文/張競(jìng)一、蘭鑫 指導(dǎo)教師 張?jiān)ゴ?蘭州大學(xué) 甘肅省 蘭州市 730107

外墻內(nèi)外保溫性能的研究

文/張競(jìng)一、蘭鑫 指導(dǎo)教師 張?jiān)ゴ?蘭州大學(xué) 甘肅省 蘭州市 730107

研究外墻內(nèi)保溫和外保溫在傳熱性能上的差異，用ansys軟件建立一個(gè)簡(jiǎn)單的框架模型，分別做出保溫層在外墻內(nèi)和保溫層在外墻外的不同熱量傳遞圖，并基于熱量傳遞圖進(jìn)行以下分析：1、總的傳熱差值在不同起始室外溫度下的變化。2、具有不同熱傳導(dǎo)系數(shù)的不同材料在內(nèi)外保溫時(shí)的熱量變化差異。并結(jié)合上述分析對(duì)不同氣候環(huán)境下的保溫措施提出意見(jiàn)。

外墻內(nèi)保溫；外墻外保溫；導(dǎo)熱系數(shù)；傳熱

1、引言：

建筑節(jié)能是本世紀(jì)我國(guó)建筑業(yè)的一個(gè)重要的課題，而發(fā)展內(nèi)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。此次國(guó)家創(chuàng)新項(xiàng)目，我們將對(duì)內(nèi)外兩種保溫形式建立模型，從傳熱性的角度進(jìn)行理論對(duì)比分析。

2、研究背景及發(fā)展現(xiàn)狀：

人們生活質(zhì)量大幅提升的社會(huì)，對(duì)結(jié)構(gòu)物的要求已經(jīng)不僅僅局限在穩(wěn)定性上，對(duì)節(jié)約能源與保護(hù)環(huán)境的需求更為強(qiáng)烈，基于此，墻體內(nèi)外保溫技術(shù)的合理改進(jìn)極為重要。

3、理論分析過(guò)程：

3.1 內(nèi)保溫和外保溫的優(yōu)缺點(diǎn)比較：

經(jīng)過(guò)一些考察和資料查閱，首先對(duì)內(nèi)外保溫的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比。

（一）外保溫

優(yōu)點(diǎn)：

1.“熱橋”指的是在內(nèi)外墻交界處、構(gòu)造柱、外墻與樓板、外墻角、框架梁、門(mén)窗洞口以及屋頂與外墻交界等部位，在室內(nèi)外溫差的作用下，形成熱流相對(duì)密集、內(nèi)表面溫度較低的區(qū)域。對(duì)于內(nèi)保溫而言，大部分“熱橋”是不可以處理的。而外保溫結(jié)構(gòu)中導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)低的保溫材料將建筑全面包覆起來(lái)，從而消除了“熱橋”。

2.正是由于外保溫材料的保護(hù)，蒸汽一般很難滲入主體結(jié)構(gòu)墻體，從而使其不會(huì)發(fā)生冷凝現(xiàn)象，墻體的潮濕情況因此得到改善。同時(shí)，外保溫墻體蓄熱能力較大的結(jié)構(gòu)層在保溫層內(nèi)側(cè)，因此當(dāng)室內(nèi)受到不穩(wěn)定熱作用時(shí)，墻體結(jié)構(gòu)層可以吸收或釋放熱量，從而有利于保持室溫穩(wěn)定。

3.外保溫材料可以提高墻體的防水功能和氣密性，同時(shí)緩沖了因溫度變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的應(yīng)力，也避免了外界惡劣氣候條件對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞，起到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)了其使用壽命的作用。

缺點(diǎn)：

1.由于室外施工，受氣候條件影響大，所以需要搭設(shè)腳手架，施工難度大。

2.被隔熱體系被置于外墻外側(cè)的外保溫層，直接承受來(lái)自自然界的各種影響，比如刮大風(fēng)時(shí)常常吹落保溫層，出現(xiàn)開(kāi)裂空鼓等質(zhì)量問(wèn)題。因此，它對(duì)外保溫層的耐久性，材料和施工要求高，因此增加了建筑整體造價(jià)。

（二）內(nèi)保溫

優(yōu)點(diǎn)：

1.由于室內(nèi)施工，受氣候影響小，而且內(nèi)保溫材料被樓板所分隔，又僅在一個(gè)層高范圍內(nèi)施工，所以不用搭設(shè)腳手架，對(duì)建筑外墻垂直度要求也不高，因而施工速度快、成本低。

2.同時(shí)，它對(duì)飾面和保溫材料的防水、耐候性等技術(shù)性指標(biāo)的要求不高，取材方便。

缺點(diǎn)：

1.由于內(nèi)保溫不能隔斷梁、橫墻與柱子在墻體中形成的熱橋，因而不可能杜絕由于熱橋存在而帶來(lái)的熱損失，保溫隔熱性能差。同時(shí)，由于熱橋保溫處理困難，易出現(xiàn)冷凝、結(jié)露現(xiàn)象。而結(jié)露水的浸漬或凍融極易造成保溫隔熱墻面發(fā)霉、開(kāi)裂，使墻體變形，影響耐久性和舒適度。

（三）總體保溫隔熱性能方面比較：

外保溫墻體內(nèi)部所受到的溫度應(yīng)力要比內(nèi)保溫小，因?yàn)楫?dāng)采用外保溫時(shí)，室外的熱流和冷氣被保溫材料都被攔截在室外，從而使得主體墻受室外空氣溫度的影響較?。欢鴥?nèi)保溫不能室外的熱流和冷氣被保溫材料攔截在室外而進(jìn)入墻體內(nèi)部，因而墻體所受溫度應(yīng)力大，相應(yīng)的保溫隔熱性能差，易于產(chǎn)生裂縫。在熱橋部位處理上，前已提及，外保溫能夠消除熱橋，而內(nèi)保溫基本不能夠消除熱橋，這就大大降低了內(nèi)保溫墻體的保溫隔熱性能。

可以看出，在保溫性能上，外保溫明顯高于內(nèi)保溫，因此對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以有一個(gè)初步預(yù)測(cè)。但在墻外起始溫度不同的情況下，外保溫所增加的保溫?zé)崃坑卸啻蟆Ｒ簿褪钦f(shuō)，在寒冷北方地區(qū)，溫度較溫和的地區(qū)，和南方夏季高溫地區(qū)，內(nèi)保溫和外保溫差異究竟有多大，在什么溫度范圍內(nèi)的內(nèi)外保溫效果差別不大，不同材料又是否有什么變化，以下是遞進(jìn)的分析過(guò)程。

3.2 保溫層起到的作用有多大：

在實(shí)驗(yàn)的初期，首先用一面墻為例，分析保溫層的有無(wú)引起的熱量變化情況。我們選取起始溫度為25度，歷經(jīng)24小時(shí)，看一面墻的溫度傳遞情況。

我們得到以下幾點(diǎn)

（1）有保溫層的熱量損失明顯低于沒(méi)有保溫層，可見(jiàn)保溫措施的重要性。

（2）有保溫層的模擬墻體在初期溫度變化緩慢，而當(dāng)穿越保溫層后溫度變化加快 ；沒(méi)有保溫層的墻體在初期變化速度快，而后期內(nèi)外溫差減小，變化速度相對(duì)緩慢。

3.3.1 外墻內(nèi)外保溫在起始室外溫度不同情況下的保溫差異（同種材料下）

首先我們的基本參數(shù)設(shè)置為：以eps保溫板為保溫材料，起始室內(nèi)溫度統(tǒng)一為恒量20度，歷時(shí)4小時(shí)。在此情況下，以零下10度為最低溫度，零上30度為最高溫度，測(cè)量了：-20，-10，0 ，10，15 ， 25， 30幾個(gè)室外溫度下內(nèi)外保溫的墻體溫度變化（由于室內(nèi)外同為20度時(shí)無(wú)法分析，所以跳過(guò)20度。）

以零度內(nèi)外保溫差異熱量圖為例：

室外0度時(shí)候內(nèi)保溫?zé)崃孔兓?/p>

室外0度時(shí)候外保溫?zé)崃孔兓?/p>

內(nèi)保溫24小時(shí)內(nèi)溫度變化

外保溫24小時(shí)內(nèi)溫度變化

其他溫度時(shí)候截止溫度變化見(jiàn)表格：

室外溫度內(nèi)保溫室內(nèi)溫度外保溫室內(nèi)溫度該溫度下內(nèi)外保溫差值-20 7.183 18.428 11.245 -10 10.387 18.821 8.434 0 13.591 19.214 5.623 10 16.796 19.607 2.811 15 18.398 19.834 1.436 25 21.602 20.166 1.436 30 23.204 20.393 2.811

從表格中我們可以看出以下幾點(diǎn)

（1）和外墻內(nèi)保溫相比，無(wú)論在何種溫度下，外墻外保溫的保溫隔熱性能都明顯高于外墻內(nèi)保溫，而且室內(nèi)外溫差越大，差異越明顯。

（2）在 零上10到零上30度，內(nèi)外保溫差異已經(jīng)縮小為少于三度。

（3）內(nèi)保溫24小時(shí)內(nèi)溫度變化為曲線，而外保溫區(qū)域斜率不變的直線（除起始部分）

3.3.2 外墻內(nèi)外保溫的差異（不同種材料下對(duì)比）

目前市場(chǎng)上常用的保溫材料有等，不同的保溫材料具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，我們又以xps導(dǎo)熱系數(shù)為差異進(jìn)行了是外-20度室內(nèi)20度時(shí)候的情況，進(jìn)行了如下對(duì)比。

Eps Xps內(nèi)保溫 7.183 7.281外保溫 18.428 18.671

可以看出雖然差異不大，但是xps保溫性能稍好一些

4、結(jié)論

內(nèi)保溫和外保溫各有其優(yōu)缺點(diǎn)，所以在選擇保溫模式時(shí)候應(yīng)該按照具體不同情況選擇不同保溫措施，因此我們給出如下的參考意見(jiàn)。

在不考慮氣候，濕度，施工難度等因素的影響下，單純的以保溫隔熱的效果來(lái)看我們建議采用外墻外保溫的保溫模式，因?yàn)樗陌裁娲?，保溫效果明顯。

但是介于上述分析過(guò)程中體現(xiàn)的外墻外保溫存在的一些弊端和施工難度，我們提議，在四季溫差不大，室內(nèi)外溫差不大的氣候環(huán)境下，鼓勵(lì)提倡外墻內(nèi)保溫的保溫措施，尤其是南方潮濕地區(qū)，保溫層容易受到腐蝕破壞，此時(shí)采用外墻內(nèi)保溫模式是對(duì)保溫層的一種保護(hù)。此外，xps與eps保溫性能差異不大，因此可按建筑特性和材料特性選擇，而不必考慮保溫差異，此處不做研究。

1，《外墻的內(nèi)、外保溫優(yōu)劣》.何禹（中國(guó)新興建設(shè)開(kāi)發(fā)總公司，北京 100143）

公式中的ΔCμ表示的為強(qiáng)度增加值，r表示填土重度，而K表示安全系數(shù)，另外Nc表示承載力相關(guān)影響要素。

在進(jìn)行填筑時(shí)，盡量要一次鋪填碾壓之后，地基的強(qiáng)度增長(zhǎng)可以滿足再次鋪填一層的能力，有效應(yīng)用地基強(qiáng)度自身增長(zhǎng)能力，實(shí)現(xiàn)迅速填筑的目的。此種方法能夠把超過(guò)極限填土高度相關(guān)填土進(jìn)行科學(xué)分級(jí)，同時(shí)有效明確填土具體時(shí)間間隔，確保各層填土厚度和地基由固結(jié)從而形成的增長(zhǎng)強(qiáng)度進(jìn)行匹配，這樣就能夠防止分幾級(jí)加載，同時(shí)連續(xù)逐層把路堤填筑到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高度，在一定程度上減小整體填筑時(shí)間，有效降低工后沉降。

（四）施工動(dòng)態(tài)控制

其主要包含兩個(gè)方面，一方面是針對(duì)路基處理方法補(bǔ)充設(shè)計(jì)或者是調(diào)整，另外一方面是針對(duì)填土速率和各個(gè)階段填土高度完成設(shè)計(jì)，并且制定相關(guān)加載方案。首先選擇動(dòng)態(tài)控制相應(yīng)初始參數(shù)，依據(jù)地質(zhì)資料與設(shè)計(jì)資料選擇動(dòng)態(tài)控制需求的相應(yīng)土工參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)。其次填土極限高度的計(jì)算，對(duì)填土極限高度進(jìn)行計(jì)算，加強(qiáng)穩(wěn)定性控制，通常選擇各種加載高度完成試算，其中加載穩(wěn)定性的驗(yàn)算應(yīng)用的為有效應(yīng)力方法，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)利用已知的安全系數(shù)，然后反算出極限高度，試算一直到滿足安全系數(shù)有關(guān)需求位置。在試算結(jié)束之后，這時(shí)獲取的加載高度就是極限高度。而穩(wěn)定計(jì)算方式主要是有效固結(jié)應(yīng)力方法，其主要利用條分方法完成計(jì)算[7］。最后，動(dòng)態(tài)控制計(jì)算編制施工方案，明確第一級(jí)的填土高度，然后綜合分析施工具體狀況選擇相關(guān)加載高度當(dāng)作第一級(jí)的加載高度，或是把施工具體加載流程當(dāng)作第一級(jí)的加載高度，并且設(shè)定多種加載計(jì)劃，從滿足穩(wěn)定性需求，同時(shí)計(jì)算沉降。

（五）處理主固結(jié)沉降

針對(duì)相對(duì)比較后厚的軟土層，通常發(fā)生的變形沉降是主固結(jié)造成的。而深厚層軟土地基發(fā)生主固結(jié)變形并非同步產(chǎn)生的，主要是慢慢發(fā)展的。由于深部軟土設(shè)置的排水距離比較長(zhǎng)，且排水條件相對(duì)偏差，此種狀況下固結(jié)速率和固結(jié)度要比表層軟土低，因此對(duì)于深厚軟土地基而言，在軟基處理過(guò)程中，一定要利用超載預(yù)壓和增大排水設(shè)備深度等措施，有效防止發(fā)生主固結(jié)沉降。

結(jié)束語(yǔ)：

軟土地基在路基工后沉降主要因?yàn)槁坊钔翂好芎托熊?chē)造成基床下沉與軟土地基發(fā)生路基工后的沉降等問(wèn)題。依據(jù)鐵路工程路基填筑標(biāo)準(zhǔn)，要求填土壓密下沉發(fā)生的工后沉降應(yīng)該占據(jù)路堤高度0.2至0.3%，列車(chē)荷載發(fā)生基床下沉大致為1mm。因?yàn)殍F路工程沉降的限制數(shù)值相對(duì)偏小，所以工后沉降計(jì)算一定要精確，必須有效提升計(jì)算精度，并且綜合分析軟土條件，保證鐵路工程工后沉降可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

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