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觀點 | 谷明旺:對預制混凝土夾心保溫外墻板熱橋影響的再認識

樓主:上海市裝配式建筑發展推進平臺 時間:2020-10-01 16:46:55

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。


1

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。


2


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


北京萬科是國內首家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(m2·K/W),傳熱系數 =0.54(W/m2·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/m2·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)。

各測試墻板的保溫厚度和拉結件連接方式情況如表2。

(2)夾心保溫外墻板的穩態和動態熱箱測試結果對比

此試驗研究中,1 # ~4 # 測試墻板的混凝土和保溫厚度均一致,只是使用的保溫拉接件形式不同,也就是所形成的熱橋與差別,通過測試結果可以對比反映不同的拉結件所形成的熱橋損失,由于美國使用o F 和 ft 、Btu作為溫度和尺寸、熱量單位,為了方便國內讀者參考,根據其試驗檢測結果,翻譯和換算結果摘錄如下表3(1h.f t2.oF/Btu=0.1761m2·K/W)。

在以上表格中,我們假定采用 GFRP 保溫拉結件的1# 墻板熱阻值為 100%;2# 墻板采用了碳鋼拉接件,導致墻板熱阻下降 25%;3# 墻板采用混凝土肋穿過保溫,導致墻板熱阻下降40%;4# 墻板同時采用碳鋼金屬拉結件和混凝土肋穿過保溫,導致墻板的熱阻下降 50%。

從以上試驗檢測結果可以看出,金屬拉結件和混凝土穿過保溫板時,雖然所形成的熱橋面積只有墻板面積的0.025%~0.26%,也會導致墻板的熱工性能下降25%~50%,墻板的熱阻值就是人們花錢所購買得到的保溫隔熱性能,如果保溫拉接件設計有問題,一旦形成了熱橋就會極大地降低墻板熱工性能,不但損失了投資成本,還會造成長期的能源浪費,因此,在進行建筑節能設計時,不能夠忽視熱橋的影響。


4. 夾心保溫外墻熱橋損失對節能設計的影響分析

通過前面兩個檢測報告的對比以及美國對夾心保溫外墻板熱橋試驗研究的報告可以看出,熱橋的存在會導致墻板熱工性能指標下降,為了滿足正常的建筑節能要求,在對夾心保溫外墻板設計時,應該注意哪些問題?

首先,應該重視保溫拉接件的選型。根據常識,金屬材料具有較高的導熱性能,應該盡量選用導熱系數較低的 GFRP 保溫拉接件,有利于徹底消除熱橋。

如果采用金屬材質制作的保溫拉接件,應盡量選用導熱系數較低的不銹鋼材料,可以比普通碳鋼減少1/2~2/3 左右的熱橋損失。

其次,陽臺和空調板由于受力要求,鋼筋和混凝土往往要穿過夾心保溫外墻,也會形成較大的熱橋,當室內外溫差較大時,甚至會引起局部冷凝結露或墻體發霉,應該采取措施進行治理。通過以上分析,只要有不到 3%的墻板保溫缺失,形成的內外混凝土聯通,就會使墻板的保溫性能下降 40%~50%,一般陽臺和空調板的熱橋面積分別占墻板的 6%~7% 和 2% 左右,必須引起重視,應該采取措施避免聯通橋對墻板的保溫性能影響,如采用哈芬的陽臺斷橋連接器,隔絕陽臺板與室內的熱交換(圖7)。必要時,也可以將空調板改為不銹鋼室外支架,直接掛裝在外葉墻上,既輕便也有利于施工,并節省造價。


另外,通常門窗洞口部位往往是墻體熱阻的薄弱環節,容易形成熱橋。對夾心保溫外墻板的設計,應該用保溫材料完全阻斷內外層混凝土的連接。除了門窗的節能性達標以外,門窗洞口的構造方法非常重要,夾心保溫外墻板的內外表面溫度不同,因此產生的熱脹冷縮也有差異,應該用保溫層完全隔開,如果在洞口部位把混凝土聯通,不但會存在嚴重的熱橋,同時也無法避免聯通橋混凝土的開裂,上海地區大量三明治外墻曾經采用鋼筋混凝土封邊,所出現的問題也證實了這一點,因此設計時應該盡量避免室內外混凝土聯通。


3


采用不同類型拉接件的夾心保溫外墻板熱橋對比計算分析


假設有三個實心山墻的尺寸均為3600*2800mm,采用“200厚混凝土內葉墻 +50厚XPS+50厚混凝土外葉墻”構造的夾心保溫外墻,如果分別采用Thermomass 截面5*10mm的GFRP保溫拉結件和截面直徑8mm不銹鋼保溫拉接件、碳鋼拉結件制作,布置間距均為500*600mm,試分別計算三個墻板的熱阻值和熱橋造成的熱阻值損失率。(導熱系數取值:混凝土為1.28W/m·K,XPS為0.03W/m·K,GFRP為0.4W/m·K,不銹鋼為17W/m·K,普通碳鋼為48W/m·K。)


(1)GFRP 夾心保溫外墻板的熱工性能指標計算

250 厚混凝土的熱阻為:R 砼 =0.25/1.28=0.195m2·K/W

50 厚 XPS 的熱阻為:R XPS =0.05/0.03=1.67m2·K/W

外空氣幕熱阻為:R e =0.04m2.K/W

內空氣幕熱阻為:R i =0.11m2.K/W

總熱阻為:R總=R砼RXPS+Re+Ri =1.67+0.195+0.04+0.11=2.015m2·K/W

墻板主體的傳熱系數為:Kp=1/R 總 =0.49W/m2·K

GFRP 拉結件的傳熱系數為:Kb1=0.4/0.05=8W/m2·K

不銹鋼拉接件的傳熱系數為:Kb1=17/0.05=340W/m2·K

普通碳鋼拉接件的傳熱系數為:Kb1=48/0.05=960W/m2·K



(2)計算熱橋損失后的墻板平均傳熱系數

考慮熱橋損失后的墻板平均傳熱系數,按照以下公式計

Km=(KpFp+Kb1Fb1 )/( Fp + Fb1)

其中 Fp 和 Fb1 分別為墻板面積和熱橋面積(墻板中的拉結件面積)。

GFRP 拉結件為:3600*2800/(500*600)*5*10=1680mm2

不銹鋼拉結件為:3600*2800/(500*600)*42*3.14=1688mm2

經計算,GFRP 夾心墻的平均傳熱系數為:

Km=(0.49*3600*2800+8*1680)/(3600*2800+1680)=0.491W/m2·K

熱阻損失率 =(Km-Kp)/Kp=(0.491-0.49)/0.49=0.02%

用 GFRP 做拉結件,熱橋損失為 0.2%,幾乎可以忽略。

不銹鋼拉接件夾心墻的平均傳熱系數為:

Km=(0.49*3600*2800+340*1688)/(3600*2800+1688)=0.54W/m2·K

熱阻損失率 =(Km-Kp)/Kp=(0.54-0.49)/0.49=10.2%

用不銹鋼做拉結件,熱橋損失為 10.2%,有一定的影響。

碳鋼拉接件夾心墻的平均傳熱系數為:

Km=(0.49*3600*2800+960*1688)/(3600*2800+1688)=0.65W/m2·K

熱阻損失率 =(Km-Kp)/Kp=(0.65-0.49)/0.49=32.6%

用普通碳鋼做拉結件,熱橋損失為 32.6%,影響很大。


從以上對比可以看出,用FRP拉結件制作的夾心保溫外墻板,幾乎沒有熱橋損失,采用金屬材料拉結件制作的夾心保溫外墻板,熱橋損失為10~30%左右。

對于不銹鋼拉接件的熱阻值損失率,計算為10.2%,與國外的技術經驗基本吻合,而國內試驗檢測卻高達30%,幾乎接近普通碳鋼拉結件的理論計算值,出現了較大的差異,經過分析,可能是由于不銹鋼材質不同所致。


4

熱橋治理對于建筑節能的意義


1. 我國建筑外墻的節能發展情況

上世紀90年代以前,中國的建筑處于房屋短缺的階段,對于房屋的舒適性和建筑節能都重視不夠,由于北方地區冬季普遍需要采暖,隨著經濟的發展和物質水平的提高,“節能墻改”工作逐漸提上議事日程,2000年前后,北方地區首先提高了外墻保溫標準,制定了節能50%的技術目標,這促進了外墻保溫性能的提高,外墻的外保溫技術得到快速發展,盡管在外墻防火、外裝飾面開裂、保溫脫落等方面還存在很多的問題,但對于建筑節能起到了很大的作用,具有顯著的意義。

在一些夏熱冬冷地區,外墻外保溫和外墻內保溫技術并存,當采用外墻內保溫型式時,陽臺、空調板部位會形成嚴重的冷熱,導致了能量的大量流失,無形中白白浪費了能源。

南方地區由于不需要采暖,但在夏季需要使用空調,特別是2000年以后,新建的建筑幾乎都安裝了空調,多數以使用電能為主,由于不是采用集中能源供應,外墻的保溫性能不足所導致的能源損失始終沒有引起足夠的關注,每年夏天空調使用高峰期都會發生拉閘限電停產等情況,近幾年這一現象越來越嚴重。其實在南方地區,提高外墻的熱阻,也是提升建筑節能標準的重要手段。

但由于南方地區多雨和臺風的影響,外墻一般難以采用外保溫的形式,大多數建筑都是采用外墻內保溫形式,以?;⒅楸厣皾{為主,雖然90%以上使用保溫砂漿的建筑,并不能真正滿足節能標準的要求,且外墻內側無法釘掛重物,但由于缺乏技術而得不到改變;甚至很多項目交工后,住戶裝修前的第一件事情就是鏟除外墻的內保溫,不但花掉了基建成本,而且沒有得到一點節能的效果,同時產生了大量的建筑垃圾,這一現象應該引起重視。

夾心保溫外墻的保溫材料是夾在兩層不燃的混凝土之間,在滿足墻板節能要求的同時,徹底地避免了火災危險和保溫材料受潮失效,經過歐美發達國家近五十年的實踐,技術已經非常成熟,是一種非??煽康谋毓澞芗夹g,可以適合于我國任何氣候的地區,也適用于多雨和臺風地區,詳見深圳市住建局《深圳市PC建筑外墻節能集成技術研究》課題報告,本文不再贅述。


2. 夾心保溫外墻板熱橋治理的意義

隨著國內裝配式建筑的興起,夾心保溫外墻的應用越來越廣泛,這一技術應用成功的關鍵是保溫拉結件的設計、選型,通過前文的對比試驗和計算分析可以發現,熱橋對于夾心保溫外墻板的熱工性能影響非常大,特別是金屬材料保溫拉接件所形成的熱橋,會使墻板的熱阻損失高達10%~30%,樓板和陽臺等混凝土聯通橋形成的熱橋更是高達40%~50%,使業主在外墻保溫節能方面造成巨大的浪費,有必要進行治理。

我國的建筑節能經歷了節能30%、節能50%、節能65%幾個階段,北方地區已經上升到節能75%的標準,每一次標準的提升,都是在前一標準的節能基礎之上提高了30%的要求,如果不重視熱橋的影響,一旦熱橋損失過大,就會使保溫節能成為自欺欺人的“安慰性計算”,而實際效果卻大打折扣。

南方地區由于沒有采暖的要求,節能主要體現在節省空調的電耗方面,如果外墻存在較大的熱橋,同樣地會大大降低節能的效果;如果東、西墻體的蓄熱能力較強,由于白天外墻表面的溫度已經非常高,即使是在夜晚也還會大量消耗空調能源,因此熱橋治理對于南方地區同樣重要。

最有效的措施就是盡量避免內外葉墻的鋼筋和混凝土形成聯通,聯通材料只能使用導熱系數較低的高強度材料,才能防止造成熱橋損失,達到較高的熱阻和較低的墻體傳熱系數,真正地實現節能目的。


5

總結


1. 在夾心保溫外墻板設計時,必須采用有一定強度的結構性材料穿透保溫層時,由于熱橋而產生的熱阻損失率,并不與熱橋面積率成正比,而與穿透材料的導熱系數關系很大。熱橋的導熱系數越大,損失率越大,反之則越小。


2. 連接內外葉墻板保溫拉接件宜采用GFRP等低導熱系數的高強度材料制作,所形成的熱橋損失小于1%,可以忽略不計。


3. 如果采用金屬材料保溫拉結件(不銹鋼、普通碳鋼),即使拉結件總面積達到墻板總面積的0.2%~0.3%時,金屬拉結件熱橋會導致墻板傳熱系數增大 10%~30%,不容忽視,應該適當加厚保溫厚度。


4. 不銹鋼材料的種類很多,并且化學成分和分子結構的差異會造成導熱系數變化很大,對用于制作保溫拉結件的不銹鋼材料,應該進行導熱系數檢測,提供其熱工參數后方可計算。


5.?如果有鋼筋混凝土穿過夾心保溫外墻板保溫層時,會形成嚴重的熱橋,當熱橋的面積達到墻板面積的3%左右時,將造成墻板熱阻值下降40%~50%,在對夾心保溫外墻板設計時,應對熱橋影響進行分析,經計算確定保溫厚度,并進行防結露驗算。

在采用夾心保溫外墻的裝配式建筑中,對于陽臺、空調板的熱橋影響,如果不采用斷橋措施,應該計算熱橋損失。

來源:新營造

作者:谷明旺,深圳市現代營造科技有限公司

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