建筑外墻保溫節(jié)能研究

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，而建筑物外墻圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)的改進，保溫材料的更新對社會及建筑能耗的降低具有極其重大的意義。本實驗建立實際測定模型，在實際墻體中進行試驗，利用MWT-1515穩(wěn)態(tài)傳熱性能測定系統(tǒng)測定實驗墻體的傳熱系數(shù)和利用智能型雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測定不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)，分析墻體保溫能力。將實驗結(jié)論推廣到實際工程應(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，對建筑物圍護結(jié)構(gòu)和采暖系統(tǒng)進行控制。隨著生產(chǎn)力的飛速發(fā)展，各國工業(yè)化進程的不斷加快，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環(huán)境產(chǎn)生諸多不良影響。建設(shè)資源節(jié)約型社會，是我國重大戰(zhàn)略決策，建筑節(jié)能在我國經(jīng)濟發(fā)展中占有重要地位，直接關(guān)系到社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。建筑節(jié)能是執(zhí)行國家環(huán)境保護和節(jié)約能源政策的主要內(nèi)容，是貫徹國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。國家建設(shè)部出臺了一系列的節(jié)能政策、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和強制性條文，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)的一個重要的研究課題。在建筑中，外圍護結(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)外保溫材料以無機材料為主體。近年來在建筑保溫領(lǐng)域呈現(xiàn)較強的發(fā)展態(tài)勢，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)生給人民財產(chǎn)和經(jīng)濟造成重大損失，并造成一定的社會恐慌和環(huán)境污染。在火災(zāi)中有機材料所產(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相宣傳、推廣項目。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進一步蔓延都是很重要的。一些火災(zāi)的發(fā)生，使人們對整個外墻保溫形成信任危機，外墻保溫又一次成為焦點。隨著各地節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的提高及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程的施行，外墻保溫作為圍護結(jié)構(gòu)保溫的一個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

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價

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，可以保證施工進度。內(nèi)保溫應(yīng)用時間較長，技術(shù)成熟，施工技術(shù)及檢驗標(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)保溫會多占用使用面積，“熱橋”問題不易解決，容易引起開裂，還會影響施工速度，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，保護了主體結(jié)構(gòu)，且不占室內(nèi)使用空間，具備綜合經(jīng)濟效益高等優(yōu)點被建設(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，有待于進一步完善解決。外墻外保溫的優(yōu)點：

（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，不會對墻體承重結(jié)構(gòu)造成危害；

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

5 實驗原理

5.1 墻體傳熱系數(shù)測定原理

墻體傳熱系數(shù)的測定是通過MWT-1515穩(wěn)態(tài)傳熱性能測定系統(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)過一段時間后，兩面墻體的溫度將會逐步趨于穩(wěn)定，實驗持續(xù)24小時之后，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)測定原理

將材料置于智能型雙平板導(dǎo)熱系統(tǒng)測定儀中，采用穩(wěn)態(tài)測量，只有在冷板、熱板和護板達(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=測量單元的面積（m2），

⊿⊿T = 冷熱板的溫差（℃）

傳熱試件的厚度在實驗前現(xiàn)場測量，傳熱量Q以及溫差均通過計算機采集，可以推導(dǎo)出相應(yīng)試件的導(dǎo)熱系數(shù)。

6 實驗方案

實驗通過對不同保溫做法和不同保溫材料兩個方面的研究出發(fā)從實驗數(shù)據(jù)中得到結(jié)論。結(jié)論采用基本的對比試驗進行分析、討論，從數(shù)據(jù)出發(fā)，遵從數(shù)據(jù)，服從客觀事實。

6.1 保溫材料——“實心磚墻”

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

（2）設(shè)定冷室、熱室溫度：在計算機應(yīng)用界面輸入熱室溫度，由計算機進行溫度自動控制。

（3）實驗時間設(shè)定為24小時：進行數(shù)據(jù)采集，得到實心磚墻的傳熱系數(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，對基層墻體進行清理、修補，在已有實心磚墻基礎(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，使其起到保護保溫板的作用。

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

7 實驗數(shù)據(jù)分析

7.1 導(dǎo)熱系數(shù)測定

經(jīng)測定：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孔結(jié)構(gòu)，阻止了熱量的傳播。同時，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)形狀對外界沖擊力進行緩沖，抗沖擊能力良好、低吸水性等優(yōu)點。

7.2 墻體傳熱系數(shù)測定

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)顯示實心粘土磚墻在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，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

通過實驗測定，在受到相同溫度下，鋪設(shè)保溫板的實心墻體保溫比未鋪設(shè)保溫板的實心墻體保溫性能更加；同時可以得到，聚苯乙烯保溫板與普通保溫板相較，是更好的保溫材料。該實驗結(jié)論可在實際建筑工程中得到應(yīng)用。當(dāng)然，由于實驗數(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)進行研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳雪梅，劉元正，鐘華，李濤.?；⒅楸厣皾{的制備方法及影響因素研究[J].新型建筑材料，2015（11）.

[2] 倪虹，牟磊.借鑒國外經(jīng)驗促進建筑節(jié)能[J].節(jié)能，2002（05）.

[3] 張壘，趙同亮.淺析節(jié)能技術(shù)建筑外墻外保溫[J].科技致富向?qū)В?2010（18）.

[4] 仲兆北.論外墻保溫系統(tǒng)對建筑節(jié)能應(yīng)用及發(fā)展的重要性[J].山西建筑，2012（05）.