節(jié)能65％目標與自保溫混凝土砌塊

(甘肅省建材科研設計院，蘭州730020)

　　摘  要：介紹了65％建筑節(jié)能設計標準對建筑物外墻傳熱的要求，以及建筑工程中使用的混凝土砌塊的種類及節(jié)能指標的計算方法。表明：聚苯板夾芯復合砌塊能夠顯著提高熱阻；在設計砌塊時，空心砌塊和夾芯砌塊應采取不同的孔洞布置方式。采用夾芯砌塊做自保溫構造時，應特別注意砌塊基材要有低的導熱系數(shù)，否則會發(fā)生熱橋結露等現(xiàn)象。

前言

　　根據(jù)國家“十一五”節(jié)能發(fā)展綱要，重點節(jié)能領域是建筑節(jié)能、工業(yè)節(jié)能、交通節(jié)能，消耗量巨大的建筑能耗首當其沖。據(jù)介紹，我國建筑能耗指標偏高，達同環(huán)境國外能耗指標的2-3倍，建筑能耗占國民經(jīng)濟總能耗的27．8％，按目前的建筑發(fā)展速度計算，預計2020年該值將達到35％。因此，建筑節(jié)能是當今節(jié)約能源政策中的重中之重。國務院、國家建設部針對建筑節(jié)能出臺了一系列的政策、法規(guī)和技術規(guī)程來推動這項事業(yè)。落實建筑節(jié)能這一國策涉及材料生產、設計、施工、管理等各個部門，但是最根本的基礎是材料。如果沒有熱工性能好、耐久性、輕質、高強等各項性能匹配的材料作為技術支撐，要經(jīng)濟合理地實施建筑節(jié)能是不可能的。正如中國工程院院士、清華大學教授江億解讀《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》時指出的那樣：“墻體材料一直是建筑節(jié)能的老大難”。因此，實施建筑節(jié)能政策的關鍵之一是研制好的建筑材料及相應的節(jié)能建筑的應用技術。

　　目前我國除部分地區(qū)實施第二步節(jié)能設計標準、即節(jié)能率達到50％外，北京、天津、哈爾濱、河南、蘭州等地都實施第三步節(jié)能設計標準，即節(jié)能率達到65％，第三步節(jié)能標準的全面推廣只是時間的問題。第三步節(jié)能設計標準對外墻的傳熱系數(shù)提出了更高的要求，蘭州地區(qū)的要求如表1所示。從表中可以看出：節(jié)能設計標準從30％提高到65％時，外墻傳熱系數(shù)從1．35(1．05)W／m2•K降低到0．6W／m2•K，約降低到原來的1／2。

　　在建筑工程上具體實施第三步節(jié)能設計標準時，外墻的做法有四種：外墻外保溫、外墻內保溫、夾芯墻、混凝土自保溫砌塊砌體。外墻外保溫是在主體墻(鋼筋混凝土、砌塊等)外面粘掛XPS(絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料)、EPS(絕熱用模塑聚苯乙烯泡沫塑料)、巖棉、噴涂聚氨酯等導熱系數(shù)低的高效保溫材料，減小墻體傳熱系數(shù)來滿足要求；外墻內保溫是在主體墻(鋼筋混凝土、砌塊等)內側敷設高效保溫材料，形成復合外墻減小墻體傳熱系數(shù)來滿足要求；夾芯墻是在墻體砌筑過程中采用內外兩葉墻中間加絕熱材料的構造做法，如東北地區(qū)用聚苯板建造夾芯墻，甘肅合作地區(qū)的太陽能建筑用巖棉建造夾芯墻等；自保溫砌塊砌體是新近發(fā)展迅速的一種構造，是用高熱阻的夾芯復合砌塊直接砌筑滿足要求的外墻。這幾種做法各有特點：外墻外保溫是現(xiàn)在提倡的主流做法，有消除熱橋、增大使用面積、保護主體結構等優(yōu)點，缺點是施工技術難度高、工序多、施工周期長，且近幾年各地外墻外表面開裂、脫落的現(xiàn)象時有發(fā)生，所以其耐久性一直是困擾其發(fā)展的瓶頸。內保溫的優(yōu)點是施工方便、保溫材料的使用環(huán)境好，不受紫外線、風雨、高溫、冷凍等惡劣條件影響，缺點是不能阻斷熱橋、減小房屋使用面積、裝修容易破壞保溫層等。夾芯墻體的優(yōu)點是保溫隔熱性能好、可阻斷大部分熱橋、與外保溫相比造價低、墻面不易出現(xiàn)裂縫，缺點是施工難度大、砌筑質量要求高、工期長。夾芯混凝土砌塊自保溫墻體是一種材料實現(xiàn)外墻保溫和圍護兩種功能的墻體，優(yōu)點是不影響房屋使用面積、施工方便、工期短、與復合保溫墻體相比造價低。由于65％節(jié)能設計標準的強制實施和近年各地發(fā)生的有關外墻外保溫的事故逐漸增多，使自保溫砌塊墻體又有了新的發(fā)展機遇。但是，如果不注意夾芯砌塊自保溫墻體的技術引導，又會重蹈覆轍，勢必會影響行業(yè)的健康發(fā)展。

　　筆者認為目前夾芯砌塊自保溫墻體存在二個關鍵的問題：其一是正確認識夾芯砌塊的傳熱性能；其二是夾芯砌塊墻體設計施工中熱橋的處理問題。針對這二個問題，在文中筆者做了一些探討，供設計使用者參考。

1  夾芯混凝土砌塊的傳熱性能

　　1．1  砌塊類型

　　顧名思義，夾芯混凝土砌塊就是用導熱系數(shù)低的高效保溫材料填充混凝土空心砌塊的孔洞而得到的砌塊，其保溫隔熱性能決定于三個要素：基材、孔型、夾芯材料。目前，混凝土砌塊的基本材質有普通混凝土、泡沫混凝土、輕集料混凝土等幾種；其孔型有單排孔、二排孔、三排孔、四排孔等；空心填充材料有聚苯板、珍珠巖等。通常情況下，孔型可根據(jù)要求更換成型機模具來滿足，夾芯材料基本上使用EPS，砌塊的材質受資源條件的影響，其種類較多?；炷疗鰤K主要塊型如圖1的(1)—(8)所示。

圖1   混凝土砌塊主要塊型圖

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　　1．2  混凝土砌塊的傳熱性能

　　均質材料的傳熱性能通常用導熱系數(shù)來表征，導熱系數(shù)越大材料傳熱的能力就越強。對于一定尺寸、非均質材料的構件，通常用熱阻或傳熱系數(shù)來表征其傳熱性能，熱阻越大構件傳熱的能力越小，即保溫隔熱能力越強。由于不論哪種混凝土砌塊從傳熱的角度來看都是不均勻的材料，所以混凝土砌塊沒有一個嚴格意義上的導熱系數(shù)，只能針對某種具體的塊型計算一個平均導熱系數(shù)或熱阻。在設計砌塊形狀時用計算熱阻來定模具，在工程設計時，則采用計算熱阻或砌塊砌體的實測熱阻值。

　　1．2．1  計算依據(jù)

　　根據(jù)GB50176-93《民用建筑熱工設計規(guī)范》的規(guī)定，混凝土砌塊的熱阻由公式(1)計算得出，熱阻計算示意圖如圖2所示。

                        (1)

　　式中， —一平均熱阻，m2•K／W；
　　Fo一—與熱流方向垂直的總傳熱面積，m2，見圖2；
      F1、F2……Fn一—按平行于熱流方向劃分的各個傳熱面積，m2；
      R1、R2……Rn——各個傳熱面積部位的傳熱阻，m2•K/W；
      Ri一—內表面換熱阻，取0．11m2•K／W；
      Re一—外表面換熱阻，取0．04m2•K／W；
       一—修正系數(shù)，按表2選用。
　　其中：Rl、R2……Rn的值由公式(2)計算。
                                              (2)
　　式中，R一—材料層的熱阻，m2•K／W；
      d一—材料層的厚度，m；
       一—材料的導熱系數(shù)，W／m•K。
    空氣層可視為特殊的絕熱材料，因為對流傳熱等原因，空氣層的熱阻不能簡單地由公式(3)計算得出，而需采用經(jīng)驗值、從表2中選取。

　　砌體傳熱系數(shù)K由公式(3)計算得出：
                                         (3)
　　式中，K一—傳熱系數(shù)，W／m2•K；
      R一—砌體熱阻，m2，K／W。

　　1．2．2  自保溫混凝土砌塊的熱阻

　　根據(jù)公式(1)和圖2分別計算圖1(1)-(8)所示塊型混凝土夾芯砌塊的熱阻。為了便于比較，砌塊規(guī)格都以390mm×290mm×l90mm為計算基準，聚苯板的導熱系數(shù)取0．40W／m•K，砌塊的基材選取了2種：一種為自燃煤矸石混凝土、廢渣混凝土等普通輕混凝土，其導熱系數(shù)取0．56W／m•K；另一種為超輕陶?；炷粱?，導熱系數(shù)取0．23W／m•K。計算結果分別見表4、表5所示，表中同時給出了同體積空心砌塊的熱阻以作對比。

2  夾芯混凝土砌塊自保溫墻體的熱橋處理

　　由于夾芯混凝土砌塊自保溫墻體相當于把外墻的保溫層提前放人墻材中、和砌塊預制成一體，因此，工程上不可能在自保溫墻體的內側或外側再做保溫層，這種構造做法不可避免地在梁板柱位置產生熱橋。如何有效阻斷熱橋是這種材料或者這種保溫做法能否滿足65％節(jié)能設計標準的關鍵。夾芯砌塊與外保溫相結合可以解決這個問題：在保溫結構設計時主體墻用夾芯砌塊砌筑，梁板柱用外保溫做法。砌體砌筑時留出外保溫層的厚度，即梁板柱外保溫做完后外輪廓線與砌體平齊，再同時做裝飾層。這樣可以有效阻斷熱橋。

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3  討論

　　3．1  對于空心砌塊，合理利用空氣層可以增大熱阻

　　從表3可以看出，空氣層是良好的絕熱材料，且空氣層厚度大于20mm時，其熱阻隨厚度增加幾乎不變化，因此，在砌塊孔型設計時應充分利用空氣層。從表4、表5中可以看出：對于同體積的砌塊來說，二排孔的熱阻比單排孔的熱阻能夠提高80％-110％，三排孔的熱阻又比二排孔的熱阻能夠提高40％-47％，砌塊基材的導熱系數(shù)越大，提高的幅度越大。

　　但是用單一的砌塊構筑砌體不能滿足第三步節(jié)能目標外墻傳熱系數(shù)小于0．6W／m2．K的設計要求。

　　3．2  夾芯砌塊的熱阻

　　從表4、表5中看出，用聚苯板夾芯的混凝土砌塊能夠顯著提高砌塊的熱阻。用陶粒混凝土基材生產的砌塊，以及用普通水泥砂漿砌筑的砌體可以滿足第三步節(jié)能設計標準要求的外墻傳熱系數(shù)；廢渣等普通輕混凝土基材生產的圖1(2)、圖1(4)孔型的夾芯砌塊用普通水泥砂漿砌筑的砌體也可以滿足第三步節(jié)能設計標準要求的外墻傳熱系數(shù)。

　　3．3  砌塊基材對熱阻的影響

　　表4、表5中所列圖1(8)砌塊是實心砌塊，是空心砌塊的一個特殊情況，其熱阻就是空心砌塊或夾芯砌塊砌筑時邊壁形成的熱橋的熱阻。表4中圖1(8)砌塊的傳熱系數(shù)是0．69W／m2•K，用夾芯砌塊做自保溫墻體時邊壁的傳熱系數(shù)就是0．69W／m2•K，與三步節(jié)能目標的0．6W／m2•K接近；但是，表5中圖1(8)砌塊的傳熱系數(shù)是1．41W／m2•K，如果用圖1(2)所示的夾芯砌塊做自保溫墻體，雖然通過計算的平均傳熱系數(shù)0．46W／m2•K，可達到要求，但邊壁的傳熱系數(shù)1．41W／m2•K，遠遠高于0．6W／m2•K，不可取。

　　3．4  砌塊熱阻與孔型的對應關系

　　比較表4和表5中圖1(1)-(8)砌塊的熱阻可以得出如下結論，空心砌塊熱阻隨孔排數(shù)增加變化較大，而夾芯砌塊的熱阻變化不大。原因是夾芯砌塊的熱阻主要由夾芯材料貢獻，所以砌塊應盡量設計成簡單形狀的結構，以便充分利用夾芯材料的熱阻，如二排孔相同體積的砌塊、根據(jù)熱阻大小排序為：圖1(2)砌塊>圖1(4)砌塊>圖1(5)砌塊>圖1(3)砌塊。

　　3．5  自保溫砌塊墻體的熱橋處理

　　在設計時將梁板柱做外保溫與夾芯砌塊自保溫墻體相結合可以最大限度地阻斷熱橋，從而有效克服傳統(tǒng)自保溫墻體的缺陷。

4  結論

　　(1)夾芯混凝土砌塊自保溫墻體是一種實現(xiàn)外墻保溫和圍護兩種功能的墻體，具有不影響房屋使用面積、施工方便、工期短、與復合保溫墻體相比造價低的優(yōu)點，并且保溫材料在墻體內、可以有效延長使用周期，是一種發(fā)展前景良好的建筑保溫結構工法。

　　(2)夾芯砌塊孔型的設計不能照搬空心砌塊的設計思路?？招钠鰤K應盡量設置多排孔充分利用空氣層增大砌塊熱阻，使得相同砌塊體積具有最大的熱阻；夾芯砌塊的孔型設置應盡量簡單整齊以充分利用夾芯的高效保溫材料的熱阻，提高砌塊的熱阻，減小砌體的傳熱系數(shù)。

　　(3)使用導熱系數(shù)0．23W／m•K的陶?；炷磷龌牡膴A芯砌塊、建造自保溫墻體，其傳熱系數(shù)可達到第三步節(jié)能65％標準的要求。

　　(4)由于采用夾芯保溫結構時，主體墻不可能再做內外保溫層，因此，要盡量使用導熱系數(shù)小的混凝土做砌塊基材，否則雖然平均熱阻達到要求，但砌塊砌筑時相鄰砌塊的邊壁會產生新的熱橋，在嚴寒或寒冷地區(qū)如果使用不當，會產生嚴重的漏熱甚至引起受潮結露等現(xiàn)象。