃），室内温度恒定。研究对象为包含实心黏土砖等5种承重层及EPS、矿物棉和气凝胶等3种保温材料构成的55种墙体配置，在相同边界条件下进行验证对比。
研究结果：
Temperature Profiles and Variation in the Inner Wall Surface Temperature over Time（温度分布及内墙表面温度随时间的变化）：通过数值模拟得出代表墙体配置的瞬态温度分布，表明最大的温度梯度出现在保温层内，证实其在减少传热中的主导作用。在相同保温条件下，热质量更高的墙体系统表现出更小的温度波动和更明显的温度波延迟。
Analysis of the Time Lag (Δt)（时间延迟(Δt)分析）：通过分析55种墙体配置发现，增加保温层厚度通常会增加时间延迟(Δt，表示热量传递的延迟时间)；钢筋混凝土和实心砖等高热质量墙体比轻质墙体具有更长的时间延迟。在相同厚度下，矿物棉比膨胀聚苯乙烯(EPS)提供更高的时间延迟。
Analysis of U-Values（U值分析）：通过计算传热系数发现，增加厚度可降低U值。气凝胶在较小厚度下即可达到与较厚常规材料相当的U值；膨胀聚苯乙烯(EPS)和矿物棉(MW)在相同厚度下U值差异微小。
Analysis of the Decrement Factor (μ)（衰减系数(μ)分析）：通过分析衰减系数(μ，表示内外温度波幅比)表明，增加保温厚度降低了衰减系数。矿物棉的衰减系数通常低于EPS；尽管厚度极小，气凝胶也表现出有竞争力的衰减系数。该系数受承重墙热质量、保温材料热物性及厚度的综合影响。
Analysis of the Maximum Heat Flux (qmax)（最大热流密度(q
max)分析）：通过评估最大热流密度(q
max，表征传热强度的参数)发现，增加保温厚度可降低q
max。矿物棉通常实现最低的q
max，EPS次之，而气凝胶尽管稳态热工性能优异，q
max却相对较高。
Comparison of Analytical Formulation and Numerical Simulations（解析公式与数值模拟的比较）：通过对比两种方法的结果，证实它们在预测动态热工性能参数上表现出一致的定性趋势，均表明增加保温厚度会增加时间延迟、降低衰减系数和最大热流，并确认了热质量的显著影响。
Overall Evaluation of Thermal Performance of Analyzed Wall Configurations（分析墙体配置热工性能的总体评估）：基于对四个参数的综合评价表明，没有单一墙体能在所有参数上达到最优。气凝胶适合最小化U值，而高热质量墙体结合矿物棉在动态热工性能上表现最佳。
讨论总结与研究结论：
讨论总结：多层墙体系统的热工性能不能仅靠U值评估，需结合时间延迟、衰减系数、最大热流密度及热质量进行综合评估。增加保温厚度可改善热工性能，但边际效益递减，因此需结合当地气候和能效要求平衡选择。承重层热质量对动态热响应影响显著，重质材料表现更优。矿物棉在动态热工特性上优于EPS，而气凝胶虽能以极薄厚度实现极低U值，但并不代表动态性能最优。最优墙体的选择取决于设计目标，且需考虑经济可行性。研究虽采用理想化边界条件，但为节能建筑初步设计提供了快速评估的实用方法。
研究结论：本研究开发并评估了用于评价多层墙体系统瞬态热工行为的简化解析公式，并结合基于MATLAB的有限差分模拟。该解析-数值框架能评估U值、时间延迟、衰减系数和最大热流密度等主要动态热工性能参数，为瞬态边界条件下的初步评估提供了高效工具。研究分析了包含三种保温材料及不同厚度的5种代表性墙体配置（共55种）。结果表明，增加保温厚度可降低U值、增加时间延迟并减小衰减系数。然而，最优动态热工性能不能仅凭最低U值确定，而取决于承重层热质量、材料热物性及排列的综合效应。承重层热质量起着关键作用，重质材料具有更长的时间延迟和更低的衰减系数。矿物棉表现出更优的动态热工性能，而气凝胶即使在较薄厚度下也能实现极低U值。MATLAB模拟重现了与解析公式相同的定性趋势，证明了该框架的一致性。本研究的主要科学贡献在于提出了能同时评估稳态和动态热工性能参数的综合方法论，系统评估了墙体组成、保温材料与厚度及结构热质量的综合影响。研究结果证明了在选择墙体时除稳态指标外还需考虑动态参数，对提升能效和热舒适度具有实际意义。未来研究应集中于实验验证、引入三维传热及热桥效应，并结合详细的技经评估。
