外保溫釘粘部位對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的影響

■ 楊麗萍 Yang Liping 閆增峰 Yan Zengfeng朱惠英 Zhu Huiying

0 引言

隨著建筑節(jié)能工作的不斷深入，外墻外保溫改造中,外保溫板的粘貼需要通過錨固釘?shù)葮?gòu)件固定，而這一構(gòu)件是否會(huì)影響到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，進(jìn)而影響室內(nèi)熱環(huán)境仍需要進(jìn)行深入研究。

1 典型現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況

1.1 測(cè)試對(duì)象及測(cè)試時(shí)間、地點(diǎn)

基于本課題研究目的，測(cè)試對(duì)象為某大學(xué)新建研究生高層公寓，建筑整體為全框架剪力墻結(jié)構(gòu)，外墻采用外保溫形式，外墻剪力墻部分為鋼筋混凝土外貼XPS保溫板，非剪力墻及填充墻部位為蒸汽加氣混凝土（ρ=700kg/m3）外貼XPS保溫板砌筑，具體構(gòu)造如圖1所示。外窗采用塑鋼窗，單框中空玻璃，中間空氣層厚度為60mm，傳熱系數(shù)K=2.80W/（m2·K）。整個(gè)建筑體型系數(shù)，，窗墻面積比分別為：東、西向:0.26<[0.3]，南向：0.30<[0.35]，北向：0.19<[0.3]。

測(cè)試時(shí)間為2009年12月6日19∶00-12月7日20∶00，期間為西安冬季典型的多云間陰天氣，氣溫晝夜差異明顯，是典型的寒冷地區(qū)冬季氣候。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的主要內(nèi)容是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)熱工性能參數(shù)，包括室內(nèi)外空氣溫度、被測(cè)壁體內(nèi)外表面溫度、室內(nèi)外的相對(duì)濕度、被測(cè)壁體表面溫度場(chǎng)分布等。所使用的儀器主要有: TRlog溫度計(jì)、四通道數(shù)位式溫度計(jì)、FLIR T400型紅外熱像儀。為了不影響紅外熱成像法的使用，并避免太陽輻射、風(fēng)速、背景輻射等各項(xiàng)外界因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾，實(shí)驗(yàn)盡量選擇在背陽面，無太陽光直射的區(qū)域進(jìn)行，考慮到西安地區(qū)冬季多為連陰天氣，連續(xù)測(cè)量24h，使用TRlog溫度計(jì)、四通道數(shù)位式溫度計(jì)及FIRL T400紅外熱像儀對(duì)所選區(qū)域進(jìn)行連續(xù)拍攝、測(cè)試工作，溫度計(jì)每隔15min記錄一次數(shù)據(jù)，紅外熱像儀每隔1h記錄一次。

測(cè)試時(shí)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 接觸法數(shù)據(jù)整理分析

在測(cè)試過程中，由于所使用的TRlog溫度計(jì)、四通道數(shù)位式溫度計(jì)測(cè)點(diǎn)過密，電池消耗過快，加之，測(cè)試人員忽略了電池的更換，致使室外空氣溫濕度、室內(nèi)壁面溫度等部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，但是鑒于此次實(shí)驗(yàn)?zāi)康膬H在于室內(nèi)外壁面數(shù)據(jù)的對(duì)比，而不是周期對(duì)比，因此通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)亦足夠進(jìn)行相應(yīng)的研究分析。

由圖3可知，既有數(shù)據(jù)中室內(nèi)溫度最高為24℃，室內(nèi)外各測(cè)點(diǎn)溫度較為穩(wěn)定。室外壁面溫度最低點(diǎn)出現(xiàn)在7日上午10點(diǎn)57分（3.3℃）的正常保溫墻面T4處，這是因?yàn)?日當(dāng)天上午天氣突變，偶有零星雨夾雪。而室外氣候的驟變，也導(dǎo)致室外壁面溫度呈現(xiàn)低谷狀態(tài)。當(dāng)然，室內(nèi)外壁面溫差越大表明此處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能越良好；而室外錨釘測(cè)試點(diǎn)中，錨釘處T3測(cè)點(diǎn)的溫度均明顯高于錨釘處T1，可見此處保溫板錨釘所帶來的影響較大，向室外傳遞熱量較多，由此可知保溫板錨釘處容易成為熱流密集現(xiàn)象；室外壁面平均溫度與室內(nèi)壁面平均溫度相差16.6℃，這一溫差條件亦符合紅外熱像儀拍攝熱輻射圖像時(shí)所需的使用條件。因此，筆者就保溫板錨釘所形成熱流密集現(xiàn)象，拍攝相應(yīng)的紅外熱圖像，并進(jìn)行相應(yīng)的分析研究。

2.2 紅外熱成像法數(shù)據(jù)整理分析

從圖4可以看出，室內(nèi)壁面溫度場(chǎng)分布較為均勻，基本無溫差變化。而圖5、圖6的紅外圖譜可明顯看出保溫板安裝固定所留下的錨固釘外形，且溫差變化明顯，普查整個(gè)墻面，這種外保溫錨固釘紅外圖像明顯的現(xiàn)象普遍存在于整棟建筑的各個(gè)立面。12月7日6時(shí)室內(nèi)表面溫度基本維持在22.7℃左右，拍攝視野范圍內(nèi)最高溫度為23.0℃，最低溫度值為22.0℃。而對(duì)比相應(yīng)時(shí)刻的室外壁面，可以發(fā)現(xiàn)，視野范圍內(nèi)4個(gè)錨固釘呈現(xiàn)高溫，整個(gè)范圍內(nèi)最高溫度值為10.1℃，最低溫度值為6.4℃，平均溫度為7.1℃左右。

2.3 紅外熱成像法測(cè)溫的精確性判斷

紅外熱成像法受外界因素影響較多，在測(cè)試中我們需要判斷其檢測(cè)的精確性。傳統(tǒng)的接觸式熱電偶測(cè)溫法作為國際認(rèn)可的檢測(cè)方法，其測(cè)溫精確度不言而喻。作者需要對(duì)相同時(shí)刻的非接觸式紅外熱成像法與傳統(tǒng)的接觸式熱電偶法之間的測(cè)溫誤差進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而對(duì)紅外熱成像法在節(jié)能檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展提出建議。

測(cè)試所選取的時(shí)間點(diǎn)為不受太陽輻射以及周圍環(huán)境影響的夜間，圖中的單點(diǎn)為特征點(diǎn)T3，通過紅外熱像儀專用的分析軟件FLIRQuickViewer和QuickReporter的分析，并將所測(cè)的錨釘處的最高溫點(diǎn)與對(duì)應(yīng)時(shí)刻特征點(diǎn)的熱電偶測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較（表1），可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)區(qū)域的最高溫度點(diǎn)為8.7℃，平均溫度為6.8℃，特征點(diǎn)T3的最高溫度為9.5℃，對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)的接觸式熱電偶法，特征點(diǎn)T3處的溫度值為8.9℃，測(cè)試的平均溫度值為7.7℃。

表1 熱電偶法與紅外熱成像法測(cè)溫誤差比較

在所選取的4個(gè)特征點(diǎn)中，特征點(diǎn)T4為無錨釘?shù)膮^(qū)域，其余三點(diǎn)均為紅外熱圖像中的“熱斑區(qū)”。通過表1計(jì)算所得到的二種方法的測(cè)溫誤差可見，紅外熱成像法與傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫法測(cè)溫相比，其測(cè)溫誤差較小，僅在區(qū)域平均溫度處看到二者的差異，紅外熱成像法所拍攝到的整個(gè)區(qū)域平均溫度基本等于所取的特征點(diǎn)T4的溫度值，而接觸式測(cè)溫的平均溫度值卻是通過所測(cè)試點(diǎn)溫度值的數(shù)學(xué)平均所得，由此可見，傳統(tǒng)的接觸式“以點(diǎn)代面”測(cè)溫方式存在諸多不足，同時(shí)也證明了紅外熱成像法在建筑節(jié)能檢測(cè)領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用前景。

3 平均傳熱系數(shù)的計(jì)算

建筑節(jié)能設(shè)計(jì)需要嚴(yán)格控制以下指標(biāo)：建筑物耗熱量指標(biāo)qH、建筑物體形系數(shù)S、不同朝向的窗墻面積比、各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值Km等，只有這些指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限定范圍，才能稱之為節(jié)能建筑。而在這些指標(biāo)中，外墻平均傳熱系數(shù)Km是影響建筑物節(jié)能效果的重要的熱工性能指標(biāo)和控制指標(biāo)之一[1][2]。

3.1 平均傳熱系數(shù)的計(jì)算方法

Km是指外墻包括主體結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)性熱橋（構(gòu)造柱、圈梁、樓板伸入外墻部分等）部位在內(nèi)的各部分傳熱系數(shù)平均值。當(dāng)主體與周邊熱橋采用不同材料或當(dāng)外墻采用內(nèi)保溫時(shí)，熱橋部位的傳熱系數(shù)往往會(huì)大于主體，因此，在實(shí)際工程中所沿用的均為Km。

我國《標(biāo)準(zhǔn)》要求外墻Km應(yīng)小于或等于其所規(guī)定的限值。常用的面積加權(quán)法的基本計(jì)算思路[3]是將外墻主體部位和周邊熱橋部位的一維傳熱系數(shù)按其對(duì)應(yīng)的面積加權(quán)平均。對(duì)于內(nèi)隔墻、樓板等部位,計(jì)算其一維傳熱系數(shù)時(shí),不考慮內(nèi)墻和樓板伸出外墻內(nèi)表面的部分,僅考慮與外墻同樣厚度但構(gòu)造不同的平板的一維傳熱系數(shù)。

式中:

Km—外墻的平均傳熱系數(shù)，W/m2·K;

Kp—外墻主體部位的傳熱系數(shù)，W/m2·K;

Fp—外墻主體部位的面積，m2;

KB1、KB2、KB3—外墻周邊熱橋部位傳熱系數(shù)，W/m2·K;

FB1、FB2、FB3—外墻周邊熱橋部位的面積，m2。

由于被測(cè)對(duì)象所處于寒冷地區(qū)，按照節(jié)能要求冬季需要重點(diǎn)考慮保溫，兼顧夏季隔熱，且在《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（陜西省實(shí)施細(xì)則）規(guī)范中也被明確劃分在陜西省熱工三區(qū)。

通過調(diào)查與相關(guān)圖紙的計(jì)算，得到鋼筋混凝土外墻貼40mm厚XPS保溫板部位的平均傳熱系數(shù)K鋼筋混凝土部位=0.613W/（m2·K），（K＜[0.7 W/（m2·K）]）；加氣混凝土墻外墻貼40mm厚XPS保溫板部位的平均傳熱系數(shù)K加氣混凝土部位=0.355W/（m2·K）＜[0.7W/（m2·K）]，整體外墻的平均傳熱系數(shù)，Km=0.59W/（m2·K）＜[0.7 W/（m2·K）]。由此可見，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均熱阻R及整體的平均傳熱系數(shù)Km均符合《陜西省建筑節(jié)能設(shè)計(jì)導(dǎo)則》和《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)陜西省實(shí)施細(xì)則》的限定要求。

3.2 錨固釘對(duì)傳熱系數(shù)的影響

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的計(jì)算大多采用平均傳熱系數(shù)，梁、柱等熱橋區(qū)域采用的是線傳熱系數(shù)。針對(duì)所測(cè)試的對(duì)象，其雖為全框架剪力墻結(jié)構(gòu)，但在部分區(qū)域仍然使用了加氣混凝土砌塊，且外圍護(hù)結(jié)構(gòu)沿厚度方向的尺寸底部第一層最厚，上部墻厚逐層減少。就被測(cè)區(qū)域而言（圖1），僅為加氣混凝土砌塊的構(gòu)造墻面，且被測(cè)面積較小，錨固釘?shù)日辰Y(jié)部位所占面積相對(duì)整體建筑較小。

根據(jù)資料顯示，錨固釘?shù)囊?guī)格分別是8 mm×80 mm、8×100 mm、8 mm×120 mm、8 mm×135 mm以及8 mm×142mm，針對(duì)該建筑的具體構(gòu)造形式而言，使用8 mm×100 mm的錨固釘，在一塊面積為1000mm×900mm的保溫板上建立4個(gè)錨固釘(導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.004W/(m2·K)，其面積共為100.48 mm2，約占保溫板總面積的0.0112%，根據(jù)公式（1）計(jì)算被測(cè)區(qū)域處的平均傳熱系數(shù)為K1=0.355014W/(m2·K)，而如果忽略掉錨固釘所占面積，并按照常規(guī)面積加權(quán)法計(jì)算得到的該被測(cè)對(duì)象的平均傳熱系數(shù)為K1=0.355W/(m2·K)，對(duì)比可見，K1與K2之間相差微小。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，工程中都是根據(jù)建筑承重結(jié)構(gòu)的材料、尺寸以及外保溫板的類型、厚度選擇錨固釘?shù)某叽?，因此，在其他條件不改變，僅將外保溫板改為1000mm×600 mm的情況下，再次計(jì)算得到：錨固釘所占面積約為0.0167%，被測(cè)區(qū)域處的平均傳熱系數(shù)為K3=0.35508W/(m2·K)，與K2相比差值依然微小。

4 結(jié)論與展望

通過對(duì)紅外熱成像法與傳統(tǒng)的熱電偶接觸法對(duì)比測(cè)試外墻外保溫錨固釘，研究、分析計(jì)算后，得到以下結(jié)論：

（1）紅外熱成像法測(cè)溫技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)熱電偶測(cè)溫法“以點(diǎn)代面”測(cè)溫的不足，可以測(cè)到整個(gè)被測(cè)物體表面的溫度場(chǎng)分布情況，這為利用其修正外保溫釘粘部位對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的影響提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)及分析，外墻保溫板錨固釘?shù)拇嬖趯?duì)所測(cè)建筑物整體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能的影響極小，這對(duì)外墻外保溫技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中具有一定的借鑒價(jià)值。

由于外墻外保溫技術(shù)在材料、尺寸、厚度、施工技術(shù)等方面存在很多可變性，本文只針對(duì)其中的一種保溫板進(jìn)行了研究，研究尚存在不足，有待日后做更進(jìn)一步的深入研究。

[1] JGJ 26-95.《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1995.

[2] 張杰,吳保華,張耀勝.節(jié)能設(shè)計(jì)中外墻平均傳熱系數(shù)計(jì)算分析[J].低溫建筑技術(shù)，2003(4):69-70.

[3] 范蕊,趙群,趙立華. 復(fù)合墻體平均傳熱系數(shù)計(jì)算單元的研究[J].低溫建筑技術(shù)，2003(2):62-64.