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      保溫耐火磚
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      對預制混凝土夾心保溫外墻板熱橋影響的再認識(一)

      2020-09-16 12:48:45


      近幾年來,預制混凝土夾心保溫外墻板(以下簡稱夾心保溫外墻板)技術開始在國內興起并迅速普及,保溫拉接件是制作夾心保溫外墻板的關鍵產品。拉結件在與內、外葉墻板混凝土共同工作時,除了要求具有足夠的承載能力和耐久性能以外,還需要具有很低的導熱系數,以降低外墻板熱橋的影響。常用的保溫拉接件有 GFRP 拉結件和金屬拉結件兩類,它們對外墻板的熱橋影響也有很大的差異。


      經常有技術人員提出“拉結件的截面積很小,因此熱橋影響可以忽略不計”和“南方地區不需要夾心保溫外墻”的觀點,這是真的嗎?筆者結合美國的研究資料,以及國內的相關檢測報告,分析金屬和非金屬保溫拉結件熱橋對外墻板損失率問題,以及怎樣從技術上消除熱橋,實現本質上的節能。


      01熱量傳遞和熱橋的基本概念


      1. 熱傳導的方式


      熱傳導有傳導、對流、輻射(包含反射)三種方式。在建筑中,室內外的能量交換過程,主要通過建筑的外圍護表面完成,并且三種方式同時存在,這就對建筑外圍護提出了一定的技術要求,如屋頂、外墻、門窗的密閉性、隔熱性、熱輻射性等。隨著城市建筑越來越高,外墻和門窗所占的建筑表面積超過了 80%,而外墻所占比例又很大,成為建筑熱量交換的主要媒介,且主要以傳導方式為主,因此,提高建筑外墻的熱阻值(或降低外墻的熱傳導系數)可以阻止和減緩建筑室內外的熱交換。

      人類在室內生活工作的適合溫度為16℃~25℃左右,當夏天溫度較高和冬季溫度較低時,為了保持室內的舒適性,往往需要輸入能量進行制冷和供暖來調節溫濕度。如果外墻的保溫或隔熱性能不好,就會提高建筑能耗。據統計,我國建筑消耗了社會能源的45%左右,節能空間很大,提高墻體的熱阻對于建筑節能意義重大。


      2. 墻體傳熱性能熱工指標之間的關系


      在民用建筑的外墻節能中,墻體的傳熱系數是衡量保溫隔熱性能的關鍵指標之一,不同的材料具有不同的導熱系數,材料導熱系數越低表示在材料中熱量傳遞越緩慢,一般來說外墻都是由多層不同的材料構成,因此墻體的傳熱性能用傳熱系數或者熱阻值指標來衡量(傳熱系數 K 與熱阻值 R 成反比),R 值越高(K 值越低)代表保溫隔熱性能越好。相反地,R 值越低(K 值越高)代表保溫隔熱性能越差,建筑工程在外墻節能上的投入,可以理解為花錢提高墻體的熱阻,是為了創造長期的節能效益;在各層墻體所用材料和構造的厚度確定以后,墻體的傳熱系數和熱阻值可以通過計算獲得,其傳熱性能指標也可以通過實驗進行檢測。


      3. 熱橋的概念


      在實際工程中,由于建筑構造的要求,墻體由多種不同材料的層片組成,如承重層、保溫層、裝飾層組合成為一道墻體,多層構造之間需要通過拉結件(或稱為“連接器”)進行連接。如果室外懸挑陽臺和空調板等需要伸入到室內才能獲得受力的支撐,就會穿過墻體的保溫層,穿過的部位就成為聯通室內外的“橋”,盡管保溫層隔絕了大部分的室內外構造,提高了墻體的熱阻,但是這些“橋”就成為了室內外熱量交換的熱橋。局部的熱橋就像一個裝水的玻璃杯上被開了孔洞一樣,會使水流干,只是墻體中熱橋的存在所導致的能量流失過程難于直接觀察,也難以分析計算和檢測,因此很容易被人忽視,事實上對墻體的熱工性能影響很大。

      熱橋的存在不但會降低墻體的熱阻,導致長期的能耗損失,同時在一定溫差和濕度條件下,會導致室內空氣中的水分冷凝結露,甚至結霜,導致霉菌生長,不利于影響室內環境健康,因此在建筑設計時,應該重視外墻熱橋的治理。


      02拉結件的導熱性能對夾心保溫外墻板熱工性能的影響研究


      到底熱橋對于夾心保溫外墻板的熱工性能有多大影響?這是很多工程師普遍關心的問題,筆者收集了兩組試驗檢測資料,通過對比也許可以給我們一些啟發。一組是來自中國建科學研究院國家建筑工程質量監督檢驗中心的兩份檢測報告,檢測報告的編號分別為“BETC-JN1-2007-161”和“BETC-JN1-2017-00141”,這兩份報告為分別采用美國Thermomass的GFRP拉結件和國內某企業不銹鋼拉接件的夾心保溫外墻板熱阻值測試值;另一組檢測試驗來自于美國Oak Ridge國家實驗室建筑技術中心對于不同拉結件和熱橋的夾心保溫外墻板進行試驗研究,報告日期為2001年10月26日。


      1.GFRP拉結件和不銹鋼拉結件夾心保溫外墻板熱阻值檢驗結果


      在裝配式建筑中采用夾心保溫外墻板的企業,為了保證項目滿足節能要求(北京的節能標準50%),拉結件供應商在中國建筑科學研究院國家建筑工程質量監督檢驗中心對夾心保溫外墻板的熱工性能進行檢驗,并取得了編號為 BETC-JN1-2007-161的檢驗報告(圖1),該檢驗采用1000mmx980mm的試驗墻板,墻身構造為60mm厚鋼筋混凝土 +50mm厚 XPS保溫 +60mm厚鋼筋混凝土。

      兩層墻板混凝土之間用6只MS50型Thermomass的GFRP保溫拉接件連接,墻身構造如(圖2)。根據編號“BETC-JN1-2007-161”報告的檢驗結果,其檢驗結論為“砌體熱阻=1.7(m 2 .K/W),傳熱系數 =0.54(W/m 2 .K)”。

      國內某企業采用 4 只直徑 8mm 的不銹鋼保溫拉接件,制作了相同的夾心保溫外墻板,同樣在中國建筑科學研究院國家建筑工程質量監督檢驗中心檢驗,取得編號 BETC-JN1-2017-00141(圖 3)的檢驗報告,該檢驗采用 980mmx980mmx300mm 的夾心保溫外墻板,構造為200mm 厚鋼筋混凝土 +50mm 厚 XPS 保溫板 +50mm 厚鋼筋混凝土”,兩層墻板混凝土之間用 4 只直徑 8mm 的不銹鋼(金屬)拉結件連接。


      根據“BETC-JN1-2017-00141”檢驗報告,檢驗結論為“所送檢驗品傳熱系數為0.70(W/m 2 .K)”。該報告沒有給出墻板的熱阻值。


      2. 對金屬和GFRP材料拉結件熱橋損失率的分析


      眾所周知,GFRP是由玻璃纖維和高分子樹脂制成的復合材料,其導熱性能介于玻璃和塑料之間,導熱系數為0.4W/m.K左右,不銹鋼材料的導熱系數為17W/m.K左右,兩者的熱導率相差 40 倍左右,因此不銹鋼拉結件的傳熱會明顯高于 GFRP 拉結件,其熱橋效應不容忽視。


      普通鋼材的導熱系數更是高達50W/m.K左右,因此更不能用作制造保溫拉接件的材料。


      對比兩個實驗報告的測試數據(表一)可以發現,雖然采用不銹鋼拉接件的墻板比GFRP 拉結件的墻板混凝土厚度增加了 80mm,且拉結件的截面積少了 1/3,但是由于不銹鋼的熱導率很高,墻板的傳熱系數比 GFRP 夾心保溫外墻板增大了 29.6%,差異非常之大。

      這就意味著,盡管不銹鋼拉接件的截面積只有夾心保溫外墻板面積的 0.02%,但是由于不銹鋼熱橋的存在,墻板的熱工性能下降了30%之多,這似乎很難讓人理解。大多數的人都會認為:保溫材料只是被拉結件占去了不到 0.02% 的面積,熱橋的損失應該也是在 0.02% 左右,那么前面實驗報告的結論應該怎么解釋?其實道理很簡單,用保溫材料來隔絕熱量交換,類似于我們用杯子盛水一樣,熱橋就相當于在底部開了“小孔”,由于水流損失是持續的,即使小孔的面積不到杯子表面積的 1%,也可以讓杯子里面的水流光。而且墻板混凝土的表面積很大,擴大了熱橋與空氣進行熱交換的面積,進一步加速了熱量的流失,東北諺語“針尖大的洞,斗大的風”說的就是這一現象。

      從這一檢測結果對比情況看,如果在夾心保溫外墻板的各層構造厚度基本相同的情況下,采用不銹鋼保溫拉結件,比 GFRP 的熱工性能下降了 30%,在國內對建筑節能要求越來越高的情況下,這 30% 的節能差距不容小覷。


      3. 美國試驗研究的簡介


      美國 Oak Ridge 國家實驗室建筑技術中心在 2001 年對不同構造的夾心保溫外墻板進行了熱工性能檢測,用于研究墻體熱性能受連接墻體兩層混凝土的金屬或者纖維復合連接器影響,并發布了研究報告(圖 5)。該試驗研究一共制作了5塊夾心保溫外墻板,對其中的5塊測試墻板進行了穩態檢測,并對3塊墻板進行了動態檢測,形成了系列檢測數據,簡述如下。


      (1)墻板的構造和連接情況簡介


      根據 Oak Ridge 國家實驗室建筑技術中心的試驗報告,在一系列的對比試驗檢測中,共使用了 5 塊測試墻板試件,1 # ~4 # 測試墻板均由兩層混凝土層中間夾一層絕熱板組成。兩個混凝土層分別由 GFRP 拉結件、金屬拉結件或混凝土肋穿過保溫層進行連接,測試墻板的尺寸均為 2590mmx2970mm,測試用熱箱的尺寸為2440mmx2440mm。

      其中 1 # ~4 # 測試墻板包括兩個 3 英寸(約 76mm)厚的混凝土層,中間夾一個 2 英寸(約 50mm)厚的擠塑混凝土絕熱板,6# 測試墻板的保溫層由 2 英寸和 6 英寸的混凝土組成,保溫由 6 英寸厚的黑色聚苯顆粒保溫板(EPS)和 1/2 英寸厚的藍色擠塑苯板(XPS)組成,并且在藍色擠塑板的兩個表面均附加了粘合聚苯烯膜(防潮層)。

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