節(jié)能65％目標(biāo)與自保溫混凝土砌塊

(甘肅省建材科研設(shè)計(jì)院，蘭州730020)

　　摘  要：介紹了65％建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)的計(jì)算方法。表明：聚苯板夾芯復(fù)合砌塊能夠顯著提高熱阻；在設(shè)計(jì)砌塊時(shí)，空心砌塊和夾芯砌塊應(yīng)采取不同的孔洞布置方式。采用夾芯砌塊做自保溫構(gòu)造時(shí)，應(yīng)特別注意砌塊基材要有低的導(dǎo)熱系數(shù)，否則會(huì)發(fā)生熱橋結(jié)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(diǎn)節(jié)能領(lǐng)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(dāng)其沖。據(jù)介紹，我國建筑能耗指標(biāo)偏高，達(dá)同環(huán)境國外能耗指標(biāo)的2-3倍，建筑能耗占國民經(jīng)濟(jì)總能耗的27．8％，按目前的建筑發(fā)展速度計(jì)算，預(yù)計(jì)2020年該值將達(dá)到35％。因此，建筑節(jié)能是當(dāng)今節(jié)約能源政策中的重中之重。國務(wù)院、國家建設(shè)部針對建筑節(jié)能出臺(tái)了一系列的政策、法規(guī)和技術(shù)規(guī)程來推動(dòng)這項(xiàng)事業(yè)。落實(shí)建筑節(jié)能這一國策涉及材料生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、施工、管理等各個(gè)部門，但是最根本的基礎(chǔ)是材料。如果沒有熱工性能好、耐久性、輕質(zhì)、高強(qiáng)等各項(xiàng)性能匹配的材料作為技術(shù)支撐，要經(jīng)濟(jì)合理地實(shí)施建筑節(jié)能是不可能的。正如中國工程院院士、清華大學(xué)教授江億解讀《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要》時(shí)指出的那樣：“墻體材料一直是建筑節(jié)能的老大難”。因此，實(shí)施建筑節(jié)能政策的關(guān)鍵之一是研制好的建筑材料及相應(yīng)的節(jié)能建筑的應(yīng)用技術(shù)。

　　目前我國除部分地區(qū)實(shí)施第二步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、即節(jié)能率達(dá)到50％外，北京、天津、哈爾濱、河南、蘭州等地都實(shí)施第三步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即節(jié)能率達(dá)到65％，第三步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的全面推廣只是時(shí)間的問題。第三步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)從30％提高到65％時(shí)，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(shí)施第三步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，外墻的做法有四種：外墻外保溫、外墻內(nèi)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(dǎo)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(nèi)保溫是在主體墻(鋼筋混凝土、砌塊等)內(nèi)側(cè)敷設(shè)高效保溫材料，形成復(fù)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(nèi)外兩葉墻中間加絕熱材料的構(gòu)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(gòu)造，是用高熱阻的夾芯復(fù)合砌塊直接砌筑滿足要求的外墻。這幾種做法各有特點(diǎn)：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(hù)主體結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是施工技術(shù)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(shí)有發(fā)生，所以其耐久性一直是困擾其發(fā)展的瓶頸。內(nèi)保溫的優(yōu)點(diǎn)是施工方便、保溫材料的使用環(huán)境好，不受紫外線、風(fēng)雨、高溫、冷凍等惡劣條件影響，缺點(diǎn)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(diǎn)是保溫隔熱性能好、可阻斷大部分熱橋、與外保溫相比造價(jià)低、墻面不易出現(xiàn)裂縫，缺點(diǎn)是施工難度大、砌筑質(zhì)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(shí)現(xiàn)外墻保溫和圍護(hù)兩種功能的墻體，優(yōu)點(diǎn)是不影響房屋使用面積、施工方便、工期短、與復(fù)合保溫墻體相比造價(jià)低。由于65％節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制實(shí)施和近年各地發(fā)生的有關(guān)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(jī)遇。但是，如果不注意夾芯砌塊自保溫墻體的技術(shù)引導(dǎo)，又會(huì)重蹈覆轍，勢必會(huì)影響行業(yè)的健康發(fā)展。

　　筆者認(rèn)為目前夾芯砌塊自保溫墻體存在二個(gè)關(guān)鍵的問題：其一是正確認(rèn)識(shí)夾芯砌塊的傳熱性能；其二是夾芯砌塊墻體設(shè)計(jì)施工中熱橋的處理問題。針對這二個(gè)問題，在文中筆者做了一些探討，供設(shè)計(jì)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(dǎo)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(gè)要素：基材、孔型、夾芯材料。目前，混凝土砌塊的基本材質(zhì)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(jī)模具來滿足，夾芯材料基本上使用EPS，砌塊的材質(zhì)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(zhì)材料的傳熱性能通常用導(dǎo)熱系數(shù)來表征，導(dǎo)熱系數(shù)越大材料傳熱的能力就越強(qiáng)。對于一定尺寸、非均質(zhì)材料的構(gòu)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(gòu)件傳熱的能力越小，即保溫隔熱能力越強(qiáng)。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(gè)嚴(yán)格意義上的導(dǎo)熱系數(shù)，只能針對某種具體的塊型計(jì)算一個(gè)平均導(dǎo)熱系數(shù)或熱阻。在設(shè)計(jì)砌塊形狀時(shí)用計(jì)算熱阻來定模具，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，則采用計(jì)算熱阻或砌塊砌體的實(shí)測熱阻值。

　　1．2．1  計(jì)算依據(jù)

　　根據(jù)GB50176-93《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，混凝土砌塊的熱阻由公式(1)計(jì)算得出，熱阻計(jì)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(gè)傳熱面積，m2；
      R1、R2……Rn——各個(gè)傳熱面積部位的傳熱阻，m2•K/W；
      Ri一—內(nèi)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(jì)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(dǎo)熱系數(shù)，W／m•K。
    空氣層可視為特殊的絕熱材料，因?yàn)閷α鱾鳠岬仍?，空氣層的熱阻不能簡單地由公?3)計(jì)算得出，而需采用經(jīng)驗(yàn)值、從表2中選取。

　　砌體傳熱系數(shù)K由公式(3)計(jì)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(jì)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(jì)算基準(zhǔn)，聚苯板的導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)取0．56W／m•K；另一種為超輕陶?；炷粱?，導(dǎo)熱系數(shù)取0．23W／m•K。計(jì)算結(jié)果分別見表4、表5所示，表中同時(shí)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(dāng)于把外墻的保溫層提前放人墻材中、和砌塊預(yù)制成一體，因此，工程上不可能在自保溫墻體的內(nèi)側(cè)或外側(cè)再做保溫層，這種構(gòu)造做法不可避免地在梁板柱位置產(chǎn)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。夾芯砌塊與外保溫相結(jié)合可以解決這個(gè)問題：在保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主體墻用夾芯砌塊砌筑，梁板柱用外保溫做法。砌體砌筑時(shí)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(shí)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(shí)，其熱阻隨厚度增加幾乎不變化，因此，在砌塊孔型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(dǎo)熱系數(shù)越大，提高的幅度越大。

　　但是用單一的砌塊構(gòu)筑砌體不能滿足第三步節(jié)能目標(biāo)外墻傳熱系數(shù)小于0．6W／m2．K的設(shè)計(jì)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?；炷粱纳a(chǎn)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的外墻傳熱系數(shù)；廢渣等普通輕混凝土基材生產(chǎn)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)心砌塊，是空心砌塊的一個(gè)特殊情況，其熱阻就是空心砌塊或夾芯砌塊砌筑時(shí)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(shí)邊壁的傳熱系數(shù)就是0．69W／m2•K，與三步節(jié)能目標(biāo)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(jì)算的平均傳熱系數(shù)0．46W／m2•K，可達(dá)到要求，但邊壁的傳熱系數(shù)1．41W／m2•K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0．6W／m2•K，不可取。

　　3．4  砌塊熱阻與孔型的對應(yīng)關(guān)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(jié)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(xiàn)，所以砌塊應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成簡單形狀的結(jié)構(gòu)，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?yàn)椋簣D1(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(shè)計(jì)時(shí)將梁板柱做外保溫與夾芯砌塊自保溫墻體相結(jié)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(jié)論

　　(1)夾芯混凝土砌塊自保溫墻體是一種實(shí)現(xiàn)外墻保溫和圍護(hù)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(fù)合保溫墻體相比造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，并且保溫材料在墻體內(nèi)、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(jié)構(gòu)工法。

　　(2)夾芯砌塊孔型的設(shè)計(jì)不能照搬空心砌塊的設(shè)計(jì)思路?？招钠鰤K應(yīng)盡量設(shè)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(shè)置應(yīng)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(dǎo)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(dá)到第三步節(jié)能65％標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　(4)由于采用夾芯保溫結(jié)構(gòu)時(shí)，主體墻不可能再做內(nèi)外保溫層，因此，要盡量使用導(dǎo)熱系數(shù)小的混凝土做砌塊基材，否則雖然平均熱阻達(dá)到要求，但砌塊砌筑時(shí)相鄰砌塊的邊壁會(huì)產(chǎn)生新的熱橋，在嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)如果使用不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的漏熱甚至引起受潮結(jié)露等現(xiàn)象。