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        建筑外墻保溫節(jié)能研究

        2016-10-19 13:17:19阮嘉豪侯怡萍王樂樂劉科軍
        建材發(fā)展導(dǎo)向 2016年5期
        關(guān)鍵詞:節(jié)能

        阮嘉豪 侯怡萍 胡 建 王樂樂 劉科軍 康興

        摘 要:在我國建筑中墻體保溫施工技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用,而建筑物外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)的改進(jìn),保溫材料的更新對(duì)社會(huì)及建筑能耗的降低具有極其重大的意義。本實(shí)驗(yàn)建立實(shí)際測(cè)定模型,在實(shí)際墻體中進(jìn)行試驗(yàn),利用MWT-1515穩(wěn)態(tài)傳熱性能測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定實(shí)驗(yàn)墻體的傳熱系數(shù)和利用智能型雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀測(cè)定不同材料的導(dǎo)熱系數(shù),分析墻體保溫能力。將實(shí)驗(yàn)結(jié)論推廣到實(shí)際工程應(yīng)用中,使其在建筑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

        關(guān)鍵詞:節(jié)能;建筑外墻保溫節(jié)能;傳熱系數(shù);導(dǎo)熱系數(shù)

        建筑節(jié)能,就是以節(jié)約建筑能耗為核心,對(duì)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)和采暖系統(tǒng)進(jìn)行控制。隨著生產(chǎn)力的飛速發(fā)展,各國工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快,能源消耗量越來越高,世界能源需求量以每年2%的比率增長,而這些能源大約有30%消耗在建筑物上。在我國,建筑能耗連同圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料生產(chǎn)能耗已占到全國能源消耗總量的27.6%,并將隨著人民生活水平的提高逐步增加到33%以上。因此,對(duì)于建筑外墻的保溫節(jié)能研究尤為重要。

        1 研究背景

        我國是能耗大國,建筑能耗又占全國總能耗的很大一部分,單位建筑能耗比同氣候條件下發(fā)達(dá)國家高出二十余倍,建筑能源在高消耗的過程中很容易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生諸多不良影響。建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì),是我國重大戰(zhàn)略決策,建筑節(jié)能在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位,直接關(guān)系到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。建筑節(jié)能是執(zhí)行國家環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源政策的主要內(nèi)容,是貫徹國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。國家建設(shè)部出臺(tái)了一系列的節(jié)能政策、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和強(qiáng)制性條文,經(jīng)過了近20年的努力,建筑節(jié)能工作取得了較大成績,但我國目前的建筑節(jié)能水平,還遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家,我國單位建筑面積能耗是氣候相近的發(fā)達(dá)國家的2倍甚至3倍以上。所以建筑節(jié)能還是21世紀(jì)我國建筑業(yè)的一個(gè)重要的研究課題。在建筑中,外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱損耗較大,其中墻體又占了很大份額。所以建筑墻體改革與墻體節(jié)能技術(shù)的發(fā)展是建筑節(jié)能技術(shù)的一個(gè)最重要的環(huán)節(jié),發(fā)展外墻保溫技術(shù)及節(jié)能材料則是建筑節(jié)能的主要實(shí)現(xiàn)方式。

        目前,保溫節(jié)能材料在建筑工程中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,同時(shí)也存在做法多樣,材料廣泛等多種問題。因此,文章立足于現(xiàn)有常見建筑保溫節(jié)能材料的使用和做法的選擇,測(cè)定出不同保溫做法和不同保溫材料在建筑墻體中的傳熱系數(shù),以及材料中的導(dǎo)熱系數(shù),分析、對(duì)比建筑外墻的保溫節(jié)能性。

        2 現(xiàn)狀分析

        我國建筑用保溫材料,特別是外墻內(nèi)外保溫材料以無機(jī)材料為主體。近年來在建筑保溫領(lǐng)域呈現(xiàn)較強(qiáng)的發(fā)展態(tài)勢(shì),為我國的建筑節(jié)能做出了巨大貢獻(xiàn)。然而由于在外墻外保溫施工過程中和施工完畢后對(duì)防火問題的忽視,由易燃外墻保溫材料導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生的案例比比皆是。這些火災(zāi)的發(fā)生給人民財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)造成重大損失,并造成一定的社會(huì)恐慌和環(huán)境污染。在火災(zāi)中有機(jī)材料所產(chǎn)生的影響已引起相關(guān)部門的高度重視。為了保證安全,住建部和公安消防局在2009年9月共同頒布了《民用建筑外保溫及外墻裝飾防火暫行規(guī)定》。

        隨著國家政策對(duì)建筑節(jié)能問題的重視,建筑外墻節(jié)能保溫行業(yè)越來越受到關(guān)注。在第三屆中國(青島)國際建筑節(jié)能和可再生能源建筑應(yīng)用博覽會(huì)上,建筑保溫系統(tǒng)材料、節(jié)能環(huán)保等材料和保溫公司競(jìng)相宣傳、推廣項(xiàng)目。外墻外保溫系統(tǒng)復(fù)合在結(jié)構(gòu)墻體外側(cè),其本身的燃燒性能和耐火極限無論是抵抗相鄰建筑火災(zāi)的侵害,還是阻止本身建筑的火勢(shì)進(jìn)一步蔓延都是很重要的。一些火災(zāi)的發(fā)生,使人們對(duì)整個(gè)外墻保溫形成信任危機(jī),外墻保溫又一次成為焦點(diǎn)。隨著各地節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程的施行,外墻保溫作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫的一個(gè)重要組成部分得到了廣泛應(yīng)用。

        3 外墻保溫技術(shù)工作原理及使用特點(diǎn)

        隨著建筑節(jié)能的深入和要求的提高,單一的節(jié)能墻體逐漸地不能滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求,單一材料導(dǎo)熱系數(shù)太大,一般為高效保溫材料的20倍,不能滿足保溫隔熱的要求,于是產(chǎn)生了承重材料與高效保溫材料組成的復(fù)合墻體。復(fù)合墻體就是由基層墻體再輔以輕質(zhì)高效保溫材料構(gòu)成,其中基層墻體可以是傳統(tǒng)的空心磚墻或混凝土空心砌塊墻等,也可以是各種新型的輕質(zhì)多孔材料砌筑的輕型墻體。復(fù)合墻體既不會(huì)使墻體過厚,又能承重,保溫效果好,因此發(fā)達(dá)國家新建建筑已基本上采用了此方式。外部復(fù)合墻體即所稱的外墻,按照其保溫材料位置的不同,可以分為外墻內(nèi)保溫、外墻外保溫和夾芯保溫,其中外墻內(nèi)保溫和外墻外保溫是大量采用的技術(shù),在建筑節(jié)能開展的不同歷史階段,二者先后發(fā)揮了重要作用。

        4 墻體保溫的分類與評(píng)價(jià)

        4.1 外墻內(nèi)保溫

        外墻內(nèi)保溫是在外墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)部加做保溫層。內(nèi)保溫施工速度快,操作方便靈活,可以保證施工進(jìn)度。內(nèi)保溫應(yīng)用時(shí)間較長,技術(shù)成熟,施工技術(shù)及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是比較完善的。在2001年外墻保溫施工中約有90%以上的工程應(yīng)用內(nèi)保溫技術(shù)。被大面積推廣的內(nèi)保溫技術(shù)有:增強(qiáng)石膏復(fù)合聚苯保溫板、聚合物砂漿復(fù)合聚苯保溫板、增強(qiáng)水泥復(fù)合聚苯保溫板、內(nèi)墻貼聚苯板抹粉刷石膏及抹聚苯顆粒保溫料漿加抗裂砂漿壓入網(wǎng)格布的做法。但內(nèi)保溫會(huì)多占用使用面積,“熱橋”問題不易解決,容易引起開裂,還會(huì)影響施工速度,影響居民的二次裝修,且內(nèi)墻懸掛和固定物件也容易破壞內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)。內(nèi)保溫在技術(shù)上的不合理性,決定了其必然要被外保溫所替代。

        4.2 外墻外保溫

        外墻外保溫系統(tǒng)即保溫材料處于外墻的外側(cè),由于其具有優(yōu)良的保溫節(jié)能效果,并可以消除結(jié)構(gòu)性冷熱橋,保護(hù)了主體結(jié)構(gòu),且不占室內(nèi)使用空間,具備綜合經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)被建設(shè)部廣泛推廣。客觀地說,從理論上分析外墻外保溫的確是非常合理的,但實(shí)際操作卻并非易事,尤其在施工的可操作性及產(chǎn)品的耐候性和安全性等方面尚存在一些問題,有待于進(jìn)一步完善解決。外墻外保溫的優(yōu)點(diǎn):

        (1)基本上可消除熱橋,絕熱層效率可達(dá)到85%-95%;

        (2)墻面內(nèi)表面不會(huì)發(fā)生結(jié)露;

        (3)不減少使用面積:

        (4)既適用于新建房屋,也適用于舊房改造,施工中不影響正常使用;

        (5)室內(nèi)熱舒適度較好,不會(huì)對(duì)墻體承重結(jié)構(gòu)造成危害;

        (6)現(xiàn)場(chǎng)均采用預(yù)拌砂漿,施工時(shí)按比例混合加水即可,解決了傳統(tǒng)砂漿現(xiàn)場(chǎng)稱量、拌制所產(chǎn)生的配料不準(zhǔn)確的問題。

        5 實(shí)驗(yàn)原理

        5.1 墻體傳熱系數(shù)測(cè)定原理

        墻體傳熱系數(shù)的測(cè)定是通過MWT-1515穩(wěn)態(tài)傳熱性能測(cè)定系統(tǒng)將墻體分為熱面和冷面,通過設(shè)定數(shù)據(jù)在熱面和冷面的箱體中設(shè)定不同的溫度,經(jīng)過一段時(shí)間后,兩面墻體的溫度將會(huì)逐步趨于穩(wěn)定,實(shí)驗(yàn)持續(xù)24小時(shí)之后,得到穩(wěn)定的墻體溫度和穩(wěn)定的墻體傳熱系數(shù)。

        5.2 材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定原理

        將材料置于智能型雙平板導(dǎo)熱系統(tǒng)測(cè)定儀中,采用穩(wěn)態(tài)測(cè)量,只有在冷板、熱板和護(hù)板達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱平衡的條件下,才能得到正確的結(jié)果。按照一維穩(wěn)態(tài)傳熱方程,熱板加熱器產(chǎn)生的熱量通過試件傳遞到冷板,并由冷板的循環(huán)水等工質(zhì)傳遞到系統(tǒng)外,形成了一個(gè)熱力循環(huán)。該循環(huán)的熱力方程式如下:

        k=Q×L÷S ÷⊿T

        式中,Q=傳熱量(J),

        K=導(dǎo)熱系數(shù)(W·m-1·K-1),

        L=傳熱試件的厚度(mm),

        S=測(cè)量單元的面積(m2),

        ⊿⊿T = 冷熱板的溫差(℃)

        傳熱試件的厚度在實(shí)驗(yàn)前現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,傳熱量Q以及溫差均通過計(jì)算機(jī)采集,可以推導(dǎo)出相應(yīng)試件的導(dǎo)熱系數(shù)。

        6 實(shí)驗(yàn)方案

        實(shí)驗(yàn)通過對(duì)不同保溫做法和不同保溫材料兩個(gè)方面的研究出發(fā)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到結(jié)論。結(jié)論采用基本的對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行分析、討論,從數(shù)據(jù)出發(fā),遵從數(shù)據(jù),服從客觀事實(shí)。

        6.1 保溫材料——“實(shí)心磚墻”

        (1)在穩(wěn)態(tài)傳熱性能測(cè)定系統(tǒng)中,用實(shí)心磚做一面長1.5m,高1.5m的二四磚墻,確定測(cè)量溫度。

        (2)設(shè)定冷室、熱室溫度:在計(jì)算機(jī)應(yīng)用界面輸入熱室溫度,由計(jì)算機(jī)進(jìn)行溫度自動(dòng)控制。

        (3)實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為24小時(shí):進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,得到實(shí)心磚墻的傳熱系數(shù)。

        6.2 保溫做法——“外墻聚合物水泥聚苯保溫板做法”

        在施工前,對(duì)基層墻體進(jìn)行清理、修補(bǔ),在已有實(shí)心磚墻基礎(chǔ)上鋪設(shè)保溫板。選擇聚苯乙烯保溫板,用釘子將保溫板固定在實(shí)心磚墻上,再在聚苯乙烯保溫板上埋置玻璃纖維網(wǎng)布,將聚合物水泥砂漿抹在玻璃纖維網(wǎng)布上,抹灰厚度10mm左右為宜,使其起到保護(hù)保溫板的作用。

        待墻體達(dá)預(yù)定強(qiáng)度之后,在穩(wěn)態(tài)傳熱性能測(cè)定系統(tǒng)中測(cè)定不同溫度下“外墻聚合物水泥聚苯保溫板做法”墻體傳熱系數(shù)。

        7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

        7.1 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定

        經(jīng)測(cè)定:聚苯乙烯保溫板(XPS)熱導(dǎo)系數(shù)為0.036671(W·m-1·K-1),普通保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.044634(W·m-1·K-1)。兩者相比較,聚苯乙烯保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)更低,說明聚苯乙烯保溫板相較普通保溫板具有更好的保溫隔熱性,其原因是由于聚苯乙烯保溫板中充滿空氣的團(tuán)孔結(jié)構(gòu),阻止了熱量的傳播。同時(shí),聚苯乙烯保溫板還有質(zhì)量輕、有足夠的能力通過改變和回復(fù)形狀對(duì)外界沖擊力進(jìn)行緩沖,抗沖擊能力良好、低吸水性等優(yōu)點(diǎn)。

        7.2 墻體傳熱系數(shù)測(cè)定

        根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示實(shí)心粘土磚墻在25℃熱箱、-5℃冷箱條件下導(dǎo)熱系數(shù)為1.252295W·m-2·K-1;30℃熱箱、-5℃冷箱條件下導(dǎo)熱系數(shù)為1.473443W·m-2·K-1;20℃熱箱、-5℃冷箱條件下導(dǎo)熱系數(shù)為1.612295W·m-2·K-1,隨著熱箱溫度的升高,導(dǎo)熱系數(shù)先是降低,然后升高,在20℃左右時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最大值。在使用了聚苯乙烯保溫板后,墻體的導(dǎo)熱系數(shù)都產(chǎn)生了下降:其中在20攝氏度時(shí)下降最為明顯,由1.612295W·m-2·K-1下降到1.028765W·m-2·K-1。所以在使用了聚苯乙烯保溫材料后,墻體的保溫性能得到了提高。

        8 結(jié)語

        通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定,在受到相同溫度下,鋪設(shè)保溫板的實(shí)心墻體保溫比未鋪設(shè)保溫板的實(shí)心墻體保溫性能更加;同時(shí)可以得到,聚苯乙烯保溫板與普通保溫板相較,是更好的保溫材料。該實(shí)驗(yàn)結(jié)論可在實(shí)際建筑工程中得到應(yīng)用。當(dāng)然,由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限,未能比較更多墻體做法和材料的保溫性能,在今后的研究中,還可以從空心墻體出發(fā)進(jìn)行研究。

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