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砌块建筑的墙体保温与节能研究

建筑节能是建筑技术发展的一个方向,也是节能的领域的组成部分。世界平均建筑能耗占总能耗的37%,其中,包括采暖、通风、空调、照明在内的民用能耗又占总能耗的80%以上。我国建筑能耗约占全国总能耗的25%,且由于近年来住宅建筑迅速增多,年增长率高达15%。而我为采暖空调标准远低于国际水平,随着生活水平的提高,建筑能耗,特别是采暖空调能耗,呈增长趋势。
  能耗又大致可分为生产能耗和消费能耗。建筑能耗属于消费性能耗,对于消费性能耗,除了保证正常消费需要的部分,余者完全浪费。因此 ,在世界范围内能源问题日益急迫、建筑能耗不断增长的今天,讨论建筑节能问题意义十分重大。
  我国是世界上小块实心粘土砖的"王国",在我国建材行业中,传统的墙体材料即小块粘土实心砖,其产量至今仍居高不下,尽管新型墙体材料在全部墙体材料中所占比例已由1990年4.32%提高到1996年16.3%,成绩不小,但不能不看到全国小块实心粘土砖产量的绝对值仍在逐年上升,已从1978年的1100亿块增至1996年的6260亿块,即以每年271.6%的平均速度猛增。这种在神州大地上已使用了2000多年的传统墙体材料,从资源与能源的耗费、土地的破坏和对环境的污染角度来分析,均是不可持续发展的建材产品。以下数字足以说明此问题:我国每年烧砖耗用约100万亩土地,其中毁田造砖2万亩;全国目前现有砖瓦企业约11万个,占地600多万亩;实心粘土砖的年生产能耗达6000万吨标煤。建筑使用能耗(全国绝大部分建筑为砖混结构)每年为1.2亿吨标煤,二者合计约占全国年能耗总量的15%。
  由此可见,小块实心粘土砖确是不可持续发展的建材产品,决不允许在全国范围内其绝对产量继续上升,而应采取更为有力的措施,限制其生产与使用,对于现有的制造小块实心粘土砖的企业,调整其产品结构或使之转产,并坚决淘汰一批技术落后、污染严重的生产厂。发展新型墙体材料,推进新型墙体材料的绿色化进程,是唯一的选择。
  世界上不少发达国家在本世纪二、三十年代即已着手墙体材料改革,逐步推进墙体材料的绿色化,主要是严格限制粘土砖的生产与使用,大力推广各种非粘土砖的、轻型、大尺寸的块材与板材。本世纪中叶,因世界性的石油危机又刺激了多种节能型墙体材料的发展。目前,西方发达国家的绿色墙体材料正在向纵深方向发展,使已广泛使用的绿色墙体材料进一步提高生产率、利用工业废渣、节约能耗,使产品系列化与配套化,同时,不断的开发多功能的新型绿色墙体材料。
  我国墙体材料的改革起步较晚,就全国范围而论,小块实心粘土砖仍在墙体材料组成中占有绝对优势,墙体材料的绿色化程度远落后于西方发达国家,但我们可借鉴别国的成功经验,少走弯路。
  国、内外实践证明混凝土砌块是代替粘土砖的理想墙体材料,因为混凝土空心砌块的生产过程中不仅节能、节地、有利于环境保护,符合绿色墙材的要求,而且施工速度快,一块标准砌块相当于十块粘土砖,密度比实心粘土砖轻,减少基础费用和砌筑砂浆用量,墙体减薄,增大了使用面积,建筑的综合造价降低等优势,使得混凝土砌块在我国有了长足的发展,全国砌块产量由1978年的90万立方米增加到2005达到6亿立方米,砌块建筑面积累计达5亿平方米左右。但是,由于混凝土空心砌块的自身保温隔热性能不如实心粘土砖,190厚的砌块墙体仅相当于150厚粘土实心砖的保温效果。因此,我们必须砌块建筑的保温隔热性能,吸收国外的先进技术,进一步提高混凝土砌块的生产和应用技术,才能真正把混凝土空心砌块作为新型墙体材料大量推广。
  我国幅员辽阔,南北跨越热、湿、寒几个气候带,气候差别很大。我国与同纬度的其它国家相比,冬天寒冷得多,夏天也较热,如最冷月东北地区与世界同纬度相比低14-18℃,而最热月则高出1.3-2.5℃。因此,不仅从建筑节约能源角度,而且从改善生活热环境角度,也需要对建筑维护结构的保温隔热,从而达到建筑节能的目的。
  我国建筑维护结构长期以来变化不明显,南方非采暖地区的外墙普遍采用24CM厚的实心砖墙,而北方严寒地区大多数采用49CM和62CM厚的实心砖墙作为墙体保温和承重。单一材料作为外墙维护结构的保温隔热效果都很差,有些地区东、西山墙和顶层房间的墙角出现结露现象,很大程度上影响建筑的居住舒适性,这种墙的传热系数为1.67W/m2K,而气候条件相近的发达国家外墙的传热系数仅为0.35W/m2K。同气候条件接近的发达国家相比,我国的建筑维护结构的保温隔热性能大差距很大,外墙差4-5倍,单位面积的采暖能耗为相近条件下的三倍左右,除了我国能源利用效率较低以外,主要是因为建筑维护结构的保温性能差,因此,我国要大力提高建筑维护结构的节能保温性能。
 从建筑节能角度考虑,利用小型混凝土空心砌块采用不同的墙体结构形式可以实现不同地区的建筑节能的要求,如在发达国家大量推广应用的复合夹心节能墙体,其建筑外墙结构为:190厚标准承重砌块+40-50厚保温材料+90厚装饰砌块,内外叶砌块之间用经过防腐处理的钢筋网片相连,来保证外叶墙的稳定性,该种结构的墙体热传导系数为K=0.7-0.5W/ m2.K左右。其保温性能相当于76cm厚的粘土空心砖墙体的保温效果。此外,该种结构形式外墙由于主体结构在外墙内側,对房间的热稳定性有利,可提高房屋的居住舒适性。因此,对于我国墙体材料改革,从提高能源利用效率,增加建筑维护结构的传热阻,提高建筑的保温性能,降低采暖能耗,根据我国地域特征,按照民用建筑节能设计标准(JGJ26-95)可大体将我国划分为严寒地区、寒冷地区、冬冷夏热地区、冬暖夏热以及面积较小的温和地区,对于建筑节能来讲,除了温和地区,其他地区的所有外维护墙体都应该实行保温隔热措施,来提高建筑的舒适性,但考虑到我国目前的经济发展水平,结合砌体结构特点,针对不同的地区可采取不同的保温方式,具体来讲可大致分为三类:
  一、严寒地区的砌块墙体保温
  目前严寒地区的墙体保温,形式多样,大体有外保温和夹心保温两种形式,其中外保温主要有EPS外墙保温体系,即用190mm厚混凝土空心砌块作为承重结构,在砌块的外侧铺贴50mm厚自熄型EPS板,并以耐碱纤维网格布加强,最外侧正常抹灰刷涂料形成外墙装饰。
  该种外墙保温形式的优点是它能有效的切断或减少墙体的冷桥,能有效地提高外墙内表面的温度,蓄热系数大的重质材料位于室内,在非稳定供热的条件下,能提高房间的热稳定性,保温效果较好,房间室内温度基本不受外界温度变化的影响,保温房间室内温度分布均匀,可较好的改善室内的热舒适度。但由于保温层要固定在外墙的整个高度上,保温材料依靠粘合剂与墙体基层粘接,保温层的耐久性能取决于粘合剂的耐久性,另外,墙面抹灰虽然增加了纤维网格布加强,但要经受风吹、雨淋、寒暑冻融和日光照晒的考验,抹灰砂浆仍然容易产生裂缝进水造成墙面破坏,此外,由于保温材料的强度较低,受到外荷作用时容易破坏,所有外保温墙体一旦遭到破坏修复极其困难。因此,该种保温形式在技术上要求更严,在材料上要求更高,在造价上也较贵。
  另外一种保温方式采用粘土砖夹心保温,即240承重砖墙+50厚苯板+120砖墙,该种墙体结构形式基本满足保温节能要求,但随着粘土砖的限制使用,粘土砖逐渐退出市场,该种墙体结构形式也随之逐渐减少,反之,由于国家推广混凝土空心砌块力度的加大,部分地区采用了砌块代替粘土砖,但墙体保温大都采用了外保温形式,这种墙体外保温形式将砌块完全包裹,仅将砌块与粘土砖作简单的代换,不能充分发挥砌块的装饰效果,目前在黑龙江等地区多、高层建筑中得到应用,但由于施工时间较短,很多问题还没有暴露。
  根据发达国家经验,对于砌体结构最适合的墙体结构形式是采用夹心保温墙体,即按照发达国家大量应用的复合夹心节能墙体,其建筑外墙结构为:190厚标准承重砌块+40-50厚保温材料+10厚空气层+90厚装饰砌块,内外叶砌块之间用经过防腐处理的钢筋网片相连,来保证外叶墙的稳定性。
  该种结构的墙体,保温材料位于两叶墙体中间,保温材料不受自然条件的影响,耐久性好、保温效果好。而且,这种结构形式外墙的装饰效果不受承重部分的限制和制约,可采用劈裂外墙可充分体现混凝土砌块的装饰效果,实现建筑风格的多样化。同时,由于内外叶墙体通过保温层分隔,可有效的减低内叶墙的温度变形,减少墙体温度裂缝,同时避免墙体渗漏,因为即使雨水通过外叶墙体渗入墙中,雨水也只能沿着夹心层外叶墙内壁向下流到导水孔排出墙体,而不会渗透至内叶墙。
  这种结构的保温墙体的总厚度在320-330mm之间,320厚墙体热阻值为:
0.01(内墙抹灰)+0.40(190厚标准承重砌块)+0.64(40厚GRC泡沫聚苯板)+0.14(10厚空气层)+0.17(90厚装饰砌块)+0.15(墙体内外表面交换热阻)=1.51m2.K/W  
  针对不同地区的保温效果,可增加或减少墙体中保温材料的厚度或改变保温材料来满足不同的保温性能设置。
  采用此种结构形式的砌体建筑,单位墙面面积的造价与采用粘土砖墙体的综合造价基本相当,对于粘土砖墙体的外墙面一般都要求采取抹灰刷涂料,而砌块建筑由于砌块本身的装饰效果,无须再进行外装饰,可降低墙体部分造价,从而使砌块建筑具有一定的经济性。
  二、寒冷地区、冬冷夏热地区
传统的墙体对保温性能要求较低,一般仅采用240或370厚粘土砖墙,冬季采暖,一般要求室内温度达到16℃以上。近年来,随着我国提高建筑的保温性能和建筑舒适性,部分地区采用了240厚墙+苯板,轻质材料,墙体的保温性能得到了提高。
  对于砌块建筑,由于190厚砌块墙体仅相当于150厚粘土砖墙体的保温性能,与国家现行的节能标准有较大的差距。此外,目前针对此地区推广较多的轻集料混凝土空心砌块,主要应用在框架结构上,不能作为承重结构,并且外墙的饰面必须采用粉刷或贴瓷砖来解决,因此,对于承重砌块建筑需要考虑墙体的保温性能和外饰面问题,象夹心复合砌块墙体一样,集保温、装饰、承重三位于一体,根据此种理念,中国建科院已研制成功了"三合一"砌块,如右图此砌块虽然存在"冷桥",但考虑它存在的情况下,经检测其热阻可达到R=1.08W/m2•k,即在聚苯板为50mm厚时,可满足寒冷地区的二步节能。其抗压强度可达10Mpa以上,抗折强度大于1.6Mpa,密度小于1200Kg/M3,抗渗性能小于10mm,传热系数K≤1.1W/(m2.K),隔声≥50Db,聚苯板的密度不小于20Kg/ M3。
  "三合一"砌块的外装饰面可根据设计要求形成劈裂、槽纹、磨光等各种面层质感和颜色,满足不同的装饰效果和建筑风格。由于砌块建筑的色彩是采用无机氧化铁系列颜料,在砌块生产时直接加入混凝土中,经过强制式搅拌机充分搅拌均匀而成的彩色混凝土,色彩纯正,永不褪色,无须象一般的外墙涂料每隔2~4年需要从新涂刷一次,否则,该建筑毫无美感可言,尤其对于分期建设的小区,建设期越长,新旧建筑差距越大,严重时会影响整个小区的建筑风格。
  三、冬暖夏热地区
  对于冬暖夏热地区,冬季负温时间比较短,相对温度较高,但夏季天气炎热,近年来最高温度可达40℃左右,传统的240厚砖墙房屋的隔热性能较发达国家相比,明显较低。与我国同纬度的发达国家的外维护墙体基本上都采用了不同形式的保温隔热措施,如采用双层复合墙体、在墙体内侧增加保温隔热材料等方式,来提高房屋的居住舒适性,美国的砌块建筑内墙体都采用了轻钢结构面层,轻钢结构中附设隔热材料。
  在上个世纪90年代,随着我国粘土砖的限制使用,混凝土砌块的发展,在江浙等沿江经济发达地区,兴建了大量砌块建筑,但由于受到当时对混凝土砌块材性认识的局限性,仅用190厚普通混凝土空心砌块作为建筑的外墙,房屋的隔热性能差,冬冷夏热,加上构造措施设置不当,造成房屋墙体开裂、渗漏等质量通病,使砌块建筑的发展一度受到了制约。
借鉴国外发达国家砌体建筑的成功经验,对于非采暖地区,可采用如右上图所示的"三明治"砌块,利用彩色的劈裂面作为建筑的装饰面,丰富建筑的立面效果,但在建筑的外围护墙体内侧增加一层保温砂浆抹灰或其他保温隔热材料,来增加建筑的保温隔热效果。目前,利用该种形式的砌块,采用不同厚度的内墙保温,在我国部分地区已得到广泛应用。
  四、砌块在轻钢建筑中的发展
  随着我国的钢产量早已跃居世界第一位,为了保证建筑质量和消化钢材,国务院于1999年提出由建设部和国家冶金总局成立了建筑用钢协调组,研究和推广钢结构建筑与住宅的建设。日前,有关部门在总结经验的基础上,正在完善相应的技术规范。国内外实践证明,钢结构住宅在住宅产业化进程中起着举足轻重的作用。轻钢结构住宅主要是指以镀锌轻钢龙骨为结构件建造的住宅,这种结构在国外多为一、二层的独户式小住宅,也有用其建造六层以下集合式住宅的。轻钢结构住宅具有性能好、自重轻、工厂化程度高、建造速度快、劳动强度小等优点,因而近三十年来在欧美国家逐步发展起来,已经形成了一整套十分成熟的技术。
  由于轻钢结构住宅是国外许多发达国家普遍采用的成熟技术,其优良的技术性能和产业化生产方式,符合住宅产业现代化的方向。但中国的消费者由于长期以来住惯了砖混或钢筋混凝土结构的住宅,从慢慢开始接受到逐步喜欢轻钢结构住宅,需要一个渐进的过程。轻钢结构住宅体系是在国外尤其是北美地区木结构住宅的基础上发展起来的,这两种体系虽然在国外已经十分成熟和完善,但是对于我国来说却完全是新东西。
  因此,对于轻钢结构建筑,在综合考虑保温、隔热、耐久、防火等要求的基础上,结合国外成熟经验,可采用混凝土装饰小砌块与轻钢结构相复合,即建筑结构的承重部分采用轻钢结构,外装饰部分采用规格尺寸与粘土砖相近的混凝土装饰小砖砌筑外叶墙,外叶墙与轻钢结构之间用镀锌铁件或不锈钢件相连接,该种建筑与传统的粘土砖建筑极为相似,但比粘土砖建筑具有更好的耐久性,而且,在混凝土中加入彩色氧化铁系列颜料,可充分体现建筑色彩的丰富、多样性。
 混凝土装饰小砖砌筑的外叶墙,不仅装饰的建筑的外观色彩,同时又保护了内部的钢结构,避免钢结构暴露在空气中,影响建筑物的耐久性。
  在钢结构与混凝土砖墙之间以及钢结构中间填充适当的保温材料可满足我国从北到南整个地区的保暖、隔热要求。 

 

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砌块建筑的墙体保温与节能研究
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