夾芯墻在夏熱冬冷地區(qū)的推廣研究

唐響亮 鄧 智

(1.湖南文理學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，湖南常德 415000;2.遠(yuǎn)大住宅工業(yè)有限公司，湖南長沙 410000)

我國是一個能源消耗大國，而在能源消耗中，建筑耗能占了相當(dāng)大的比例。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)［1］，我國建筑行業(yè)每年平均以20億m2左右的速度發(fā)展，真正達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的還不到5%，其余95%以上都是高耗能建筑，在既有的建筑當(dāng)中，95%以上都是高能耗建筑。建筑業(yè)的耗能量，已經(jīng)占到全社會終端耗能量的27%。為了我國的可持續(xù)發(fā)展，建筑節(jié)能勢在必行。夏熱冬冷地區(qū)共涉及16個省、自治區(qū)、直轄市，約5.5億人口，國民生產(chǎn)總值約占全國的48%。該地區(qū)氣候的顯著特點是夏季濕熱、冬季干冷、晝夜溫差小、年降水量大、日照偏小，該地區(qū)最冷月平均溫度0℃～10℃，最熱月平均溫度25℃～35℃［2］。為了滿足舒適性要求，該地區(qū)房屋一年中至少有8個月以上要進(jìn)行采暖降溫處理，為此而消耗掉大量能源。節(jié)能建筑根據(jù)墻體施工工藝的不同，可以分為:內(nèi)保溫節(jié)能，夾芯墻保溫(復(fù)合墻體保溫)節(jié)能，外保溫節(jié)能。三種保溫形式各有優(yōu)缺點，綜合效果最好的是外保溫節(jié)能，夾芯墻保溫(復(fù)合墻體保溫)節(jié)能次之，內(nèi)保溫最差。但外保溫節(jié)能最大的缺點就是成本高，耐久性差，而內(nèi)保溫效果又較差，我國現(xiàn)階段對夾芯墻的研究較少，且主要集中于北方寒冷地區(qū)，在南方夏熱冬冷地區(qū)的不多。為了滿足我國節(jié)能減排要求和建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，同時結(jié)合夾芯保溫節(jié)能墻體的特點和在該地區(qū)研究的空白，在夏熱冬冷地區(qū)進(jìn)行夾芯保溫節(jié)能墻體的研究有著重要意義。

1 夾芯墻體的試驗研究

1.1 墻體熱工性能計算基本理論

在墻體節(jié)能計算中，通常采用傳熱系數(shù)K［W/(m2·K)］值來評價圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計是否符合節(jié)能要求。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K［W/(m2·K)］值的計算:

1)單一材料外墻的總傳熱系數(shù)K值的計算:

其中，R0為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱阻，m2·K/W;R為材料的熱阻，m2·K/W;Ri，Re分別為外墻內(nèi)表面的換熱阻和外表面的換熱阻，m2·K/W，通常取 Ri+Re=0.15 m2·K/W。

2)多層材料外墻的總傳熱系數(shù)K值的計算:

其中，R1，R2，…，Rn均為各層材料的熱阻，m2·K/W。

1.2 墻體熱工性能試驗分析

1)試驗概括。試驗所用材料:砌塊為燒結(jié)多孔磚，尺寸為240 mm×115 mm×90 mm;中間保溫層材料是聚苯乙烯保溫板，厚度為40 mm;拉結(jié)筋直徑為8 mm，做成Z字形;建筑施工常用水泥，砂和石灰;另外還有:鏮—銅電偶，熱流計，黃油，導(dǎo)線，電烙鐵，透明膠布等。試驗設(shè)備包括:北京世紀(jì)建通科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的墻體熱工性能檢測設(shè)備，該檢測裝置由三部分組成:試件架，冷箱和熱箱。試件架的開口面積為1 m2;冷箱的開口面積為1 m2，冷箱溫度控制范圍:－10℃～環(huán)境溫度(環(huán)境溫度在25℃以下)，箱內(nèi)空氣溫度波動不大于±1℃;熱箱開口面積為1 m2，熱箱溫度控制范圍:環(huán)境溫度～40℃，連續(xù)可調(diào)，箱內(nèi)空氣溫度波動不大于±0.5℃。另有一架JTRG-Ⅱ建筑熱工溫度與熱流自動檢測儀。

夾芯墻的施工嚴(yán)格按照GB 50003-2001砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中對夾芯保溫墻體的施工規(guī)范進(jìn)行，墻體的養(yǎng)護(hù)在自然條件下進(jìn)行。

墻體采用對稱夾芯，兩邊對稱砌筑燒結(jié)空心砌塊，中間夾有聚苯乙烯保溫板，并按規(guī)范配有拉結(jié)筋，最后外面兩邊各粉刷一定厚度石灰砂漿，如圖1，圖2所示。

圖1 夾芯墻（一）

圖2 夾芯墻（二）

2)試驗原理。試驗通過熱箱對夾芯墻體加熱，另一邊冷箱對夾芯墻體制冷，致使夾芯墻體兩邊產(chǎn)生溫差，通過兩邊墻體上的鏮—銅電偶測出冷熱面墻體的表面溫度，同時用熱流計測出夾芯墻體在該溫差下的熱流值，最后運用理論公式算出該環(huán)境條件下夾芯墻體的傳熱系數(shù)。試驗中，冷、熱面墻體溫度值以及熱流值，均取墻體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的平均值。

傳熱系數(shù)計算公式:

其中，K為傳熱系數(shù);q為熱流平均值;T1為熱箱面墻體表面各點溫度的平均值;T2為冷箱面墻體表面各點溫度的平均值。本試驗中，墻體的養(yǎng)護(hù)(28 d)以及試驗過程嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行。

2 試驗結(jié)果分析

試驗過程中，夏季墻體外側(cè)的環(huán)境溫度為35℃(冬季溫度為0℃)，墻體內(nèi)側(cè)的環(huán)境溫度為15℃(冬季溫度為20℃)，箱內(nèi)空氣溫度波動不大于±1℃。當(dāng)墻體雙面溫度達(dá)到穩(wěn)定后(波動在允許范圍以內(nèi))，試驗即可結(jié)束。試驗結(jié)果如表1，表2所示。

表1 夏季溫差20℃時墻體傳熱系數(shù)試驗數(shù)據(jù)

表2 冬季溫差20℃時墻體傳熱系數(shù)試驗數(shù)據(jù)

由式(1)～式(3)以及R=1/K，Ri+Re=0.15，可分別算出四種墻體的傳熱系數(shù)K(夏、冬季兩種情況墻體取平均值)分別為:K1=0.854 3 W/(m2·K)，K2=1.030 4 W/(m2·K)，K3=0.703 4 W/(m2·K)，K4=0.924 4 W/(m2·K)。

根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》，墻體的傳熱系數(shù) K≤1 W/(m2·K)時，符合我國現(xiàn)在的建筑節(jié)能要求，于是可以得出:墻1、墻3和墻4滿足夏熱冬冷地區(qū)的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，且夾心墻作為節(jié)能墻體在夏熱冬冷地區(qū)進(jìn)行推廣使用具有可行性。

本試驗采用了夏、冬兩種環(huán)境條件下，測定夾芯墻體的傳熱系數(shù)K，非常真實的反映了現(xiàn)實生活中建筑墻體的所處環(huán)境:夏季墻外側(cè)溫度高，內(nèi)側(cè)溫度低，熱量由外向內(nèi)傳遞，冬季剛好相反。通過對比試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)墻體在相同溫差的條件下，兩種環(huán)境時墻體的傳熱系數(shù)K值沒有明顯差異。對比墻1和墻2的試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，增大保溫材料(聚苯乙烯保溫板)的厚度，墻體的傳熱系數(shù)K將降低:傳熱系數(shù)減小了0.176 1 W/(m2·K)，達(dá)到較好的保溫隔熱效果;對比墻1和墻3、墻2和墻4的試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，同樣可以得出:墻體組成材料厚度不變的條件下，設(shè)置空氣層能夠降低墻體的傳熱系數(shù)，從而改善墻體的節(jié)能效果?？梢姼淖儽夭牧?聚苯乙烯保溫板)的厚度、設(shè)置空氣層等措施能較好改善墻體的保溫隔熱性能，在不改變或者破壞墻體的力學(xué)性能前提下，通過上述兩種措施降低墻體的傳熱系數(shù)具有可行性和有效性。

3 試驗結(jié)果的影響因素

在整個墻體熱工性能測定試驗過程中，我們也進(jìn)行了許多對比試驗:墻體不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)條件下，其傳熱系數(shù)大小的測定;墻體熱橋部位(鋼筋混凝土柱)傳熱系數(shù)以及熱橋周邊墻體傳熱系數(shù)的測定。通過試驗我們發(fā)現(xiàn):墻體自然養(yǎng)護(hù)14 d，21 d和28 d時，傳熱系數(shù)是逐步降低的，其中養(yǎng)護(hù)28 d的墻體對比14 d的墻體，其傳熱系數(shù)降低量可達(dá)到25%以上，而養(yǎng)護(hù)28 d以后，墻體的傳熱系數(shù)變化已經(jīng)非常的小(2%以內(nèi))。通過研究分析我們得出:在不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下，導(dǎo)致墻體傳熱系數(shù)改變的主要原因是墻體組成材料含水量的變化，材料含水量越大，墻體傳熱系數(shù)越大［3］。熱橋部位的傳熱系數(shù)通常非常大，其值不能滿足我國的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，且熱橋?qū)εc其相連墻體的傳熱系數(shù)有增大效應(yīng)。在施工過程中，可以通過采用保溫砂漿等材料降低混凝土柱等構(gòu)件的熱橋效應(yīng)，同時，在熱橋構(gòu)件與墻體連接處加保溫材料(XPS保溫板)，可以顯著降低熱橋?qū)w傳熱系數(shù)的增大影響，試驗表明:混凝土柱和墻體采用保溫材料連接后，在離混凝土柱處30 cm范圍外，墻體表面的溫度和熱流變化趨于穩(wěn)定，熱橋影響的范圍可控制在30 cm以內(nèi)［4］。夾芯墻體傳熱系數(shù)的影響因素較多，但以墻體組成材料的含水量和熱橋構(gòu)件的影響最大，在實際施工過程中，必須考慮這些影響因素，應(yīng)采取措施降低其對墻體熱工性能的影響。

4 結(jié)語

1)夾芯墻體在夏熱冬冷地區(qū)可以達(dá)到建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，在該地區(qū)推廣夾芯墻的使用具有可行性和有效性。2)增加保溫層厚度和設(shè)置空氣層，能夠有效改善夾芯墻體的熱工性能，在不破壞墻體力學(xué)性能前提下，可通過該方法提高墻體的保溫節(jié)能效果。3)夾芯墻體組成材料的含水量和熱橋構(gòu)件對其傳熱系數(shù)影響較大，在實際工程中，必須考慮這些影響因素，但通過采取有效的措施可以降低其對墻體熱工性能的影響。

［1］溫 華.多層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻角熱橋傳熱分析［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)碩士論文，2007:5-7.

［2］付祥釗.夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能技術(shù)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005:13-15.

［3］唐響亮.夏熱冬冷地區(qū)夾心墻的熱濕性研究［D］.長沙:湖南科技大學(xué)碩士論文，2011:53-63.

［4］鄧 智.夏熱冬冷地區(qū)夾心墻混凝土柱熱橋研究［D］.長沙:湖南科技大學(xué)碩士論文，2012:44-49.