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夏热冬暖地区装配式民用建筑混凝土预制外墙板热工性能分析

更新时间:2009-03-28

引言

近年来,随着社会经济技术的飞速发展,建筑业技术不断进步。装配式建筑具有施工周期缩短,环境负荷降低,资源浪费减少等优点[1-3],我国高度重视装配式建筑的推进,已发布了一系列相关文件,力争用10年左右时间,使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%[4、5]。目前制约装配式建筑发展的主要问题是一次性成本高,相关规范和标准还不够完善等。另一方面建筑节能和绿

色建筑是建筑可持续发展的重要措施,建筑节能设计标准对墙体的热工性能要求逐渐提高,这也是装配式建筑的新型墙体构造的一个难点,王建[6]提出现有预制装配式墙板没有准确的围护墙结构性能参数。常卫华[7]等提出,随着建筑节能标准的逐步提高,预制装配式墙板的保温芯材厚度逐步增加,这将对预制墙板的结构稳定和安全性产生不利影响。朱百峰[8]提出装配式建筑在北方冬季采暖季节节能效果显著,但在南方由于设计、建造、和运营方面的差异,节能效果也有差异。综上所述,目前的相关研究多集中于北方地区,在预制混凝土外墙板图集中,预制外墙板复合了一定厚度的保温材料,一般是XPS板,以满足节能标准和热工规范的要求。而夏热冬暖地区对于外墙的要求没有北方地区高,装配式建筑中的预制墙板是否需要加保温材料,加多厚的保温材料,都要进行分析计算。因此本文分析了预制墙板的热工性能,并提出相应的隔热与节能措施,供相关设计人员参考。

1 研究方法

1.1 标准对隔热的要求及计算方法

隔热对于南方地区的建筑十分重要,2016年颁布的热工设计规范在墙体隔热方面的要求有所加强,提出了自然通风和空调两种隔热验算的工况,将原标准仅对东、西墙提出隔热要求扩展到各个朝向的墙体。以强制性条文的形式对外墙的隔热性能作出的规定见表1。

 

表1 在给定两侧空气温度及变化规律的情况下,外墙内表面最高温度限制

  

轻质围护结构(D<2.5)外墙内表面最高温度 iθ≤te.max≤ti+2≤ti+3房间类型 自然通风房间空调房间重质围护结构(D≥2.5)

最新热工设计规范不仅规定了墙体的隔热要求,而且规定了隔热计算的方法是一维非稳态方法,给出了计算用气象参数,并提供了计算用软件,本文采用该规范给出的方法、软件和数据。

1.2 标准对传热系数的要求及计算方法

节能设计标准以强制性条文的形式对外墙的传热系数及热惰性指标作出了规定,见表2。居住建筑东西外墙必须满足表中要求,南北外墙不满足表中要求时,可以进行综合评价[8]。公共建筑外墙不满足表中要求时,传热系数满足小于1.5W/( m2·K)的前提下,可以进行权衡判断[9]

 

表2 节能设计标准对夏热冬暖地区外墙的热工性能的要求

  

居住建筑 公共建筑热惰性指标 D≥3.0 D≥2.8 D≥2.5 D≤2.5 D>2.5传热系数K[W/(m2·K)]2.0<K≤2.5 1.5<K≤2.0 0.7<K≤1.5 K≤0.7 K≤0.8 K≤1.5

外墙一般由填充墙、混凝土梁柱和剪力墙等共同组成,表2中的传热系数要求是针对平均传热系数的,在热工规范中给出了其计算方法[10],但平均传热系数与实际建筑构造和面积有关,很难脱离具体建筑研究,因此本文仅分析单一构造,以各单一构造均能满足表2要求为目标,那么由满足标准的各单一构造组成的建筑外墙的热工性能也是可以满足标准的,而且各单一构造的热工性能接近,组合起来的时候,不会因为热桥的作用而降低性能。不考虑热桥的墙体的传热系数按多层平壁的一维传热计算,是容易的。

图、表来源

式中: K ':围护结构的当量传热系数,W/(m2·K);∆R :围护结构的附加热阻,(m2·K)/W。

 

表3 隔热措施的当量附加热阻

  

外墙太阳辐射吸收系数 当量附加热阻(m2·K/W)ρ<0.4 0.15 0.4≤ρ<0.6 0.20

附加热阻方法因忽略了原墙体传热系数的影响而带来误差。为准确分析太阳辐射吸收系数对空调能耗的影响,应通过软件模拟计算,但这种方法相对复杂、费时,无法进行规定性指标评价,因此需将外表面太阳辐射吸收系数以较准确的方式折算附加到热阻之上,建筑物空调采暖年耗电指数的简化计算方法给我们提供了思路,建筑物空调年耗电指数与墙体有关的参数ECFC.WL的计算公式为式(1)[11]

 

式中:ECFC.WL:建筑物空调年耗电指数与墙体有关的参数;CC.WL:不同朝向墙体空调年耗电指数的有关系数;W/(m2·K);Fi:各个围护结构的面积,m2;ρi:各个墙面的太阳辐射吸收系数。

在夏热冬暖地区,120mm厚预制墙板及200mm厚的混凝土剪力墙的传热系数以及隔性能均不能满足要求,因此需要对其采取隔热与节能措施。可用的措施是增加隔热层,外表面采用热反射隔热涂料,或者两者组合。隔热层常用的材料为玻化微珠保温砂浆、膨胀聚苯板、挤塑聚苯板,复合的方式可以是内保温,也可是外保温[13]

EPS、XPS板薄抹灰外墙保温系统存在着防火等级低、安全性差、污染严重等问题;玻化微珠保温砂浆属无机保温材料又存在着导热系数高、保温效果差、难以达到规定节能指标要求等问题,而隔热腻子替代普通腻子附和热反射隔热涂料这一技术,是夏热冬暖地区外墙隔热与节能措施的首选。

 

夏热冬暖地区,太阳辐射对建筑外围护结构的影响较大,在夏季炎热的条件下,不能不考虑墙体对太阳辐射的吸收作用,墙体采用反射隔热饰面是非常有效的隔热措施。计算空调负荷和进行隔热验算时,一般以综合温度的方法考虑太阳辐射及太阳辐射吸收系数的作用,但墙体的传热量一方面和综合温度有关,另一方面也和传热系数有关,因此节能设计标准以附加热阻的形式计入太阳辐射吸收系数的作用,按太阳辐射吸收系数不同进行附加(表3)。

由式(3)可知,附加热阻与围护结构的传热系数以及太阳辐射吸收系数相关,文献[12]对表3的附加热阻进行了改善,给出了不同气候区,随墙体传热系数和太阳辐射吸收系数变化的附加热阻,称之为等效热阻值。但一方面给出的传热系数范围有限,为0.7~2.5W(/m2·K),而装配式建筑所用的薄混凝土墙,传热系数远超此范围,另一方面,固定等效热阻值仍不可避免地有一定的误差,图1为不同传热系数时按式(2)计算出的当量传热系数分别与按表3附加热阻计算的传热系数及与等效热阻值法计算的传热系数的差,随着传热系数的增大,差值增大,随着太阳辐射吸收系数减小,差值也增大。

2 预制混凝土墙板性能与隔热节能措施分析

2.1 预制混凝土墙板性能

装配式建筑中的填充墙仅承担自重,120mm厚钢筋混凝土墙板以满足结构要求,但因所用材料热工性能差且厚度小,因此难于满足相关标准的要求,其热工性能详见表4。并与夏热冬暖地区常见的200mm厚钢筋混凝土和200mm厚的加气混凝土相比较。内外侧各用20mm后水泥砂浆抹灰,太阳辐射吸收系数设定为0.7,按广州室外气象参数设置,计算西向墙体空调工况与自然通风工况的隔热。

120mm厚钢筋混凝土墙板传热系数大,而热惰性指标较小,属于轻质墙体,热工性能距离标准规定相差极远,外墙内表面温度也远高于标准的要求,因此必须采取相应措施。当外墙外表面太阳辐射吸收系数不同时,按附加热阻计算的传热系数K与按式(2)计算的K'对比见图2。计算结果也说明,对传热系数最小的200mm厚加气混凝土墙体,两种计算方法的差异较小,但差异也随着太阳辐射吸收系数的减小而变大,实际工程中,因为加气混凝土本身热工性能较好,无需采用较小的太阳辐射系数系数,在工程常用的范围,其误差是可以接受的;对传热系数最大的120mm厚钢筋混凝土墙板,两种计算方法的差异较大,且差异也随着太阳辐射吸收系数的减小而变大,实际工程中,因为120mm厚钢筋混凝土墙板本身热工性能较差,需采用较小的太阳辐射系数系数才能满足标准要求,在工程常用的范围,其误差是不容忽视的,因此按照现行标准给出的附加热阻的计算方法,无法正确评价降低太阳辐射吸收系数对120mm厚钢筋混凝土墙板热工性能改善的作用。

总而言之,企业战略管理的研究中依然存在着许多被忽视的研究点。因此,本文针对企业战略管理研究中被忽视的研究点,从有关当前企业战略管理中的研究点、有关企业战略管理研究中对于被忽视研究点的背景研究分析与企业战略管理研究中被忽视的研究点三个方面,进行了一系列的分析研讨,希望能够为相关从业人士以及广大读者,提供有效的参考性借鉴依据。

  

图2 常见墙体传热系数两种计算方法对比

2.2 隔热与节能措施

CC.WL等空调年耗电指数的有关系数是与墙体的朝向和热惰性指标相关的常数,也就是说某一朝向的墙体,ECFC.WL与ρK成正比的关系,也就是说ρK相等的两种墙体,对建筑能耗的贡献是等效的,以ρ=0.7作为基准,折算当量传热系数,见式(2)。由此可推导出计算附加热阻的式(3)。将复杂的非稳态传热问题转变为了稳态传热问题。

 

表4 几种常用墙体热工性能比较

  

外墙 是否满足节能标准 工况 外墙内表面最高温度θ_i(℃)是否满足热工规范120mm预制墙板D=1.6 否 空调房间 34.44>26+3 否K=3.7W/( m2·K) 自然通风 40.25>37.6 否200mm混凝土剪力墙D=2.45 否 空调房间 32.07>26+3 否K=3.1W/( m2·K) 自然通风 38.06>37.6 否200mm加气混凝土墙D=3.326 是 空调房间 27.75>26+3 是K=0.79W/( m2·K) 自然通风 36.8<37.6 是

  

图3 采用墙面隔热腻子构造

 

注:①内表面抹灰层;②基层(混凝土墙及各种砌体墙);③隔热腻子找平,压入玻纤网格布;④隔热腻子;⑤玻纤网格布;⑥建筑反射热涂料中涂(或真石漆或质感涂料);⑦建筑反射隔热涂料面漆

建筑用反射隔热涂料是施涂在建筑物的外表面,具有较高太阳光反射比和半球反射率的涂料[14]。借助涂层对太阳光的高反射率降低太阳辐射得热,将太阳光反射到外层空间而避免基体对太阳辐射能的吸收,从而达到降温的目的[15]。为改善墙体的热工性能,最新技术用隔热腻子代替普通腻子,即在界面处理过的外墙上面粉刷一层具有一定保温效果的隔热腻子,在腻子外层涂抹抗裂面层后再涂刷封闭底漆和建筑反射隔热涂料[16]。隔热腻子具有较好的施工性能、柔韧性、强度高的特点,又具备一定的保温性能。建筑反射隔热涂料由于具备较高的太阳光反射比、近红外反射比和半球反射率,能达到隔热作用。两种效应叠加就形成了墙体保温和隔热的双重效果[17]。当采用墙面隔热腻子时,建筑反射隔热涂料系统构造主要有墙面隔热腻子、底漆、隔热涂料面漆层及有关辅助材料组成,具体构造见图3[18]

  

图1 当量传热系数与其它两种算法的差值

本文着重分析以下两种节能措施,加隔热层和隔热腻子,并针对两种隔热材料构造,分析不同的太阳辐射吸收系数的反射隔热涂料的作用,分析中用到的材料的参数见表5。

 

表5 所用的建筑材料热物理性能计算参数

  

蓄热系数(m2·K/W)钢筋混凝土 2500 1.74 1.050 17.20加气混凝土 700 0.18 1.050 3.10玻化微珠保温砂浆 300 0.070 0.928 1.19聚苯乙烯泡沫板(EPS板) 20 0.033 1.380 0.28挤塑聚苯乙烯泡沫板(XPS板) 35 0.030 1.380 0.34隔热腻子 ≤500 0.03-0.06 1.5-2.0材料名称 密度(kg/m3)导热系数W/(m·K)比热容kJ/(kg·℃)

3 结果分析

3.1 自然通风工况

该技术主要利用建筑物承重柱的重力作为反力,通过自重装置将静力压桩预制桩分节压入土中,改变土壤中颗粒的结构、组成、缝隙,以加固建筑地基。应用静压力桩加固技术应控制好压桩的压力与液压,当压力达到最大值或者基本满足工程需求时终桩,并应仪表等设备对单桩承载力进行检测,做好终桩的后续作业,注意施工安全。在终桩结束后,将压入桩的端头钢筋与原基础钢筋连接,使浇筑砼承台与基础形成一体,从而使上层结构荷载借助桩的力量直接传递到坚硬的土层中,进一步加固建筑地基。

  

图4 120mm厚钢筋混凝土预制外墙板不同保温时太阳辐射吸收系数最大限值

 

表6 200mm厚钢筋混凝土不同保温时满足隔热与节能要求的太阳辐射吸收系数

  

厚度(mm)玻化微珠保温砂浆 EPS板 XPS板 隔热腻子3 0.42 5××× 0.47×××10 0.49 0.59 0.69 0.70 15 0.56 0.70 0.70 0.70 20 0.64 0.70 0.70 0.70

200mm厚钢筋混凝土构造采取这几种措施后,无论保温层厚度和内外保温,当太阳辐射吸收系数采用0.7时,基本都能满足隔热要求,但部分墙体需降低太阳辐射吸收系数满足传热系数的要求,具体见表6。

3.2 空调工况

200mm厚钢筋混凝土附加保温材料的构造处于空调工况时,由于是重质墙体,所以对传热系数的要求容易达到,而空调工况下的隔热要求较难达到,因此内外保温的最大太阳辐射吸收系数不同(图5)。由于导热系数较小,EPS板在厚度大于20mm时,XPS板在厚度大于15mm时,即能满足隔热与节能要求。从内外保温来看,外保温的太阳辐射吸收系数最大值比内保温的大,意味着采用外保温要比内保温的隔热性能好。从材料上来看,XPS板的最大太阳辐射系数比其余几种措施都要大,所以采用XPS板的隔热性能优于其他材料。

  

图5 200mm厚钢筋混凝土预制外墙板隔热与节能措施最大太阳辐射吸收系数

120mm厚钢筋混凝土预制外墙板处于空调工况时,还是主要受传热系数的制约,但是对于采用隔热腻子的措施,由于隔热腻子的热惰性较大,在隔热腻子厚度大于20mm后,墙体的热惰性D大于2.5,即由轻质墙变为了重质墙,对传热系数的要求降低,制约条件也由传热系数的节能条件变成了外墙的隔热条件(图6)。

  

图6 120mm厚钢筋混凝土预制外墙板隔热与节能措施最大太阳辐射吸收系数

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3.3 外表面热反射隔热涂料对传热系数的影响

外墙当量传热系数与原墙体传热系数K和太阳辐射吸收系数ρ有关,给出三者之间的关系(图7),方便设计人员直接获得不同情况下外墙的当量传热系数K’,在设计初期合理确定外墙的构造。

  

图7 不同ρ值对应的K与K’关系

结论

(1)在夏热冬暖地区,120m m厚的预制外墙板和200mm厚的钢筋混凝土构造不能满足现有的规范对隔热与外墙传热系数的要求。可采用保温砂浆或聚苯保温板两种措施改善其热工性能,聚苯保温板比保温砂浆效果更好,聚苯保温板达到20mm后,能满足隔热要求以及节能要求,而保温砂浆即使厚度大于30mm,也还需要改变外墙的太阳辐射吸收系数来使外墙满足隔热与节能要求。从内外保温来看,对于同样厚度的保温隔热层,外保温能满足节能与隔热要求的太阳辐射吸收系数普遍比内保温高。采用隔热涂料加隔热腻子,既降低外墙的传热系数满足节能要求,同时也改善了其隔热性能,因此,在夏热冬暖地区的预制薄钢筋混凝土外墙板推荐使用隔热涂料加隔热腻子技术。

我又给了他一嘴巴,他终于怕了,开始哇哇大哭,结果那个家长赶过来,因为我是支教老师又是大学生,村民都对我很客气,那家长给我赔了个不是就把那孩子拎走了。我把躺在地上的孩子扶起来,掀开他的衣服一看,胸前瘀青了好大一块,我说:下次再有这种事,你先把东西给他们好了,老师事后会给你要回来的。

(2)对于居住建筑,按自然通风工况进行隔热验算,采用图3所示的隔热涂料加隔热腻子的措施,200mm钢筋混凝土在复合隔热腻子厚度大于10mm时,就能满足节能与隔热要求。而120mm钢筋混凝土在隔热腻子厚度小于20mm时,由于受节能要求制约,需要降低太阳辐射吸收系数,隔热腻子为10mm,需降到0.29;隔热腻子为15mm,需降到0.32才能满足节要求,当隔热腻子厚度大于20mm时,墙体变为重质墙,太阳辐射吸收系数为0.7,也能满足节能与隔热要求。

(3)对于公共建筑,按空调工况进行隔热验算,200mm钢筋混凝土在隔热腻子厚度小于20mm时,需要将降低太阳辐射吸收系数,隔热腻子为10mm,需降到0.30;隔热腻子为15mm,需降到0.56才能满足节要求,120mm钢筋混凝土与居住建筑结论相同。

为了提高监测结果的准确性,进一步提高监测数据的可比性、一致性,在实际监测过程中需进一步加强对采样人员的素质能力教育和质控措施控制,严格按照采样技术导则[2]等相关标准和规范进行采样,采集有代表性的样品。

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对于120mm厚和200m m厚的钢筋混凝土预制外墙板采取抹不同厚度的玻化微珠保温砂浆的保温层或加EPS板和XPS板,无论是采取内外保温,都相对容易满足自然通风工况下的隔热要求,而传热系数的要求较难达到。所以最大太阳辐射吸收系数受传热系数满足要求的制约(图4)。对120mm厚的钢筋混凝土预制外墙板采取抹不同厚度的隔热腻子,在涂抹厚度小于20mm时,墙体是轻质墙,所以传热系数的要求难于对自然通风工况要求,在涂抹厚度大于20mm时,墙体变成了重质墙,对传热系数的要求降低,且即使在太阳辐射吸收系数取0.7时,也能满足自然通风工况的隔热要求。

图1、2、5~7:作者绘制;

图3:参考文献[16];

表1:参考文献[9];

清雍正二年(1724)撤潼关卫,五年(1727),设潼关县。乾隆十三年(1748),改设潼关厅,属陕西潼商道同州府。

表2:参考文献[10]和[11];表3:参考文献[11];

3.1 术前心理护理的效果 患者术前常易产生恐惧心理,紧张情绪增加患者心理压力,护士应与患者在泌尿外科微创术前进行心理疏导与沟通,讲解微创手术的优越性及各种导管的性能作用,取得患者积极配合,避免因情绪波动致血压升高等而影响手术。

表4、6:作者绘制。

表5:参考文献[9];

在装发动机E的涡轮部件装配任务t4的工序路线图如图2~图6所示,圆圈上方所标数字为各工序任务pt4j(1≤j≤17)的工时wh4j(单位:min),深色表示该工序已完工。

参考文献

[1]徐雨濛. 我国装配式建筑的可持续性发展研究[D].武汉:武汉工程大学,2015.

[2]李雅琦. 浅谈装配式建筑的发展现状及对策研究[J].工程技术,2017(3):70-72.

[3]袁青. 浅谈装配式建筑的应用于发展前景[J].住宅与房地产,2017:21.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部. 2011-2015年建筑业、勘察设计咨询业技术发展纲要[S].2011.

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[8]朱百峰.装配整体式建筑绿色度评价体系研究-以沈阳名流印象项目为例[D].沈阳:沈阳建筑大学,2015.

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[10]中华人民共和国住房和城乡建设部. 公共建筑节能设计标准[S].2015.

[11]中华人民共和国住房和城乡建设部. 夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准[S].2012.

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[13]褚廷明.严寒地区绿色建筑墙体热工性能研究[D].长春:吉林建筑大学,2017.

[14]冯梦萍. 建筑用反射隔热涂料节能效果研究[D].杭州:浙江大学,2017.

[15]孙明杰. 太阳热反射隔热涂料的研究[D].北京:北京化工大学,2010.

[16]广东省建筑节能协会. 建筑墙体隔热腻子系统应用技术标准[S],2018.

[17]冯长伟. 建筑反射隔热涂料-保温腻子外墙保温系统性能研究[J].工程质量,2015(1):70-76.

[18]广东省建筑节能协会绿色建材与工程专业委员会. 关于反射隔热涂料工程设计做法与工程定价的参考的公告[S].2018.

 
赵立华,段骁健,郑林涛,孟庆林
《南方建筑》 2018年第02期
《南方建筑》2018年第02期文献

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