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行业资讯 | 预制混凝土夹心保温外墙板热桥影响解读(一)

分类:
行业新闻
2018/04/03 15:56
【摘要】:
近几年来,预制混凝土夹心保温外墙板(以下简称夹心保温外墙板)技术开始在国内兴起并迅速普及,保温拉接件是制作夹心保温外墙板的关键产品。拉结件在与内、外叶墙板混凝土共同工作时,除了要求具有足够的承载能力和耐久性能以外,还需要具有很低的导热系数,以降低外墙板热桥的影响。常用的保温拉接件有GFRP拉结件和金属拉结件两类,它们对外墙板的热桥影响也有很大的差异。 经常有技术人员提出“拉结件的截面积很小,因此热

近几年来,预制混凝土夹心保温外墙板(以下简称夹心保温外墙板)技术开始在国内兴起并迅速普及,保温拉接件是制作夹心保温外墙板的关键产品。拉结件在与内、外叶墙板混凝土共同工作时,除了要求具有足够的承载能力和耐久性能以外,还需要具有很低的导热系数,以降低外墙板热桥的影响。常用的保温拉接件有 GFRP 拉结件和金属拉结件两类,它们对外墙板的热桥影响也有很大的差异。

 

经常有技术人员提出“拉结件的截面积很小,因此热桥影响可以忽略不计”和“南方地区不需要夹心保温外墙”的观点,这是真的吗?笔者结合美国的研究资料,以及国内的相关检测报告,分析金属和非金属保温拉结件热桥对外墙板损失率问题,以及怎样从技术上消除热桥,实现本质上的节能。

 

01热量传递和热桥的基本概念

 

1. 热传导的方式

 

热传导有传导、对流、辐射(包含反射)三种方式。在建筑中,室内外的能量交换过程,主要通过建筑的外围护表面完成,并且三种方式同时存在,这就对建筑外围护提出了一定的技术要求,如屋顶、外墙、门窗的密闭性、隔热性、热辐射性等。随着城市建筑越来越高,外墙和门窗所占的建筑表面积超过了 80%,而外墙所占比例又很大,成为建筑热量交换的主要媒介,且主要以传导方式为主,因此,提高建筑外墙的热阻值(或降低外墙的热传导系数)可以阻止和减缓建筑室内外的热交换。

人类在室内生活工作的适合温度为16℃~25℃左右,当夏天温度较高和冬季温度较低时,为了保持室内的舒适性,往往需要输入能量进行制冷和供暖来调节温湿度。如果外墙的保温或隔热性能不好,就会提高建筑能耗。据统计,我国建筑消耗了社会能源的45%左右,节能空间很大,提高墙体的热阻对于建筑节能意义重大。

 

2. 墙体传热性能热工指标之间的关系

 

在民用建筑的外墙节能中,墙体的传热系数是衡量保温隔热性能的关键指标之一,不同的材料具有不同的导热系数,材料导热系数越低表示在材料中热量传递越缓慢,一般来说外墙都是由多层不同的材料构成,因此墙体的传热性能用传热系数或者热阻值指标来衡量(传热系数 K 与热阻值 R 成反比),R 值越高(K 值越低)代表保温隔热性能越好。相反地,R 值越低(K 值越高)代表保温隔热性能越差,建筑工程在外墙节能上的投入,可以理解为花钱提高墙体的热阻,是为了创造长期的节能效益;在各层墙体所用材料和构造的厚度确定以后,墙体的传热系数和热阻值可以通过计算获得,其传热性能指标也可以通过实验进行检测。

 

3. 热桥的概念

 

在实际工程中,由于建筑构造的要求,墙体由多种不同材料的层片组成,如承重层、保温层、装饰层组合成为一道墙体,多层构造之间需要通过拉结件(或称为“连接器”)进行连接。如果室外悬挑阳台和空调板等需要伸入到室内才能获得受力的支撑,就会穿过墙体的保温层,穿过的部位就成为联通室内外的“桥”,尽管保温层隔绝了大部分的室内外构造,提高了墙体的热阻,但是这些“桥”就成为了室内外热量交换的热桥。局部的热桥就像一个装水的玻璃杯上被开了孔洞一样,会使水流干,只是墙体中热桥的存在所导致的能量流失过程难于直接观察,也难以分析计算和检测,因此很容易被人忽视,事实上对墙体的热工性能影响很大。

热桥的存在不但会降低墙体的热阻,导致长期的能耗损失,同时在一定温差和湿度条件下,会导致室内空气中的水分冷凝结露,甚至结霜,导致霉菌生长,不利于影响室内环境健康,因此在建筑设计时,应该重视外墙热桥的治理。

 

02拉结件的导热性能对夹心保温外墙板热工性能的影响研究

 

到底热桥对于夹心保温外墙板的热工性能有多大影响?这是很多工程师普遍关心的问题,笔者收集了两组试验检测资料,通过对比也许可以给我们一些启发。一组是来自中国建科学研究院国家建筑工程质量监督检验中心的两份检测报告,检测报告的编号分别为“BETC-JN1-2007-161”和“BETC-JN1-2017-00141”,这两份报告为分别采用美国Thermomass的GFRP拉结件和国内某企业不锈钢拉接件的夹心保温外墙板热阻值测试值;另一组检测试验来自于美国Oak Ridge国家实验室建筑技术中心对于不同拉结件和热桥的夹心保温外墙板进行试验研究,报告日期为2001年10月26日。

 

1.GFRP拉结件和不锈钢拉结件夹心保温外墙板热阻值检验结果

 

北京万科是国内首家在装配式建筑中采用夹心保温外墙板的企业,为了保证项目满足节能要求(北京的节能标准50%),拉结件供应商在中国建筑科学研究院国家建筑工程质量监督检验中心对夹心保温外墙板的热工性能进行检验,并取得了编号为 BETC-JN1-2007-161的检验报告(图1),该检验采用1000mmx980mm的试验墙板,墙身构造为60mm厚钢筋混凝土 +50mm厚 XPS保温 +60mm厚钢筋混凝土。

 

两层墙板混凝土之间用6只MS50型Thermomass的GFRP保温拉接件连接,墙身构造如(图2)。根据编号“BETC-JN1-2007-161”报告的检验结果,其检验结论为“砌体热阻=1.7(m 2 .K/W),传热系数 =0.54(W/m 2 .K)”。

 

国内某企业采用 4 只直径 8mm 的不锈钢保温拉接件,制作了相同的夹心保温外墙板,同样在中国建筑科学研究院国家建筑工程质量监督检验中心检验,取得编号 BETC-JN1-2017-00141(图 3)的检验报告,该检验采用 980mmx980mmx300mm 的夹心保温外墙板,构造为200mm 厚钢筋混凝土 +50mm 厚 XPS 保温板 +50mm 厚钢筋混凝土”,两层墙板混凝土之间用 4 只直径 8mm 的不锈钢(金属)拉结件连接。

 

 

根据“BETC-JN1-2017-00141”检验报告,检验结论为“所送检验品传热系数为0.70(W/m 2 .K)”。该报告没有给出墙板的热阻值。

 

2. 对金属和GFRP材料拉结件热桥损失率的分析

 

众所周知,GFRP是由玻璃纤维和高分子树脂制成的复合材料,其导热性能介于玻璃和塑料之间,导热系数为0.4W/m.K左右,不锈钢材料的导热系数为17W/m.K左右,两者的热导率相差 40 倍左右,因此不锈钢拉结件的传热会明显高于 GFRP 拉结件,其热桥效应不容忽视。

 

普通钢材的导热系数更是高达50W/m.K左右,因此更不能用作制造保温拉接件的材料。

 

 

对比两个实验报告的测试数据(表一)可以发现,虽然采用不锈钢拉接件的墙板比GFRP 拉结件的墙板混凝土厚度增加了 80mm,且拉结件的截面积少了 1/3,但是由于不锈钢的热导率很高,墙板的传热系数比 GFRP 夹心保温外墙板增大了 29.6%,差异非常之大。

这就意味着,尽管不锈钢拉接件的截面积只有夹心保温外墙板面积的 0.02%,但是由于不锈钢热桥的存在,墙板的热工性能下降了30%之多,这似乎很难让人理解。大多数的人都会认为:保温材料只是被拉结件占去了不到 0.02% 的面积,热桥的损失应该也是在 0.02% 左右,那么前面实验报告的结论应该怎么解释?其实道理很简单,用保温材料来隔绝热量交换,类似于我们用杯子盛水一样,热桥就相当于在底部开了“小孔”,由于水流损失是持续的,即使小孔的面积不到杯子表面积的 1%,也可以让杯子里面的水流光。而且墙板混凝土的表面积很大,扩大了热桥与空气进行热交换的面积,进一步加速了热量的流失,东北谚语“针尖大的洞,斗大的风”说的就是这一现象。

从这一检测结果对比情况看,如果在夹心保温外墙板的各层构造厚度基本相同的情况下,采用不锈钢保温拉结件,比 GFRP 的热工性能下降了 30%,在国内对建筑节能要求越来越高的情况下,这 30% 的节能差距不容小觑。

 

3. 美国试验研究的简介

 

美国 Oak Ridge 国家实验室建筑技术中心在 2001 年对不同构造的夹心保温外墙板进行了热工性能检测,用于研究墙体热性能受连接墙体两层混凝土的金属或者纤维复合连接器影响,并发布了研究报告(图 5)。该试验研究一共制作了5块夹心保温外墙板,对其中的5块测试墙板进行了稳态检测,并对3块墙板进行了动态检测,形成了系列检测数据,简述如下。

 

 

(1)墙板的构造和连接情况简介

 

根据 Oak Ridge 国家实验室建筑技术中心的试验报告,在一系列的对比试验检测中,共使用了 5 块测试墙板试件,1 # ~4 # 测试墙板均由两层混凝土层中间夹一层绝热板组成。两个混凝土层分别由 GFRP 拉结件、金属拉结件或混凝土肋穿过保温层进行连接,测试墙板的尺寸均为 2590mmx2970mm,测试用热箱的尺寸为2440mmx2440mm。

 

其中 1 # ~4 # 测试墙板包括两个 3 英寸(约 76mm)厚的混凝土层,中间夹一个 2 英寸(约 50mm)厚的挤塑混凝土绝热板,6# 测试墙板的保温层由 2 英寸和 6 英寸的混凝土组成,保温由 6 英寸厚的黑色聚苯颗粒保温板(EPS)和 1/2 英寸厚的蓝色挤塑苯板(XPS)组成,并且在蓝色挤塑板的两个表面均附加了粘合聚苯烯膜(防潮层)。

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