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0 引 言
目前我国的建筑能耗约占国民经济总能耗的27% ,国家将建筑节能列为十大节能降耗工程之一,对新建筑采取强制性推行“外墙外保温工程技术”的措施,重点推行E P S / X P S板薄抹灰外墙外保温系统和胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统。通过几年来的应用实践,上述两种外保温系统也暴露出一些严重的工程质量问题:前者存在着E P S / X P S板接缝多、材料的尺寸稳定性差、易收缩开裂和渗水，E P S / X P S板强度低、承重能力差、安全稳固性低，材料耐火性极差、易燃、且燃烧时释放有毒烟雾，白色垃圾成为将来的隐患等问题;后者存在着聚苯颗粒保温层松软、粗糙、空隙多、易渗水、阻燃性差、承重能力、安全稳固性、耐冲击性等均低的缺陷。针对上述现行外墙外保温系统存在的缺陷,本文创立了一套适用于我国夏热冬暖、夏热冬冷地区的新型外墙外保温隔热系统,该系统具有保温隔热性能好、安全稳固性能强、抗裂防水性能优、防火阻燃性能佳的特点,并通过热工性能计算对其进行可行性探讨。
1 新型外墙外保温隔热系统的结构及特点
新型外墙外保温隔热系统的结构:基层墙体+空心微珠保温砂浆+抗裂抹面砂浆复合网格布+渗透型弹性封底漆+柔性外墙腻子+反射隔热涂料。该系统的特点是将保温体系与装饰体系结合在一起,两者相辅相成。空心微珠保温砂浆构成保温绝热层,冬季阻止室内热量向外传导和散发,夏季阻断外部热能通过墙体向室内传递;反射隔热涂料构成饰面层,由于其具有反射太阳热、辐射墙面蓄热的功能,夏季可使墙体隔热降温,冬季又能将墙体蓄热反射回室内。两种材料复合使用,形成一个既有保温隔热又有反射和辐射隔热功能的新型外墙保温系统,对提高建筑物的节能效率具有叠加效应。其次,该系统与胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统相比,具有热工性能好、粘结强度和抗压强度高、安全稳固性强、防火性能好等优点。
2 聚合物保温砂浆的优化
聚合物保温砂浆由胶粉和轻型空心微珠两组分组成,施工现场将两组分按比例混合并加适量水搅拌成砂浆,直接批抹于墙体上形成一定厚度的保温隔热层。在胶粉配方固定的条件下,选用不同材质微孔结构的轻型颗粒单用或复配,制备出A、B、C3种聚合物保温砂浆,并与现行的胶粉聚苯颗粒保温砂浆进行性能比较,采用模糊评价法优选保温砂浆,将其作为新型外墙外保温隔热系统中的保温层。
2.1 原料及配方(见表1～表3)
2.2 性能标准
上述A、B、C3种砂浆,按G B / T2043-2006标准检测,并与胶粉聚苯颗粒保温砂浆进行性能比较,结果见表4。
从表4中可知, A、B、C3种保温砂浆按导热系数大小排列为: B＞A＞C ,以C型的保温性最好, B型最差;按抗压强度、压剪粘结强度大小顺序排列为B＞A＞C ,以B型的机械强度最优, C型最差;防火性能均达到不燃级( A级)。A、B、C3种保温砂浆与E P S颗粒保温砂浆D型相比,除导热系数稍高以外,其他各项指标均有明显改善,尤其是抗压强度、压剪粘结强度、燃烧性能提高显著。
2.3 保温砂浆的优选
模糊评价法是运用模糊数学理论方案的优化,进行多个因素或多层次评价的一种数学综合分析方法,其特点是将难以定量的影响因素,通过隶属度和权重来进行分析比较,得到最优的评价结果[1]。本文
采用简化模糊评价法优选保温砂浆。其步骤如下:
(1) 确定因素集U 。取U ={U1, U2, U3 ,U4 }
式中:U1——保温隔热性;U2——安全稳定性;U3——抗裂防水性;U4——防火阻燃性。
(1) 确定因素集U 。取U ={U1, U2, U3 ,U4 }
式中:U1——保温隔热性;U2——安全稳定性;U3——抗裂防水性;U4——防火阻燃性。
(2)确定评价集V。取V={V1, V2, V3 ,V4 }
式中:V1、 V2、V3 、V4—— 分别代表保温砂浆A、B、C、D。
式中:V1、 V2、V3 、V4—— 分别代表保温砂浆A、B、C、D。
评语分为4个等级,即好、较好、一般、差。
(3)权重矩阵。引入模糊向量A =(a1 , a2···an)。
本文权重数取A =(0.8,0.6,0.4,0.2)。
(4)单因素评价矩阵见表5。
对于评价中的4 个程度“好”、“较好”、“一般”、“差”进行量化赋予数值评分, 分别为0.8、0.6、0.4、0.2。根据表5 得评分矩阵, 见表6。
在简化向量归一、单因素评判等步骤前提条件下,通过评分合计或加权平均分数比较可以看出,4种保温砂浆的优劣顺序为: B＞A＞C＞D ,以B为最优、D为最劣。因此新型外墙外保温隔热系数中的保温层选用空心微珠保温砂浆B型。
3 新型外墙外保温系统的热工计算
外墙外保温系统的设计,必须按照不同地区要求的节能标准或规范规定的墙体节能单项指标(即传热系数K 、热惰性指标D ) ,由热工计算来决定墙体材料、保温材料的厚度。夏热冬暖、夏热冬冷地区《标准》规定的外墙节能要求见表7。
根据新型外墙外保温隔热系统的构造,墙体结构可以是钢筋混凝土墙体、各种砌块墙体及轻型墙体,本文以钢筋混凝土墙体为例子,从内到外主要材料分别是:水泥砂浆20 m m、钢筋混凝土墙体240mm、保温砂浆20 mm、抗裂保护层8 mm、饰面涂料。从《标准》规定的外墙保温隔热要求中不难看出,复合墙体的D值决定外墙传热系数K的取值大小,D 值按式(1)计算:
式中:Ri——第i层材料热阻, m2·K/W;Si——第i层材料的蓄热系数,W/(m2·K)。
新型外墙外保温隔热系统复合墙体的热惰性D值见表8。
由表8可知,该复合墙体的热惰性指标D 为3.597,即＞3。因此在夏热冬暖地区K值可取≤2.0,夏热冬冷地区K 值取≤1.5。K 值的计算过程如下:钢筋混凝土外墙外保温复合墙体的传热绝缘系数Rz为:
Rz=Ri+R1+R2+R3+R4+Re
式中:Ri——内表面热绝缘系数,0.11 m2·K/W;R1—— 水泥砂浆热绝缘系数,0.02/0.93=0.022m2·K/W;
R2—— 钢筋混凝土墙体热绝缘系数,0.24/1.740=0.138 m2·K/W;
R3—— 保温砂浆热绝缘系数,0.02/ (0.072×1.2)=0.231 m2·K/W;
R4—— 保护层热绝缘系数,0.008/0.93=0.009m2·K/W;
Re——外表面热绝缘系数,0.05 m2·K/W;则R z =0.11+0.022+0.138+0.231+0.009+0.05=0.56 (m2·K/W)
(2) K =1/R z, 则K =1/0.56=1.78,即K ＜2,符合夏热冬暖地区《标准》3的要求。
夏热冬冷地区满足K =1.5,D ≥3时,设计保温砂浆的厚度按下式计算:
(1) δx =λx (R0-Ri-R -Re ) (1)
式中:δx——保温层厚度,m;
式中:δx——保温层厚度,m;
λx——保温材料导热系数,W/(m·K);
R0——保温系统最小传热热绝缘系数,m2·K/W。
R0 =1/K ,取K =1.5;
R i—— 内表面换热热绝缘系数,取0.11m2·K/W;
R—— 除保温层外,墙体系统材料热绝缘系数,m2·K/W;
R e—— 外表面换热热绝缘系数,取0.05m2·K/W。
(2) 除保温层外,墙体系统材料热绝缘系数之和R 按下式计算:
式中:R——除保温层外墙体系统材料热绝缘系数之和,m2·K/W;
δ1、δ2、δ3、… δn——各层材料的厚度,m;
λ1、λ2、λ3、…λ n—— 各层材料的导热系数,W/(m·K);
即R=0.022+0.138+0.009=0.169,将其代入式 (1);
δ x =0 . 0 7 2 × ( 0 . 6 6 7 – 0 . 1 1 – 0 . 1 6 9 – 0 . 0 5 ) =0.024(m)
通过热工计算可以看出,当墙体为240 mm厚的钢筋混凝土结构时,保温砂浆设计厚度≥20 m m时即能满足夏热冬暖地区的节能《标准》要求;当保温砂浆厚度达到≥24 mm时即可满足夏热冬冷地区的节能《标准》要求。
4 反射隔热涂料的作用
水性建筑反射隔热涂料是由树脂乳液、金红石型钛白粉、空心玻璃微珠、红外粉及助剂等组成。要达到高的热反射率,必须选用高折光系数的颜料。另外涂膜的颜色对热反射率的影响也很大,一般规律是随着色调的加深,热反射率相应下降,其影响程度见表9。
选择反射涂料颜色时,应该以复合墙体的K、D值为参照条件,根据不同地区《标准》节能要求,当K值一定时,D 值的大小决定涂膜对太阳能吸收系数的高低,而吸收系数又是决定涂料颜色的依据。以小砌块墙体为例,小砌块外墙隔热性能在满足K、D 值时,与太阳辐射热的吸收系数的关系见表10。
由表10可见,热反射隔热涂料的吸收系数只要≤0.35,即太阳反射比≥65% ,计算D值只要不小于1.5即可满足要求。而当D ≥3.0时,即使选择深色反射隔热涂料,也能满足K ≤1.5的节能要求,为了降低K值,提高节能效率,宜选用白色或浅淡色涂料。
由表10可见,热反射隔热涂料的吸收系数只要≤0.35,即太阳反射比≥65% ,计算D值只要不小于1.5即可满足要求。而当D ≥3.0时,即使选择深色反射隔热涂料,也能满足K ≤1.5的节能要求,为了降低K值,提高节能效率,宜选用白色或浅淡色涂料。
综上所述,建筑围护结构K、D值直接影响建筑采暖空调房间的冷热负荷大小,也直接影响到建筑能耗。因此,外墙保温复合墙体不仅需要满足传热系数K的规定值,还需要满足热惰性指标D规定值。当围护结构采用重质材料时,容易达到《标准》要求的K、D 值;而采用轻质材料时,达到K值容易,达到D值困难,采用热反射隔热涂料与之复合,通过涂膜对太阳热的反射和辐射,降低墙体外表面温度,减少热量向室内传导,很容易达到《标准》隔热节能要求,对推行轻质建筑材料做围护结构有很大贡献。
5 结 语
新型外墙外保温隔热系统是用空心微珠保温砂浆作保温层、以反射隔热涂料为饰面层,两种材料配合使用,形成一个既有保温隔热又有反射和辐射的多功能保温隔热系统,非常适合我国夏热冬暖、夏热冬冷地区的建筑围护结构做外墙外保温隔热工程。中空微珠保温砂浆,具有保温隔热性能好、安全稳固性能强、抗裂防水性能优、防火阻燃性能佳的优点,通过模糊评价法优选,空心微珠保温砂浆B型在4种保温砂浆中综合性能最优。按照不同地区节能《标准》要求的围护结构的K、D值规定,通过热工计算来确定保温砂浆的施工厚度。反射隔热涂料的太阳反射比和颜色对其隔热性能有很大的影响,涂膜的高反射比和白色或浅淡色,对外墙保温系统的节能效果有更大的贡献率。
