混凝土夹芯复合墙板热工性能研究.pdf

杆 童巍 全 国 中 文 核 心 期 刊 涅凝 土夹芯复合 墙板 热 工性 能研 究 蒋金梁， 干钢 ( 浙江大学 建筑设计研究院 ， 浙江 杭州3 1 0 0 2 7 ) 摘要 ： 结合浙江省等夏热冬冷地区的节能设计标准， 研究开发了一种自保温混凝土夹芯复合墙板， 并重点研究了混凝土夹芯复 合墙板在不 同保温层 厚度 、 斜 向钢筋含量和混凝土层 厚度情况下， 其热工性能指标的变化规律。结果表 明， 在不采取额外保温措施 的 情况下， 混凝土夹芯复合墙板的热工性能能满足夏热冬冷地区节能设计标准要求。 研究成果与实际工程联系紧密， 具有较高的实用价值。 关键词 ： 混凝土夹芯复合墙板： 节能标准； 热工性能 中图分类号： r U l l 1 4 文献标识码： A 文章编号： 1 13 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 2 7 0 4 Re s e a r c h o n t h e th e r ma l p e r f o r m a n c e s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s a n d wi c h wa l l - p a n e l J 1 ANG J i n l i a n g ， G AN Ga n g ( A r c h i t e c t u r a l D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 7 ， Z h e j i a n g ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n c o m b i n a t i o n w i t h t h e s t a n d a r d o f e n e r g y c o n s e r v a t i o n i n t h e H o t S u m me r a n d C o l d Wi n t e r R e g i o n s l i k e Z h e j i a n g P r o v i n c e ， a k i nd o f s e lf - i n s u l a t i o n r e i n f o r c e d c o n c r e t e s a n d wi c h wa l l - p ma e l i s e x p l o i t e d I n f l u e n c e o n t he r ma l p e r f o rm a n c e s o f r e i n f o r c e c o n c r e t e s a n d wi c h wa l l p a n e l ， d u e t o t h e d i f f e r e n c e i n t h i c k n e s s o f c o n c r e t e l a y e r ， t h e t h i c k n e s s o f h e a t i n s u l a t i o n l a y e r a n d t h e r a t i o o f o b l i q u e t i e b a r ， are a n a l y z e d T h e i n v e s t i g a t i o n r e v e a l s t h a t u n d e r t h e c o n d i t i o n o f n o t t a ki n g a d d i t i o n a l t h e r ma l i n s u l a t i o n me a s u r e s ， t h e t h e r mal p e rfo r ma n c e s of c o n c r e t e wa l l p a n e l me e t t h e r e q u i r e me n t s o f s t a n d a r d o f e n e r g y c o n s e r v a t i o n i n t h e Ho t S u mme r a n d C o l d W i n t e r Re g i o n s T h e fin d i n g s of t h i s p a p e r a r e t i g h t l y r e l a t e d t o t h e e n g i n e e r i n g p r a c t i c e a n d h a v e r e l a t i v e l y h i g h e r u s e v a l u e Ke y wor d s： r e i nfo rce d c o n c r e t e s a n d wi c h wall p a n e l ； t h e s t a n d a r d of e n e r g y c o n s e r v a t i o n； t h e r ma l p e rf o r ma n c e s 0 引言 我国 “ 节能减排” 政策要求建筑热工设计应与地区气候相 适应l 1 _ 。目 前建筑热工设计主要内容为冬季保温和夏季隔热， 与冬季和夏季的温度状况有关， 因此， 我国用累年最冷月( 即 1 月) 和最热月( 即7 月) 平均温度作为分区主要指标， 累年日 平均温度 5 。 C 和I2 5 。 C的天数作为辅助指标， 将全国划分 成5 个区， 即严寒地区、 寒冷地区、 夏热冬冷地区、 夏热冬暖地 区和温和地区。建筑热工设计分区及设计要求详见表 1 。 按全国建筑热工设计分区图， 浙江省属于夏热冬冷地区。 夏热冬冷地区处于我国寒冷地区与炎热地区之间，属于过渡 地带 2 1 。建筑热工设计必须满足夏季防热要求， 适当兼顾冬季 保温。早些年， 国家把建筑节能的重点放在采暖地区， 那是因 为与夏热冬冷地区的建筑相比， 当时采暖地区的建筑能耗要 基金项 目： 浙江省建设厅建设科技科研和推广项 目( 0 8 Z 0 1 2 ) 收稿 日期： 2 0 1 1 - O l 一 1 1 作者简介： 蒋金梁， 男， 1 9 7 2 年生， 湖北大悟人， 硕士， 高级工程师， 一级注 表 1 建 筑热工设计分 区及设计要 求 分 区 分区指标 名 称 磊 设 计 要 求 册结 构工 程师 。 地址 ： 杭 州市 浙大 路3 8 号， E a i l ： h z j i a i n 1 1 6 3 o m 。 高很多。 但是到了今天， 情况已经而且还将发生重大变化。 这 N E W BUI L DI NG M ATF RI AL S 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蒋金梁， 等： 混凝土夹芯复合墙板热工性能研究 是因为： 夏热冬冷地区的建筑围护结构的隔热保温性能很差； 由于环境潮湿， 通风要求很高， 通风能耗很大； 这个地区建筑 需要空调制冷和采暖的时间很长， 总共约在半年左右。 由于存 在这些增大能耗的因素， 在达到应该达到的热舒适情况下， 其 单位建筑面积能耗要比寒冷地区更高。 再则， 这个地区空调制 冷和采暖所用的能源， 越来越集中于电能这个高品位能源。 我 国电能生产仍是以火电为主， 要经过能源加工转换， 并有输配 电损失， 使用电能的终端能源效率很低， 大约只有 3 0 ， 还不 到直接燃煤锅炉采暖效率的一半l I 。 在建筑围护结构中，外墙是与室外环境接触最多的外围 护结构， 其保温隔热性能对建筑能耗影响很大。目前， 国内外 在建筑节能技术方面的研究主要集中在采用建筑构造措施， 利用一些绝热或导热系数较小的建筑材料，与建筑外墙组合 在一起形成“ 复合” 节能墙体， 以减少建筑物与外界环境的热 交换， 达到保温隔热的作用。 结合浙江地区的气候特点， 充分考虑浙江省社会经济、 技 术发展水平和屋面、 外墙结构体系及材料的多样性， 提出围护 结构外墙的建筑节能设计标准 1 ： 1 5 、 D 3 0或K1 0 、 D 2 5 式中： 围护结构传热系数， W ( m K ) ； 一 围护结构热惰性指标。 目前，我国住宅的外墙保温施工方法主要有：外墙内保 温、 外墙内外混合保温和外墙外保温等 3 种 。从其施工方 法和目前使用的情况来看， 还存在以下几个问题： ( 1 ) 外墙保温与主体结构分开施工， 延长施工周期， 增加 建筑成本。 ( 2 ) 保温层与其它材料材质密度相差过大， 材质问的弹性 模量和线性膨胀系数不同， 在温度应力作用下的变形也不同， 极易产生面层的裂缝。 ( 3 ) 保温层与主体问存在空腔， 抗风压尤其是抗负风压的 性能差， 并且火灾时会很快形成“ 引火通道” ， 迅速蔓延。 ( 4 ) 保温层直接与外界环境接触， 在周期性热作用下， 耐 久性较差， 其使用寿命不能做到与主体结构相同， 为做到节能 在建筑整个使用寿命期间都能发挥作用， 需多次维护， 甚至更 换， 付出昂贵的维护费用。 从现阶段的外墙保温施工与使用情况看，认为要解决以 上几个问题， 单纯从改善施工工艺无法彻底消除其质量隐患。 我们能否在建筑工程中采用一种既能满足结构受力要求， 又 能满足建筑外墙保温隔热的结构体系。本文介绍的混凝土夹 芯复合墙板能满足上述要求。 混凝土夹芯复合墙板作为一种保温和承重相结合的墙 板， 主要用于建筑物外墙和楼梯间， 区别于其它承重墙体的 2 8 新型建筑材 料 2 0 1 1 5 特点是具有自保温功能，即在不采取额外保温措施的情况 下， 能满足建筑围护结构的保温隔热性能。本文结合浙江省 等夏热冬冷地区的节能设计标准， 研究不同构造层次复合墙 板的热工性能， 为该墙板在浙江省等夏热冬冷地区的应用奠 定基础。 l 混凝土夹芯复合墙板结构体系的构造 混凝土夹芯复合墙板一般由内外2 层等厚或不等厚的钢 筋混凝土墙板， 中间夹 1 层保温板组成， 内、 外2 层混凝土层 的钢筋网架之间由穿过保温层的斜拉筋连接为一体 ( 见图 1 ) 。施工时， 内外侧混凝土一起绑扎钢筋骨架， 整体现浇。 图 1 混凝土夹芯复合墙板轴 侧图 外侧混凝土的厚度最薄为5 0 m m ，与内侧混凝土等厚或 不等厚， 主要起到保护保温层的作用。 内侧混凝土作为结构的 主要受力构件， 承受结构竖向和水平力的作用。 中间保温板与 钢筋骨架连为一体， 由工厂制作， 分层安装， 既作为结构的外 墙保温， 施工时又作为内模， 保温材料通常采用聚苯乙烯泡沫 塑料、 岩棉、 玻璃棉、 矿棉等。 本文复合墙板保温材料选用希尔 特挤塑板进行热工分析。 2 混凝土夹芯复合墙板热工性能研究 建筑物围护结构时刻受到室内外的热作用，不断有热量 通过围护结构传递。 建筑物环境随着季节更替，外界热作用也随时间呈周期 性变化，围护结构内部的温度和通过围护结构的热流量亦将 发生变化， 传热过程为不稳定传热18 I 。 温度波在围护结构的传递过程会产生衰减和延迟现象， 是由于在升温和降温过程中材料的热容作用和热量传递中材 料层的热阻作用造成的。当热量从围护结构的外表面向内传 递时， 进入每一层的热流使该层的温度有所提高， 为此所用的 热量贮存在该层中，多余的热量便依次转移至相邻较冷的层 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蒋金 梁， 等： 混凝土夹芯复合墙板热工性能研究 内， 因此， 每一层只受到少量的热作用， 而其温度的提高值便 比相邻的外层为低。由于在围护结构内部贮热的结果， 达到 最内层的热量要比通过最外层的热量为少， 其温度提高值也 就最小。当外表面的温度达到其最高值开始冷却时， 上述过 程便相反， 即出现各层依次冷却的过程。由此可见， 围护结构 的任一截面均经历着加热及冷却的周期变化过程， 内表面温 度的波动振幅要低于外表面的波动振幅， 内表面出现最高温 度的时间比外表面出现最高温度的时问要晚。内表面与外表 面的温度振幅比， 取决于围护材料的物理性能及厚度， 当围护 结构的厚度及热容量增大而材料的导热系数降低时， 内表面 的波动振幅就减小， 出现最高值的延长时间就越长。 从上述分析可知， 在稳定传热中， 传热量的多少和表面温 度、 内部温度的高低与材料的导热系数和结构的传热阻密切 相关； 而在不稳定传热过程中， 则与材料和材料层的蓄热系数 及材料层的热惰性有关。 混凝土夹芯复合墙板的保温隔热性能与保温层厚度和两 侧混凝土层厚度有直接关系， 为了揭示其热工性能指标 传热系数 、 围护结构热惰性指标D随复合墙板构造的变化 规律， 选取以下不同构造的复合墙板， 分别分析其热工性能， 检验其是否满足浙江省建筑节能设计标准 。 墙板参数： 外侧混凝土墙体厚度为5 0 m m， 内侧混凝土墙 体厚度为 1 2 0 3 0 0 m m ， 中间保温层( 希尔特挤塑板) 厚度为 1 0 1 0 0 m m ， 斜向钢筋含量分别为0 、 0 0 5 、 0 1 0 、 0 1 5 ， 内 外粉刷层厚度取为2 0 m m。建筑材料热工性能计算参数见表 2 表 2 建筑材料热工性 能计算参数 按以下几种不同情况分析墙板热工指标， 并以曲线表示 其变化规律。 ( 1 ) 外侧混凝土墙体厚度为5 0 m i l l ， 内侧混凝土墙体厚度 为 1 4 0 m m ， 希尔特挤塑板厚度为1 0 1 0 0 m m ， 不设置穿过保 温层的斜向钢筋。 ( 2 ) 设置穿过保温层的斜向钢筋， 并连接内外墙板， 斜向 钢筋含量( 穿过保温层的斜向钢筋截面面积占保温层截面面 积的百分率) 分别为0 0 5 、 0 1 0 、 0 1 5 ， 其余条件同( 1 ) 。 ( 1 ) 、 ( 2 ) 两种情况下， 传热系数和热惰性指标与保温层厚 度的关系分别见图2 、 图3 。 图 2 混凝土夹芯复合墙板传热系数 与保温层厚度的关系 图 3 混凝土夹芯复合墙板热惰性 指标 与保温层厚度的关系 从图2 、 图3 可以看出， 穿过保温层的斜向钢筋对复合墙 板的传热系数、 热惰性指标有很明显的影响， 斜向钢筋含量越 大传热系数越大，热惰性指标越小，说明斜向 钢筋有较大的 “ 热桥” 效应。 斜向钢筋含量一定的情况下，传热系数曲 线开始时随保 温层厚度增加迅速下降， 但下降到一定程度后， 曲线就变得非 常平缓，这说明随着保温层厚度增加，传热系数降低幅度变 小。热惰性指标随保温层厚度变化不大， 厚度越大， 热惰性指 标越高。实际工程应根据节能设计标准确定合理的保温层厚 度。 ( 3 ) 为了研究复合墙板的热工性能与混凝土层厚度的关 系，保温层厚度取4 0 8 0 m m，内外侧混凝土墙体总厚度为 1 5 0 3 5 0 m m，考虑斜向钢筋的热桥效应，斜向钢筋含量为 0 0 5 。传热系数和热惰性指标与混凝土层厚度的关系分别 见 图4 、 图5 。 邑 坦 图 4 混凝土夹芯复合墙板传热系数与混凝土层厚度的关系 N E W BUI L DI NG M AT E RI AL S 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蒋金梁， 等： 混凝土夹芯复合墙板热工性能研究 图 5 混凝土夹芯复合墙板 热惰性指标与 混凝土层厚度 的关系 从图4 、 图5 可以看出， 保温层厚度增加时， 传热系数相应 减小； 保温层厚度一定时， 传热系数随混凝土层厚度增大变化不 大； 热惰性指标随保温层厚度变化不大， 混凝土层越厚， 热惰性 指标越高， 这与保温层的密度较小有关； 热惰性指标的变化主要 来自 混凝土层， 随混凝土层厚度变化近似成一次线性关系。 3 结语 ( 1 ) 混凝土夹芯复合墙板在不设置额外保温措施的情况 下，其热工性能指标能满足浙江省等夏热冬冷地区建筑外墙 节能设计标准要求。 ( 2 ) 在不同保温层厚度和斜向钢筋含量的情况下， 混凝土 夹芯复合墙板的总厚度为2 4 0 3 0 0 m m时的传热系数与一般 ( 上接 第 2 6贞 ) ( 2 ) 节能： 新型墙板本身无冷桥， 可以实现较低传热系数， 且外挂的安装方式可以消除整个建筑立面的冷桥。 ( 3 ) 节材： 板面平整， 可以免抹灰， 且自重轻， 可减少梁、 柱、 地基基础的用料。 ( 4 ) 节地： 其外挂的安装方式以及其自身较薄的厚度可增 大建筑使用面积， 起到节地的作用。 ( 5 ) 适用范围广： 其多样化的板芯选择， 可降低成本， 使之 适用于各类建筑， 包括低成本建筑和超低能耗建筑， 并适合于 我国所有气候区域。 目前完成了手工制作新型墙板样品的主要技术指标测试 和安装工艺初步研究， 形成产业化的关键是需要投入大量人力 财力完成产品的机械化或自 动化生产。形成产业化的过程中， 需要材料、 机械、 工控、 建筑设计等多专业的人才协同攻关。 6 结语 研制了一种全新的混凝土面层绝热外挂墙板。 新型墙板采 用木材胶合板或微发泡P V C板作为拉结件，由于拉结件的导 热系数比混凝土小1 0 倍以上，而抗拉强度却高1 0 倍以上， 故 可以解决板内冷桥问题， 从而获得高效节能的外墙板。其混凝 3 0 新型建筑材料 2 0 1 1 5 建筑墙体厚度较接近， 可以替代现有墙体。 ( 3 ) 穿过保温层的斜向钢筋具有明显的“ 热桥” 效应， 分析 复合墙板的热工性能应考虑其影响。 ( 4 ) 由于保温层置于两侧混凝土层之间， 与混凝土层同时 施工， 具有很好的稳定性和耐久性， 后期几乎不需要维护， 具 有良 好的经济和社会效益， 具有广阔的应用前景。 参考文献 ： 1 】 G B 5 O l 7 6 - 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