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摘要:随着我国建筑事业的快速发展，建筑耗能也日益扩大，因此，建筑节能必须引起相关重视。实践证明，加强建筑外围护结构的节能措施是减少建筑能耗的最直接有效手段之一。因此，本文主要在这基础上，对建筑外墙节能设计进行相关探讨。
关键词:住宅建筑；节能设计；围护结构；热工性能；保温；注意事项
随着城市建设的加快,我国的建筑行业也得到不断发展，但其能耗也是惊人的。在我国资源短缺的情况下，面对如此大的建筑能耗，建筑行业节能设计势在必行。而建筑节能的关键在于外墙的节能，外墙的节能重点是围护结构的节能设计,采取有效的节能设计技术措施，改善围护结构的热工性能,达到节能降耗的要求。本文结合建筑的节能设计实例,基于建筑外墙节能设计下对现有的围护结构节能设计技术进行热工分析研究。
1 工程概况
广州某住宅区建筑面积5571.7m2,共12层(顶层为跃层),带一层地下室(见图1)。本工程所在地区属亚热带气候。太阳总辐射量较多,夏季长,冬季不算明显,温差振幅较小。12至1月为最冷,平均温度10～18°C,7至8月为平均温度最高月份,在25～29°C,处于我国建筑热工设计分区中的夏热冬暖地区南部。因此,房屋最主要的能源消耗是使用空调排除室内发热量、除湿以及消除太阳辐射影响,工程设计中主要考虑围护结构的隔热性能。
2 热工性能计算及分析
该建筑物为钢筋混凝土剪力墙结构,热桥面积较大,如表1所示热桥面积占外墙总面积的30.67%,所以对热桥位置的保温隔热处理和选材就显得十分重要。
根据《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》(外墙K、D值分三个级别控制,即K≤2.0W/(㎡•K),D≥3.0；K≤1.5W/(㎡•K),D≥3.0；K≤1.00W/(㎡•K),D≥2.5),外墙为了满足节能50%标准要求,主体采用B07级蒸压加气混凝土砌块,热桥保温选用胶粉聚苯颗粒保温砂浆。加气混凝土砌块抹灰和砌筑都采用水泥砂浆,抹灰厚度为15mm,砌筑灰缝宽度#15mm,具体构造和传热系数K、热惰性指标D计算值见表1所示。
表1墙体构造和K、D计算值
式中: Ri—内表面换热阻(m2•k/w)(一般取0.11)
Re—外表面换热阻(m2•k/w)(一般取0.04)
δn—围护结构第n层材料厚度(m)
λn—围护结构第n层材料导热系数[W/(m•k)]
Rn—围护结构第n层材料的热阻(㎡•K/W)
Sn—围护结构第n层材料的蓄热系数[W/(㎡•K)]
m—围护结构材料层数
a—修正系数
围护结构传热系数是表征围护结构传热量大小的一个主要物理量,是围护结构保温性能的评价指标之一。另外,在评价围护结构保温隔热性能时,还要考虑围护结构抵抗波动热作用的能力,即热惰性指标D。热惰性指标是表明背波面上温度波衰减程度的一个主要值,它表明围护结构抵抗周期性温度波动的能力。因此,从上表2可以说明,通过对加气混凝土自保温体系的合理选材和热桥处理,该建筑外墙部分可以满足《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》中夏热冬暖地区的标准设计要求。
采用加气混凝土砌块的保温效果已经达到了标准设计要求,但考虑到西晒的问题,所以在设计时,特地在加气混凝土的基础上再做20mm保温砂浆内保温。通过计算分析,西向外墙(含剪力墙)的传热系数从原来的1.86W/(㎡•K)降低至1.06W/(㎡•K),热惰性指标从原来3.21提高到3.50。解决了西侧的房间在下午太阳的照射下,外墙内表面温度明显提高的问题。
3 建筑节能效果及所使用材料的优势
3.1 节约制造能耗
据有关数据表明,加气混凝土比烧结粘土砖节省制造能耗相当于每千克加气混凝土比烧结粘土砖节省能源3090-1390=1700kJ/kg,折合节油0.0406kg。
本工程使用的加气混凝土为2077.33×0.2=415.5m3,砌筑相同面积外墙墙体时,混凝土比烧结粘土产品节省制造能耗:
(1)密度为700kg/m3的加气混凝土415.5m3的质量为290.8t,制造能耗折合9.7t油。
(2)外墙使用密度700kg/m3加气混凝土比900kg/m3烧结空心砖节约能源:
砌筑与290.8t加气混凝土相同面积的外墙面需要373.9t密度为900kg/m3烧结空心砖。生产373.9t烧结空心砖的能耗为27.7t油,故采用加气混凝土比烧结空心砖节省制造能耗折合节27.6-9.7=17.9t。
3.2 节约空调能耗
通过节能软件分析计算得出,外墙A的传热系数为0.95W/(㎡•K),而外墙B(采用同样厚的烧结空心砖代替加气混凝土)的传热系数为2.13W/(㎡•K),在同条件下前者的传热量仅为后者的45%,能够显著降低空调能耗。
3.3 缩短工期
本工程采用加气混凝土自保温系统,外墙主体部分不需要其他任何节能措施,提高了施工效率。外墙同时采用同一等级自保温材料,可以在楼板和梁柱混凝土结构通过验收后进行砌筑和粘贴,外墙主体和梁柱、剪力墙等热桥部位可以同时施工,互不影响。如果采用胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统,在主体填充墙施工完毕后,必须在墙体合乎外保温要求的情况下才可进行外保温处理,并且胶粉聚苯颗粒浆料上墙后又必须经过一段时间养护,待其达到一定强度后才能外贴瓷砖和粉刷外墙涂料,所以施工时间要长一些,一个楼栋工程要花一个月左右时间；另外外保温系统砌体外墙要两次外抹砂浆,工序也要复杂一些。总之,加气混凝土自保温系统更能缩短建筑工期,提前交房时间。
另外,可以降低建筑基础费用,B07加气混凝土结构与烧结砖或混凝土小型空心砌块(密度等级900kg/m3～1500kg/m3)砌筑结构相比,可减少墙体重量50%～70%,建筑物自身重量减少20%～35%,缩小建筑物基础及支承结构的截面积,降低钢筋配比1～2级,减少钢筋用量(5～10)kg/m2。
3.4 后期的保养维修
由于加气混凝土墙体材料具有优异的保温隔热性能,加气混凝土自保温体系不需另外进行外保温处理,外围护结构墙体材料和保温隔热材料融为一体,具有长期性和稳定性的优点,可以节省大量维修资金。而现在普遍使用的聚苯颗粒浆料等外保温体系,存在施工工序复杂、安全耐久性差、维修麻烦等问题,即使外保温工程能达到国家要求的25年使用期限,但25年后也存在对外保温工程进行二次维修或更新的问题,给住户带来很大的麻烦。
但是,加气混凝土单一保温节能墙体体系并不是万能的,它较适合应用于框架结构以及低层和多层砖混结构的外墙；在严寒地区应用虽有优势,但不能简单地仅靠增加墙厚来解决所有问题,还应补充其他措施。
4 加气混凝土设计与施工注意事项
因加气混凝土材料性能与其他墙体材料存在的较大差异,不能沿用传统的设计和施工方法,施工时应特别注意以下几个方面:
(1)保证上墙含水率在15%～20%之间。
(2)施工现场的砌块按要求堆放,采取相应的防雨措施,下雨天停止砌筑。
(3)粉刷时须作界面剂,墙、柱和墙体搭接位置贴钢丝网或网格布。
5 结论
总之，建筑节能有利于从根本上促进能源资源节约和合理利用，缓解我国能源资源供应与经济社会发展的矛盾。而作為建筑节能设计的一部分，围护结构节能设计的好坏直接影响建筑整体节能效果，因此，加强建筑外围护结构的节能设计是减少建筑能耗的最直接有效手段之一。
参考文献
[1] 余德华，夏热冬暖地区建筑节能设计技术要点分析[J]科学之友：下旬，2011.01
[2] 卓晋勉，夏热冬暖地区居住建筑节能设计理念与节能设计剖析[J]福建建筑，2010.11
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:住宅建筑；节能设计；围护结构；热工性能；保温；注意事项
随着城市建设的加快,我国的建筑行业也得到不断发展，但其能耗也是惊人的。在我国资源短缺的情况下，面对如此大的建筑能耗，建筑行业节能设计势在必行。而建筑节能的关键在于外墙的节能，外墙的节能重点是围护结构的节能设计,采取有效的节能设计技术措施，改善围护结构的热工性能,达到节能降耗的要求。本文结合建筑的节能设计实例,基于建筑外墙节能设计下对现有的围护结构节能设计技术进行热工分析研究。
1 工程概况
广州某住宅区建筑面积5571.7m2,共12层(顶层为跃层),带一层地下室(见图1)。本工程所在地区属亚热带气候。太阳总辐射量较多,夏季长,冬季不算明显,温差振幅较小。12至1月为最冷,平均温度10～18°C,7至8月为平均温度最高月份,在25～29°C,处于我国建筑热工设计分区中的夏热冬暖地区南部。因此,房屋最主要的能源消耗是使用空调排除室内发热量、除湿以及消除太阳辐射影响,工程设计中主要考虑围护结构的隔热性能。
2 热工性能计算及分析
该建筑物为钢筋混凝土剪力墙结构,热桥面积较大,如表1所示热桥面积占外墙总面积的30.67%,所以对热桥位置的保温隔热处理和选材就显得十分重要。
根据《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》(外墙K、D值分三个级别控制,即K≤2.0W/(㎡•K),D≥3.0；K≤1.5W/(㎡•K),D≥3.0；K≤1.00W/(㎡•K),D≥2.5),外墙为了满足节能50%标准要求,主体采用B07级蒸压加气混凝土砌块,热桥保温选用胶粉聚苯颗粒保温砂浆。加气混凝土砌块抹灰和砌筑都采用水泥砂浆,抹灰厚度为15mm,砌筑灰缝宽度#15mm,具体构造和传热系数K、热惰性指标D计算值见表1所示。
表1墙体构造和K、D计算值
式中: Ri—内表面换热阻(m2•k/w)(一般取0.11)
Re—外表面换热阻(m2•k/w)(一般取0.04)
δn—围护结构第n层材料厚度(m)
λn—围护结构第n层材料导热系数[W/(m•k)]
Rn—围护结构第n层材料的热阻(㎡•K/W)
Sn—围护结构第n层材料的蓄热系数[W/(㎡•K)]
m—围护结构材料层数
a—修正系数
围护结构传热系数是表征围护结构传热量大小的一个主要物理量,是围护结构保温性能的评价指标之一。另外,在评价围护结构保温隔热性能时,还要考虑围护结构抵抗波动热作用的能力,即热惰性指标D。热惰性指标是表明背波面上温度波衰减程度的一个主要值,它表明围护结构抵抗周期性温度波动的能力。因此,从上表2可以说明,通过对加气混凝土自保温体系的合理选材和热桥处理,该建筑外墙部分可以满足《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》中夏热冬暖地区的标准设计要求。
采用加气混凝土砌块的保温效果已经达到了标准设计要求,但考虑到西晒的问题,所以在设计时,特地在加气混凝土的基础上再做20mm保温砂浆内保温。通过计算分析,西向外墙(含剪力墙)的传热系数从原来的1.86W/(㎡•K)降低至1.06W/(㎡•K),热惰性指标从原来3.21提高到3.50。解决了西侧的房间在下午太阳的照射下,外墙内表面温度明显提高的问题。
3 建筑节能效果及所使用材料的优势
3.1 节约制造能耗
据有关数据表明,加气混凝土比烧结粘土砖节省制造能耗相当于每千克加气混凝土比烧结粘土砖节省能源3090-1390=1700kJ/kg,折合节油0.0406kg。
本工程使用的加气混凝土为2077.33×0.2=415.5m3,砌筑相同面积外墙墙体时,混凝土比烧结粘土产品节省制造能耗:
(1)密度为700kg/m3的加气混凝土415.5m3的质量为290.8t,制造能耗折合9.7t油。
(2)外墙使用密度700kg/m3加气混凝土比900kg/m3烧结空心砖节约能源:
砌筑与290.8t加气混凝土相同面积的外墙面需要373.9t密度为900kg/m3烧结空心砖。生产373.9t烧结空心砖的能耗为27.7t油,故采用加气混凝土比烧结空心砖节省制造能耗折合节27.6-9.7=17.9t。
3.2 节约空调能耗
通过节能软件分析计算得出,外墙A的传热系数为0.95W/(㎡•K),而外墙B(采用同样厚的烧结空心砖代替加气混凝土)的传热系数为2.13W/(㎡•K),在同条件下前者的传热量仅为后者的45%,能够显著降低空调能耗。
3.3 缩短工期
本工程采用加气混凝土自保温系统,外墙主体部分不需要其他任何节能措施,提高了施工效率。外墙同时采用同一等级自保温材料,可以在楼板和梁柱混凝土结构通过验收后进行砌筑和粘贴,外墙主体和梁柱、剪力墙等热桥部位可以同时施工,互不影响。如果采用胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统,在主体填充墙施工完毕后,必须在墙体合乎外保温要求的情况下才可进行外保温处理,并且胶粉聚苯颗粒浆料上墙后又必须经过一段时间养护,待其达到一定强度后才能外贴瓷砖和粉刷外墙涂料,所以施工时间要长一些,一个楼栋工程要花一个月左右时间；另外外保温系统砌体外墙要两次外抹砂浆,工序也要复杂一些。总之,加气混凝土自保温系统更能缩短建筑工期,提前交房时间。
另外,可以降低建筑基础费用,B07加气混凝土结构与烧结砖或混凝土小型空心砌块(密度等级900kg/m3～1500kg/m3)砌筑结构相比,可减少墙体重量50%～70%,建筑物自身重量减少20%～35%,缩小建筑物基础及支承结构的截面积,降低钢筋配比1～2级,减少钢筋用量(5～10)kg/m2。
3.4 后期的保养维修
由于加气混凝土墙体材料具有优异的保温隔热性能,加气混凝土自保温体系不需另外进行外保温处理,外围护结构墙体材料和保温隔热材料融为一体,具有长期性和稳定性的优点,可以节省大量维修资金。而现在普遍使用的聚苯颗粒浆料等外保温体系,存在施工工序复杂、安全耐久性差、维修麻烦等问题,即使外保温工程能达到国家要求的25年使用期限,但25年后也存在对外保温工程进行二次维修或更新的问题,给住户带来很大的麻烦。
但是,加气混凝土单一保温节能墙体体系并不是万能的,它较适合应用于框架结构以及低层和多层砖混结构的外墙；在严寒地区应用虽有优势,但不能简单地仅靠增加墙厚来解决所有问题,还应补充其他措施。
4 加气混凝土设计与施工注意事项
因加气混凝土材料性能与其他墙体材料存在的较大差异,不能沿用传统的设计和施工方法,施工时应特别注意以下几个方面:
(1)保证上墙含水率在15%～20%之间。
(2)施工现场的砌块按要求堆放,采取相应的防雨措施,下雨天停止砌筑。
(3)粉刷时须作界面剂,墙、柱和墙体搭接位置贴钢丝网或网格布。
5 结论
总之，建筑节能有利于从根本上促进能源资源节约和合理利用，缓解我国能源资源供应与经济社会发展的矛盾。而作為建筑节能设计的一部分，围护结构节能设计的好坏直接影响建筑整体节能效果，因此，加强建筑外围护结构的节能设计是减少建筑能耗的最直接有效手段之一。
参考文献
[1] 余德华，夏热冬暖地区建筑节能设计技术要点分析[J]科学之友：下旬，2011.01
[2] 卓晋勉，夏热冬暖地区居住建筑节能设计理念与节能设计剖析[J]福建建筑，2010.11
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。