節(jié)能理念下分析新型節(jié)能墻體材料在房屋建筑設(shè)計中的應(yīng)用

齊 朋

(中建八局第一建設(shè)有限公司，山東濟南 250000)

充電樁普及之前,空調(diào)系統(tǒng)的用電量一直占據(jù)民用電用量比重的重要地位,即便在今天,實現(xiàn)建筑物節(jié)能設(shè)計,也需要充分考察建筑物墻體的隔熱性能,確保其夏季內(nèi)部降溫過程和冬季內(nèi)部取暖過程中消耗最小的能源[1-2]。早期研究中使用雙層墻體內(nèi)嵌隔熱材料實現(xiàn)磚混結(jié)構(gòu)墻體施工,但此模式墻體厚度一般超過500mm,且其難以與今天的新型建筑物構(gòu)型(如框架剪力墻結(jié)構(gòu)、箍筒鋼架結(jié)構(gòu)、全鋼結(jié)構(gòu)等)實現(xiàn)有效配合[3-4]。所以,在幕墻式建筑構(gòu)型下,使用更輕便、結(jié)構(gòu)強度更高、隔熱性能更好的新型節(jié)能墻體材料,是未來建筑物節(jié)能設(shè)計的重要研究方向[5]。

該研究重點分析了一種新型節(jié)能幕墻材料,在仿真環(huán)境下分析其隔熱性能,進(jìn)而比較其在實際應(yīng)用中的節(jié)能效果。

1 新型節(jié)能幕墻的基本技術(shù)構(gòu)型

新型節(jié)能幕墻材料的現(xiàn)場施工工藝與其他幕墻材料一致,在框架-幕墻結(jié)構(gòu)房屋的框架部分施工完畢后,使用幕墻連接支架施工該幕墻結(jié)構(gòu),構(gòu)成建筑物外墻立面結(jié)構(gòu)。而該幕墻結(jié)構(gòu)分為內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架、端部結(jié)構(gòu)、外飾面、內(nèi)飾面、隔熱層、連接構(gòu)件等,如圖1 所示。

圖1 新型節(jié)能幕墻的基本技術(shù)構(gòu)型Fig.1 Basic technical configuration of new energy saving curtain wall

圖1 中,A 為幕墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架,用于提供幕墻結(jié)構(gòu)的剛性、彈性等結(jié)構(gòu)力學(xué)核心屬性；B 為幕墻結(jié)構(gòu)的外飾面,用于建筑設(shè)計中的外立面表達(dá)過程,一般使用金屬、玻璃、高分子材料、陶瓷等材料實現(xiàn)外飾面設(shè)計；C 為圍繞內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架布置的隔熱材料,一般采用隔熱性能較佳且比重較輕的阻燃棉紗、阻燃聚苯烯等材料；D 為幕墻內(nèi)飾面,用于隔絕內(nèi)部隔熱材料與外界的接觸,起到一定的防火阻燃效果,也起到一定的氣密性效果,延長內(nèi)部隔熱材料及其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)的壽命；E 為連接構(gòu)件,用于將幕墻結(jié)構(gòu)連接到建筑框架結(jié)構(gòu)的幕墻連接構(gòu)件上；F 為幕墻邊框,一般采用金屬材料制成,與內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架一起形成幕墻結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)力學(xué)特征[6]。

早期研究中對新型節(jié)能幕墻的結(jié)構(gòu)力學(xué)特征進(jìn)行了充分研究,該研究重點分析其隔熱性能以及其帶來的節(jié)能表現(xiàn)[7]。對內(nèi)外飾面來說,其自身帶來的阻燃、隔熱性能并不在該研究范圍內(nèi),該研究采用的飾面為8mm 工程陶瓷外飾面,12mm 阻燃高分子材料內(nèi)飾面,通過調(diào)整內(nèi)部隔熱材料總厚度分析幕墻的隔熱性能[8]。

2 內(nèi)部隔熱材料及其對墻體隔熱性能的影響

該研究中選用的阻燃纖維核心骨料為粘膠纖維(Viscose Fibre),經(jīng)過無機高分子阻燃劑進(jìn)行表面處理后壓實,比重為0.720g/cm3,孔隙率43%,構(gòu)建墻板時,其內(nèi)部包裹幕墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架,外立面為陶瓷外飾面板,內(nèi)立面為阻燃高分子材料內(nèi)飾面,框架為高強度鋁合金框架。幕墻板按照2.4×1.2(m) 構(gòu)型,根據(jù)內(nèi)部阻燃纖維層厚度差異,最終設(shè)計厚度選用50、75、105、200、320 mm 共5 種構(gòu)型,其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 新型節(jié)能幕墻結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table 1 Structural parameters of new energy saving curtain wall

表1 中,雖然阻燃纖維的密度僅為0.720g/cm3,遠(yuǎn)低于陶瓷飾面板及金屬框架的比重,但實際重量核算中,發(fā)現(xiàn)當(dāng)幕墻板總厚度達(dá)到105mm 時,隔熱層重量在幕墻板總重量中的占比就達(dá)到了50.6%,且當(dāng)幕墻板總厚度達(dá)到320mm 時,隔熱層重量在幕墻板總重量中的占比已經(jīng)達(dá)到了77.9%,其總重量也達(dá)到了每塊幕墻板796kg。但考察相同體積的磚砌墻面(2.46g/cm3)及混凝土預(yù)制墻面(3.09g/cm3),該幕墻板的結(jié)構(gòu)密度仍然較低,且厚度越大的幕墻板結(jié)構(gòu)密度越低。

構(gòu)建仿真實驗環(huán)境,考察室外環(huán)境分別為30、35、40 ℃條件下采用常規(guī)中央空調(diào)進(jìn)行降溫時的幕墻節(jié)能效果表現(xiàn),目標(biāo)溫度控制范圍為達(dá)到室內(nèi)環(huán)境25℃以下,單位設(shè)定為kW/m3,且考察不同規(guī)模的建筑物求取平均值,得到圖1。

圖1 降溫能耗對比圖(單位:kW/m3)Fig.1 Comparison of cooling energy consumption

圖1 中,隨著幕墻板總厚度增加,在高溫室外環(huán)境中獲得室內(nèi)不超過25℃降溫效果的中央空調(diào)能耗隨之減少,但可以看到,當(dāng)幕墻板達(dá)到105mm 總厚度以上時,隨著幕墻板厚度增加,其能耗降低的幅度顯著減少,即在外界環(huán)境高氣溫環(huán)境下獲得建筑節(jié)能效果,超過105mm 幕墻板總厚度的設(shè)計選型并無實際意義[9]。

同樣在上述仿真環(huán)境中,考察室外環(huán)境分別為5、-5、-15、-30 ℃條件下采用常規(guī)中央空調(diào)進(jìn)行取暖時的幕墻節(jié)能效果表現(xiàn),目標(biāo)溫度控制范圍為達(dá)到室內(nèi)環(huán)境18℃以上,單位設(shè)定為kW/m3,且考察不同規(guī)模的建筑物求取平均值,得到圖2。

圖2 取暖能耗對比圖(單位:kW/m3)Fig.2 Comparison of heating energy consumption

圖2 中,室外溫度在5℃時,不同幕墻板厚度對其取暖能耗的影響并不顯著,但當(dāng)室外溫度達(dá)到-5℃及其以下時,隨著幕墻板厚度增加,取暖能耗下降幅度逐漸顯著。但從相關(guān)曲線中仍能發(fā)現(xiàn),當(dāng)幕墻板厚度超過105mm 時,增加幕墻板厚度帶來的能耗下降幅度放緩。即在外界環(huán)境低氣溫環(huán)境下獲得建筑節(jié)能效果,超過105mm 幕墻板總厚度的設(shè)計選型價值并不顯著[10]。

綜上所述,該幕墻板整體設(shè)計選型結(jié)果為:幕墻板總厚度105mm,幕墻板尺寸為1.2m×2.4m,外飾面板為8mm 工程陶瓷材質(zhì),內(nèi)飾面板為12mm 高分子阻燃材料[11]。

3 新型節(jié)能墻體材料在房屋建筑設(shè)計中的應(yīng)用場景

3.1 新型節(jié)能墻體材料對建筑框架結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性

上述選型后獲得的最佳選型結(jié)果為厚度105mm的1.2m×2.4m的標(biāo)準(zhǔn)幕墻板,幕墻板單塊重量為356kg,可使用連接構(gòu)件與建筑物主體框架連接,形成一體化整合外立面幕墻結(jié)構(gòu)。

針對不同的建筑物框架結(jié)構(gòu),包括:①混凝土分層澆筑的框架剪力墻結(jié)構(gòu)的房屋主體框架,在建筑物樓層板外沿布置安裝框架,將幕墻板采用連接構(gòu)件形成扣板式栓接輔助安裝；②箍筒鋼架結(jié)構(gòu)、全鋼結(jié)構(gòu)的房屋主體框架,在建筑物鋼架外沿布置安裝框架,將幕墻板采用連接構(gòu)件形成扣板式栓接輔助安裝。

356kg 總重量的幕墻板,設(shè)置8 個連接點,每個連接點承重為44.5kg,使用傳統(tǒng)螺栓式連接即可實現(xiàn)連接功能,但仍需要在相關(guān)連接施工中執(zhí)行防退絲操作,如采用防退絲螺母、膠封螺母螺桿間隙等。部分幕墻板安裝工程中也使用鉚接方式安裝,但因為其施工難度較大尚未普及。

不同建筑物框架結(jié)構(gòu)外立面施工安裝框架時,應(yīng)嚴(yán)格控制框架安裝工藝尺寸,確?？蚣芘c幕墻板的連接構(gòu)件的吻合程度,防止出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力過載等其他缺陷。且框架與建筑物主體結(jié)構(gòu)的連接過程也應(yīng)得到充分結(jié)構(gòu)力學(xué)驗算,混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)的主體框架中,安裝框架與樓層板之間的栓接錨固長度需要經(jīng)過嚴(yán)格驗收。

3.2 新型節(jié)能墻體材料與空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能配合策略

建筑物墻體材料主要起到隔熱作用,而實際取暖和降溫的做功系統(tǒng)為建筑物的中央空調(diào)系統(tǒng)。所以,建筑物中央空調(diào)系統(tǒng)需要進(jìn)行聯(lián)合研究。該研究中采用的空調(diào)系統(tǒng)模型為帶有電熱輔助鍋爐的中央空調(diào)系統(tǒng),考察建筑物在8 萬平方米、20 萬平方米、40 萬平方米、90萬平方米條件下中央空調(diào)布局并求取平均值,針對不同室外溫度的降溫和取暖需求,中央空調(diào)系統(tǒng)的實際配置僅與建筑物整體布局有關(guān),與室外溫度無關(guān)。該空調(diào)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)中,有降溫需求時,采用空調(diào)壓縮機驅(qū)動室外冷凝器盤管散熱,循環(huán)水箱內(nèi)的蒸發(fā)器對循環(huán)水降溫,使用冷水驅(qū)動建筑物內(nèi)各盤管；取暖需求下,利用空調(diào)壓縮機驅(qū)動室外蒸發(fā)器盤管吸熱,循環(huán)水箱內(nèi)的冷凝器加熱循環(huán)水,同時驅(qū)動循環(huán)水箱內(nèi)的電輔助加熱系統(tǒng)對循環(huán)水輔助加熱。所以,該系統(tǒng)中相同溫差條件下的取暖功率略大于降溫功率。實際節(jié)能型建筑施工時,采用地下水輔助獲得室外盤管溫度環(huán)境,通過城市供熱管道獲得輔助熱源,均可以在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中獲得更多節(jié)能效果。

該系統(tǒng)在設(shè)計中,發(fā)現(xiàn)其適應(yīng)于最高溫度低于40℃,最低溫度高于-30℃的外部溫度環(huán)境,該溫度環(huán)境符合國內(nèi)大部分城市的氣候氣象環(huán)境,可以基本認(rèn)定該幕墻板結(jié)構(gòu)在國內(nèi)絕大部分地區(qū)均有適用性。在實際建筑物節(jié)能設(shè)計的過程中,針對該研究中的空調(diào)設(shè)計思路,進(jìn)一步提升空調(diào)系統(tǒng)自身的節(jié)能效果,可以更大程度實現(xiàn)建筑物的節(jié)能特性。

4 總結(jié)

通過仿真分析發(fā)現(xiàn),單純增加幕墻板厚度,無法持續(xù)提供建筑物幕墻板結(jié)構(gòu)的節(jié)能性能,而是采用該研究中幕墻板整體構(gòu)型下105mm 厚度的幕墻板,可以達(dá)到節(jié)能最佳效果。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加幕墻板厚度,也可以實現(xiàn)一定程度的節(jié)能,但其節(jié)能提升效率顯著降低。該幕墻板可以適應(yīng)-30～40 ℃的外部溫度環(huán)境下達(dá)到18～25 ℃室內(nèi)環(huán)境空調(diào)溫度調(diào)節(jié)目標(biāo)下較強的節(jié)能效果,可以適應(yīng)國內(nèi)大部分地區(qū)的建筑節(jié)能需求。在后續(xù)研究中,可以在該幕墻板節(jié)能效果基礎(chǔ)上,進(jìn)一步針對空調(diào)系統(tǒng)等輔助空調(diào)設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,進(jìn)一步提升建筑物的節(jié)能效果。