高原高寒地区某项目钢结构公共建筑外墙被动式保温系统研究.pdf

建筑论坛与建筑设计四川建筑第43卷第4期高原高寒地区某项目钢结构公共建筑外墙被动式保温系统研究骆礼松，孟伟，李德智，零江龙1（1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550 0 8 1；2.中国电建集团国际工程有限公司,北京1 0 0 0 0 0)【摘要】钢结构建筑具有装配式建筑的特点，钢材可以回收利用、抗震性能好的优势，已成为国家推广的建筑结构形式之一。本项目由于地处严寒地区，采用钢结构装配式建筑能够缩短周期、提高施工速度。但在钢结构框架承重中，由于钢框架与外墙填充墙部分的热工性能相差很大，容易在钢结构部分出现冷热桥。针对这一问题，本项目采用外墙外保温系统，杜绝冷热桥现象的产生，并对钢结构外围护墙体构造做法的热工性能展开理论分析研究，研究外墙节能保温的精确计算值与规范要求的系数取值法进行对比分析得出结论；并通过对钢结构外墙构造节点进行Abaqus有限元进行瞬态模拟分析，验证节能保温精确计算值的正确性。【关键词】钢结构；导热系数；传热系数；热阻【中图分类号】TU761.1*20引言装配式钢结构建筑的技术优势明显，并且符合建筑中节能环保的总体要求，相关工作人员需严格遵循各个环节的设计要点。提升装配式钢结构的建筑质量，设计人员要严格遵循相应设计标准,不断提高和优化设计水平,从而可以更好地推动钢结构的可持续发展。建筑外墙保温设计采用传统保温构造做法2 ，保温材料为有机保温材料XPS板，XPS具有材料轻质、导热系数低、吸水率低等优点，缺点是燃烧性能为B1、B2 级；防火隔离带处采用无机岩棉板材料，虽然保温性能没有XPS板好，但岩棉板的防火性能好，材料的燃烧性能为A级；钢柱、钢梁部分与其他部分形成的空腔采用岩棉填充，达到保温要求同时，还能满足防火的要求。本项目结合钢结构特点在建筑中应用优势,分析研究钢结构建筑保温的传热系数。对于推广钢结构发展有重要意义3。1外墙节能保温的分析与研究1.1外墙保温构造方式外保温是指在保温板或者喷涂保温材料的设置在外维护结构外围的一种保温系统，也是作为目前使用最广泛的保温系统之一；对于减少建筑冷热桥，墙体变形，延长主体部分墙体的寿命，节约资源和节约经济具有长久的作用41 。2外墙节能保温的热工性能分析2.1公共建筑热工性能(1)该项目的热工分区为严寒A区。(2)各种材料主要技术指标要求，见表1 所示。（3)严寒A区各部分热工性能限值规定5：外墙的体形系数不大于0.3时,其传热系数的限值K不大于0.38 W/m.K；体形系数于（0.30.5 区间，其传热系68【文献标志码】A表1 各种材料指标材料干密度/(kg/m)水泥砂浆/抗裂砂浆1800加气混凝土砌块700岩棉板60 160防火岩棉带80120XPS保温板35钢材7450钢筋混凝土2500细石混凝土2300页岩陶粒混凝土1300干燥空气1.142三元乙丙EPDM橡胶1150数的限值K0.35W/mK。(4)保温材料导热系数的修正系数规定6 :挤塑聚苯板、岩棉、玻璃棉：用于内保温时，修正系数为1.1 0；用于外保温时,修正系数为1.0 5。（5）匀质材料计算公式：R。=8/入R=R。+R。+R;K=1/R式中：R。为单一匀质材料热阻(m.K/W）；R 为材料层热阻（m.K/W)；S 为材料层厚度（m)；入为材料层导热定稿日期 2 0 2 2-0 6-2 3作者简介骆礼松（1 9 8 8 一），男，本科，工程师，从事建筑设计工作。导热系数/(W/mK)0.930.180.0410.0450.03058.2001.7401.5100.6300.0260.250骆礼松，孟伟，李德智：高原高寒地区某项目钢结构公共建筑外墙被动式保温系统研究系数W/（mK);R。为外表面换热热阻（m.K/W）；R;为内表面换热热阻（miK/W）。（6）平均传热系数计算公式：K,Sa+K,S,+K,S.+.K=S,+S,+S。+.式中：K为组合材料的平均传热系数W/（mK)；K,K,K。，K，为垂直于热流方向上各部分面积上的传热系数(m.K/W）；S a,S,S。，.S,为垂直于热流方向上各部分面积(m)。2.2钢结构柱的平均传热热阻理论分析(1)方形钢结构柱内部存在空气间层,将方形钢结构柱沿与热流方向垂直的方向分成n个传热面积，如图1 所示。5厚抗裂砂浆保护层XPS保温层8厚1:3水泥砂浆找平层热流方向热流方向室外.+K,S.+S,热流方向热流方向190潭蒸压加气混凝土8厚1:3水泥砂浆找平层钢材室外18314OS350室内外墙部分图2外墙外保温构造平面（单位：mm）冷热桥混凝土板部分冷热桥钢板部分冷热桥梁1 部分冷热桥梁2 部分冷热桥梁3部分冷热桥梁4部分室内冷热桥柱部分外墙部分防火岩棉板防火隔离带防火岩棉4517010170工字钢梁L7518钢柱图1 方形钢结构柱示意(2)方形钢结构柱的平均热阻可按照下列公式计算。F。R=F+F2RolRo2式中:R为平均热阻(m.K/W)；F。为与热流方向垂直的总传热面积（m）；F,、F2、F，为按平行于热流方向划分的各个传热面积（m）；R o l、R o 2、R o n 为内表面换热热阻(m.K/W);R。为外表面换热热阻(m.K/W);R,为内表面换热热阻（m.K/W）。（3)根据上述取值为0.9 6（表2）。表2 修正系数取值+入2/入1入2/入1 或入120.09 0.100.20 0.390.40 0.690.70 0.99（4)空气间层的传热是计算的关键。空气间层的热阻值（m.K/W）取值规定7 ；得出空气间层热阻取值为0.1 8(m.K/W)。(5）平均传热热阻计算结果。以钢结构柱尺寸为350 mm350mm，壁厚为1 8 mm时的平均传热热阻为0.1 41（m.K/W）。2.3外墙节能保温的分析与研究(1)外墙外保温构造做法，如图2 和图3所示。图3外墙外保温构造剖面（单位：mm）(2)外墙平均传热系数系数取值法的理论分析。在外墙保温节能计算中，按传统系数取值法5，首先计算出多层F(R。+R.)Rom0.860.930.960.98匀质材料组合主墙体的传热系数，其次在计算出主墙体传热系数的基础上乘以一个大于1 的系数，得出整体外墙综合平均传热系数。外墙平均传热系数可按下列公式计算：K=Kp式中：K为外墙平均传热系数W/（m.K)；K p 为外墙主墙体部位传热系数W/（mK)；为外墙主墙体部位传热系数的修正系数（表3）。表3外墙主体部位传热系数修正系数气候分区外保温严寒地区1.30寒冷地区1.20根据计算，外墙传统系数取值法平均传热系数为0.31 6W/(m.K)(表4)。表4外墙主墙体构造做法的传热系数构造部位构造做法（由外到内）(1)5厚抗裂砂浆(2)45厚XPS保温层外墙主墙体（3）8 厚1:3水泥砂浆找平层（4)1 9 0 厚蒸压加气混凝土砌块（5）1 8 厚1:3水泥砂浆找平层(3)外墙平均传热系数加权法的理论分析。在外墙保温节能计算中，当外墙采用燃烧性能为B1、B2 级保温层时，69夹心保温（自保温）1.25 W/(m.K)内保温传热系数0.243建筑论坛与建筑设计往往忽视设置在楼板处采用燃烧性能为A级保温层材料的防火隔离带的计算，防火隔离带设置要求的相关规定8 ；本次研究楼板处的防火隔离带高度按30 0 mm考虑。由于出于科研的严谨性考虑，此次研究是分别考虑组合后墙体各部分的传热系数，通过加权法的方法，求出更准确的整体外墙的平均传热系数（表5）。表5外墙外保温构造做法和构造做法的传热系数构造部位构造做法（由外到内）(1)5厚抗裂砂浆(2）45厚XPS保温层外墙部分（3）8 厚1:3水泥砂浆找平层（4）1 9 0 厚蒸压加气混凝土砌块（5）1 8 厚1:3水泥砂浆找平层冷热桥柱(1)5厚抗裂砂浆(2)45厚XPS保温层(XPS保温层）(3)350mm（长）350（宽）1 8部分(壁厚）的钢柱冷热桥柱(1)5厚抗裂砂浆（防火隔离带（2）45厚岩棉板保温层岩棉板保温(3)350mm（长）350（宽）1 8层）部分(壁厚）的钢柱(1)5厚抗裂砂浆冷热桥（2）45厚岩棉板保温层混凝土板部分（3）8 厚1:3水泥砂浆找平层（4)1 9 0 厚钢筋混凝土(1)5厚抗裂砂浆冷热桥（2 45厚岩棉板保温层钢板部分（3）8 厚1:3水泥砂浆找平层(4)190厚钢板(1)5厚抗裂砂浆冷热桥梁（2）45厚岩棉板保温层1部分（3)7 5厚防火岩棉填充层（4)2 0 0 厚钢梁（上翼缘）(1)5厚抗裂砂浆冷热桥染（2)45厚岩棉板保温层2部分（3）1 7 0 厚防火岩棉填充层（4)1 0 厚钢梁（腹板）(1)5厚抗裂砂浆冷热桥梁(2）45厚XPS保温层3部分（3）1 7 0 厚防火岩棉填充层(4)10厚钢梁(腹板）(1)5厚抗裂砂浆冷热桥梁(2）45厚XPS保温层4部分（3）7 5厚防火岩棉填充层（4)2 0 0 厚钢梁（下翼缘）通过表(5)的各部分构造传热系数数值，可以求出外墙平均传热系数（以钢柱柱距为8 m,层高为3.6 m）;根据公式计算外墙综合平均传热系数为0.349 W/（mK）。2.4外墙外保温有限元模拟分析外墙外保温更准确的传热系数有限元模拟分析。分别对图2 和图3节点进行有限元模拟分析；计算条件为格尔木地区冬季室内采暖房间温度取1 8，累年最低日平四川建筑第43卷第4期均温度取-1 6 9 ；根据图4有限元分析结果可以知道，在外墙与钢柱交界处和外墙与钢梁、楼板交界处均能够满足节能保温要求。NT11+1.800e+01+1.658e+01+1.517e+01+1.375e+01+1.233e+01+1.092e+01+9.500e+00+8.083e+00传热系数+6.666e+00F+5.250e+00+3.833e+00+2.416e+00+9.996e-010.243W/(m.K)0.348W/(m.K)0.458W/(m.K)0.463W/(m.K)0.487W/(m.K)0.281W/(m.K)0.183W/(m.K)0.162W/(m.K)0.235W/(m.K)-4.171e-01-1.834e+00-3.250e+00-4.667e+00-6.084e+00-7.501e+00-8.917e+00-1.033e+01-1.175e+01-1.317e+011.458e+01-1.600e+01(a）平面图4外墙有限元模拟（单位：mm）3结论（1）根据规范要求考虑外墙平均传热系数系数取值法的理论分析，得出外墙平均传热系数为0.31 6 W/（m.K）；通过外墙平均传热系数加权法的的理论分析，得出外墙传热系数为0.349 W/（m K）；通过理论分析,加权法计算的数值大于取值法计算数值，可能导致实际保温效果无法达到规范要求的情况，因此采用系数取值法的理论计算方式不适用于本项目钢结构建筑类型，具体实施过程中需要通过有限元分析或加权法计算进行复核。（2）本项目通过对外墙外保温平均传热系数一加权法的理论分析和有限元分析得出，理论分析结果和有限元分析结果一致，满足节能保温规范的限值要求。（3)根据对钢结构外墙外保温构造做法的理论分析，为钢结构外墙外保温系统的构造做法提供一种更为精确的理论计算方法。参考文献1李旭辉装配式钢结构设计要点J.工程建设与设计，2 0 2 1(17):18-20.2国家建筑标准设计图集外墙外保温建筑构造：GB10J121-2010S.北京：中国计划出版社,2 0 1 0:9-1 13吴峰钢结构建筑在装配式建筑发展过程中的优势J产业创新研究,2 0 2 1:1 0 2-1 0 4.4熊磊玻化微珠保温砂浆在建筑中的应用研究D南昌：南昌大学2 0 1 9.5中华人民共和国国家标准公共建筑节能设计标准：GB50189-2015S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 1 6.6中华人民共和国国家标准民用建筑热工设计规范：GB50176-2016S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 1 5.7刘念雄，秦佑国建筑热环境M北京：清华大学出版社,2 0 0 5.8中华人民共和国国家标准建筑设计防火规范：GB50016-2014（2 0 1 8 年版）S北京：中国计划出版社,2 0 1 8.（b）剖面70