夏熱冬冷地區(qū)墻體保溫隔熱體系的研究

夏熱冬冷地區(qū)墻體保溫隔熱體系的研究

0保溫層保溫體系在夏熱冬冷地區(qū)的應(yīng)用近年來，中國在北方寒冷和寒冷地區(qū)引入了住宅建筑節(jié)能標準。隨著建筑節(jié)能的推進，2005年后，全國各氣候區(qū)的住宅和公共建筑嚴格按照國家建筑節(jié)能設(shè)計標準進行設(shè)計和建造。這些年來,北方嚴寒和寒冷地區(qū)的許多城市主要實施以膨脹聚苯板和膠粉聚苯顆粒漿料為主要材料的墻體外保溫和內(nèi)保溫體系,取得了較好的效果。對于建筑節(jié)能經(jīng)驗和技術(shù)嚴重不足的夏熱冬冷地區(qū),目前主要以借鑒北方地區(qū)的現(xiàn)有經(jīng)驗為主,但在氣候環(huán)境不同、人們生活方式有差異的情況下,簡單照搬北方地區(qū)的保溫體系是否科學(xué)合理,引起工程界的較大爭議。其一,膨脹聚苯板和膠粉顆粒漿料的耐候性能較差,使用年限最多20年,在建筑的生命周期中存在著保溫體系維護的難題和后遺癥。其二,膨脹聚苯板保溫體系對外墻飾面材料的使用限制極大,出于安全考慮,外墻飾面磚和石材基本被禁止使用,建筑外立面裝飾只能使用涂料。對于多雨的夏熱冬冷地區(qū),尤其是酸雨嚴重的地區(qū),涂料褪色現(xiàn)象較為普遍。其三,保溫體系材料和結(jié)構(gòu)主體材料的物理性能差異大,易造成膨脹聚苯板保溫層與主體工程之間出現(xiàn)裂縫,有時甚至在施工過程中開始跌落,一旦雨水通過裂縫進入,不僅此保溫體系的保溫性能受損,而且其使用壽命和安全性使人擔(dān)憂。目前夏熱冬冷外墻保溫實施中所遇到的問題是值得工程界高度關(guān)注和思考的,迫切需要探索新的道路,以保證節(jié)能工作的順利推進。1墻體自保溫體系正如前述以膨脹聚苯板和膠粉聚苯顆粒漿料為主要材料的墻體外保溫和內(nèi)保溫體系存在諸多缺陷,我們認為,是否可以考慮不再在基層墻體上附加保溫層的辦法,而是利用墻體材料本身的熱工性能,建立墻體自保溫體系達到節(jié)能的要求。這樣不僅可以消除上述保溫系統(tǒng)的弊端,而且由于立足墻體自身的改進,符合傳統(tǒng)的施工工序,在不增加工期和成本的情況下達到節(jié)能將耗的目的,墻體自保溫體系的優(yōu)點凸顯出來。墻體自保溫體系是一種依靠墻體材料自身較高的熱阻和熱惰性,滿足相應(yīng)氣候分區(qū)的節(jié)能指標要求,不需要再在外側(cè)或內(nèi)側(cè)復(fù)合保溫層的一種節(jié)能體系。根據(jù)《冬冷夏熱地區(qū)節(jié)能設(shè)計標準》對外墻平均傳熱系數(shù)K和熱惰性指標D的規(guī)定性指標,為了實現(xiàn)節(jié)能50%的目標,外墻的外墻平均傳熱系數(shù)K≤1.5W/(m2·K),熱惰性性指標D≥3.0W/(m2·K)。根據(jù)上述指標的規(guī)定,一般文獻指出:蒸壓加氣混凝土砌塊是現(xiàn)有墻材中能夠同時滿足墻材革新和節(jié)能50%要求的唯一單一材料墻體。但是事實上,只要提高砌塊自身保溫性能,例如采用輕集料混凝土生產(chǎn)混凝土砌塊,降低λh值(混凝土混合料的熱導(dǎo)率),或改變砌塊的孔結(jié)構(gòu)和增加孔洞的排數(shù)λx(空氣間層熱導(dǎo)率),也可制成既滿足節(jié)能50%要求又施工簡單的單一材料制品。目前在夏熱冬冷地區(qū)投入使用的各類砌體材料中,有以下類型的塊才能達到要求夏熱冬冷地區(qū)的節(jié)能標準:燒結(jié)多孔磚、蒸壓加氣混凝土砌塊、多排孔陶?；炷量招钠鰤K。1.1燒結(jié)多孔磚墻體的熱概念燒結(jié)多孔磚的尺寸為240mm×115mm×90mm,21個矩形孔。根據(jù)民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范,取黏土的熱導(dǎo)率取為1.16W/(m·K)、蓄熱系數(shù)為12.99W/(m2·K);石灰水泥砂漿的熱導(dǎo)率為0.87W/(m·K)、蓄熱系數(shù)為10.75W/(m2·K);水泥砂漿的熱導(dǎo)率為0.93W/(m·K)、蓄熱系數(shù)11.37W/(m2·K)。采用”三順一丁“砌筑,內(nèi)外分別20mm厚的混合砂漿和水泥砂漿抹面。由于多孔磚是由黏土和空氣層2種材料組成的,為了精確計算這種多孔磚模型的熱工參數(shù),通過將順磚和丁磚模型沿傳熱方向劃分精確的傳熱通道,墻體的計算簡化模型如圖1所示。并按《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》中復(fù)合材料的計算公式計算燒結(jié)多孔磚的平均熱阻,計算得結(jié)果為0.47m2·K/W。加上內(nèi)外抹灰,計算得燒結(jié)多孔磚砌體的傳熱阻、傳熱系數(shù)為:同時為了精確計算燒結(jié)多孔磚的熱惰性指標,將燒結(jié)多孔磚看成是垂直于傳熱方向的多層材料組成,且每層材料又包含空氣和黏土。因此將燒結(jié)多孔磚垂直于傳熱方向劃分通道如圖2所示,計算各層的平均熱阻及平均蓄熱系數(shù),最后按多層圍護結(jié)構(gòu)熱惰性指標的計算公式,計算得燒結(jié)多孔磚墻體的熱惰性指標D=4.059W/(m2·K)。以上的計算數(shù)據(jù)表明燒結(jié)多孔磚的隔熱效果很好,但保溫效果還不很理想,如果改用本課題組已研發(fā)出的陶砂保溫砂漿來砌筑燒結(jié)多孔磚砌體,選擇熱導(dǎo)率為0.25W/(m·K),抗壓強度為5.2MPa的陶砂保溫砂漿砌筑,熱導(dǎo)率為0.181W/(m·K)和0.152W/(m·K)的陶砂保溫砂漿分別作為外抹灰和內(nèi)抹灰,計算得燒結(jié)多孔磚在陶砂保溫砂漿砌筑和抹面下的傳熱阻為0.784m2·K/W,傳熱系數(shù)為1.275W/(m2·K)。同時為了觀察砌筑保溫砂漿和抹面保溫砂漿對熱工性能的影響,作者還分別計算了普通砂漿砌筑和保溫砂漿抹面情況和保溫砂漿砌筑和普通砂漿抹面情況下的熱工參數(shù),計算結(jié)果表明:當(dāng)用陶砂保溫砂漿代替普通混合砂漿砌筑和抹面時,墻體的傳熱系數(shù)大約降低10%~15%,由此可以看出,當(dāng)由陶砂保溫砂漿代替普通砂漿時墻體的保溫性能有很大的提高,其中由于抹面砂漿采用陶砂砂漿所導(dǎo)致墻體保溫性能的提高大約10%左右,由于砌筑砂漿采用陶砂砂漿所導(dǎo)致墻體保溫性能的提高大約3%左右。1.2砂加熱混凝土熱導(dǎo)率及蓄熱系數(shù)蒸壓加氣混凝土砌塊的主規(guī)格尺寸為600mm×240mm×200mm,根據(jù)民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范,密度等級為700kg/m3的砂加氣混凝土熱導(dǎo)率為0.22W/(m·K),蓄熱系數(shù)為3.59W/(m2·K)。所以墻厚為200mm的砂加氣混凝土砌塊砌體,并做20厚水泥砂漿外粉刷和20厚混合砂漿內(nèi)粉刷的情況下的熱工參數(shù)計算如下:以上計算表明200厚加氣混凝土砌塊砌體是能滿足夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能要求的,《湖南省居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》中明確給出了不同密度等級下加氣混凝土砌塊砌體的熱工參數(shù),結(jié)果顯示均滿足夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能要求。1.3空心斑塊的熱生活陶?；炷量招钠鰤K是輕集料混凝土小型砌塊中的一種,具有質(zhì)輕、高強、熱工性能好、抗震性能好、利廢等特點,被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)外墻體材料。以三排孔陶?；炷量招钠鰤K為例,主規(guī)格尺寸為390mm×240mm×190mm,根據(jù)民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范,密度等級為1200kg/m3的陶粒混凝土熱導(dǎo)率取為0.53W/(m·K),蓄熱系數(shù)為7.25W/(m2·K)。按照與燒結(jié)多孔磚類似的方法將三排孔陶?；炷量招钠鰤K劃分傳熱通道,并計算得三排孔陶?；炷量招钠鰤K的平均熱阻為0.587m2·K/W,加上內(nèi)外抹灰后計算的傳熱阻為0.754m2·K/W,傳熱系數(shù)為1.326W/(m2·K),熱惰性指標為2.712W/(m2·K)。按同樣的方法計算四排孔陶?；炷量招钠鰤K的平均熱阻為0.631m2·K/W,傳熱阻為0.781m2·K/W,傳熱系數(shù)為1.28,熱惰性指標為3.233W/(m2·K)。2對混凝土材料的保溫和阻燃效果的對比上述介紹的燒結(jié)多孔磚、蒸壓加氣混凝土砌塊、陶?；炷量招钠鰤K由于材料具用較高的熱阻,可通過合適選用集料、改變砌塊的孔結(jié)構(gòu)和增加孔洞的排數(shù)、選用保溫砂漿或?qū)Ｓ蒙皾{等達到節(jié)能50%以上的效果,現(xiàn)將三者的傳熱系數(shù)和熱惰性指標進行對比如表1所示。通過對數(shù)據(jù)的比較可知,就保溫效果而言效果最好的為蒸壓加氣混凝土砌塊,其次分別為陶?；炷量招钠鰤K、燒結(jié)多孔磚,就隔熱效果而言效果最好的為燒結(jié)多孔磚,其次分別為蒸壓加氣混凝土砌塊、陶?；炷量招钠鰤K。當(dāng)然,在夏熱冬冷地區(qū)除了文中列舉的3種自保溫體系以外,還存在著其他許多符合新型墻材的砌體材料,這些材料只要設(shè)計合理,通過計算能滿足節(jié)能標準,同樣屬于自保溫體系范疇,仍然值得推廣。3自保溫墻體材料以上通過對夏熱冬冷地區(qū)的自保溫墻體體系的傳熱性能進行計算和研究,可以得到以下結(jié)論:(1)通過選擇熱工性能好的材料來制作砌體塊材,通過設(shè)計砌塊的孔結(jié)構(gòu)及增加孔洞的排數(shù),是可以在夏熱冬冷地區(qū)達到節(jié)能50%的要求的。在前述的3種自保溫體系中,燒結(jié)多孔磚由于保溫效果不理想,而且隨著全國各地“限粘”工作的展開,它注定只能作為過渡產(chǎn)品存在;加氣混凝土砌塊砌體保溫隔熱效果都很優(yōu)良,但由于密度小,在普通機械設(shè)備下強度不高,主要應(yīng)用在非承重結(jié)構(gòu)中;陶?；炷量招钠鰤K保溫隔熱效果均較好,并且計算表明通過增加孔洞的排數(shù)可以達到更好的節(jié)能效果,目前長沙市新型墻體材料開發(fā)總公司已經(jīng)通過了陶粒保溫混凝土砌塊成套應(yīng)用技術(shù)的鑒定,生產(chǎn)了3~7排孔不等的陶粒混凝土空心砌塊,是一種值得推廣的材料;(2)傳統(tǒng)砌筑砂漿一般為水泥砂漿或混合砂漿,這類砂漿的體積密度為1600~1800kg/m3,熱導(dǎo)率為0.6~1.0W/(m·K)。使用傳統(tǒng)砂漿砌筑自保溫墻體,會使砌體產(chǎn)生冷橋。應(yīng)此自保溫墻體應(yīng)選用合適的保溫砂漿或?qū)Ｓ蒙皾{,可以減少因灰縫引起的附加熱耗,提高保溫性能;(3)由于自保溫墻體材料一般而言為了達到要求的熱工性能都具有疏松的內(nèi)部結(jié)構(gòu),較小的表觀密度,這就注定自保溫墻體材料不可能有很高的強度。加上現(xiàn)階段砌塊廠生產(chǎn)小型砌塊,機械化程度很低,技術(shù)水平不高,生產(chǎn)條件不完善,導(dǎo)致砌塊