內(nèi)插保溫層空心砌塊的熱工性能及其改進(jìn)措施

　　 前言

　　建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量對(duì)于建筑內(nèi)部環(huán)境避免和減少熱量、冷量、噪聲以及各種外來(lái)作用與環(huán)境污染的影響非常重要；其熱工性能的優(yōu)劣對(duì)于室內(nèi)外熱量和冷量的傳遞起著舉足輕重的作用。

　　由于實(shí)心粘土磚的生產(chǎn)破壞耕地、浪費(fèi)資源、污染環(huán)境，空心砌塊不僅省料，而且在砌塊中增加了空氣層，因相對(duì)靜止的空氣層具有較高的絕熱指數(shù)，可以大幅度增加墻體砌塊的靜態(tài)熱阻值，降低建筑物的熱負(fù)荷，所以空心砌塊墻體將成為我國(guó)未來(lái)建筑墻體的主要形式之一。

　　空心砌塊熱工性能的優(yōu)劣將直接影響到整個(gè)建筑的節(jié)能狀況，而對(duì)空心砌塊的實(shí)驗(yàn)研究是了解和分析其熱工性能的有效手段。

　　本文將通過(guò)對(duì)某種內(nèi)插保溫層空心砌塊熱阻的實(shí)驗(yàn)研究，分析砌塊的熱工性能，找出存在的不足，并提出改進(jìn)方法，從而改善其熱工性能，使該產(chǎn)品能滿(mǎn)足夏熱冬冷地區(qū)對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能的要求。

　　1　物理模型

　　本文對(duì)某公司生產(chǎn)的內(nèi)插擠塑聚苯乙烯保溫板（XPS）隔熱外墻砌塊的熱工性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，該產(chǎn)品與傳統(tǒng)多孔砌塊相比，在不降低砌塊抗壓強(qiáng)度的情況下減少了熱橋，降低了熱損失；并采用在砌塊中間插入絕熱材料的方法，既保證了隔熱的有效性，又提高了生產(chǎn)效率；采用該砌塊型式也便于墻體施工與管、電布線(xiàn)。此種“隔熱外墻砌塊”的規(guī)格為388mm×190 mm×190 mm，骨料為普通混凝土，內(nèi)插擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板(XPS板)。砌塊上部四個(gè)孔洞的一端與外界相通，另一端封閉，封閉端混凝土厚度為8 mm；中部2個(gè)孔洞為通孔；下部的肋高為150mm，肋上插有XPS板。

　　2    砌塊熱阻測(cè)試

　　2．1  實(shí)驗(yàn)裝置

　　本實(shí)驗(yàn)采用JW-I型墻體熱阻測(cè)試裝置，運(yùn)用熱流計(jì)法對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試裝置由3部分組成：試件架、冷箱和熱箱，見(jiàn)圖3。試件架用來(lái)安放待測(cè)材料，冷箱后半部為制冷機(jī)組、控溫等部件。熱箱除箱體外，配精密控溫儀1臺(tái)，12V直流電源1臺(tái)，供均熱風(fēng)扇用。另配有建筑熱工巡回檢測(cè)儀，28支銅一康銅熱電偶，2個(gè)熱流計(jì)(片)等。各箱開(kāi)口面積相等，開(kāi)口長(zhǎng)×高=1 m×1.05 m。

　　2．2   墻體試件

　　砌塊的砌筑砂漿為水泥砂漿，其平均厚度為8 mm，墻體試件的上端用60 mm高的XPS絕熱層填充上部多余空間。墻的厚度為212 mm，墻兩面水泥砂漿抹灰層厚度為：熱面10mm、冷面12 mm。箱體四周自帶有密封措施，同時(shí)再在邊框外用透明膠帶密封，盡可能地減少漏風(fēng)。

　　2．3    測(cè)試條件

　　利用熱箱加熱和冷箱冷卻使墻體兩側(cè)環(huán)境空氣的溫差達(dá)到40℃。將所有銅-康銅熱電偶與2個(gè)熱流計(jì)的接線(xiàn)端分別接在建筑熱工巡回檢測(cè)儀上。28支熱電偶中的26支用石膏固定并均布在墻面上；另外2支熱電偶分別貼在熱箱和冷箱易漏風(fēng)的邊緣處，用于檢測(cè)箱體的密封性。至于熱流計(jì)，由于可以認(rèn)為墻體兩個(gè)表面對(duì)應(yīng)位置的熱流密度相等，因此將2個(gè)熱流計(jì)用黃油粘貼并用透明膠帶固定，均布在墻的熱面上。墻體周?chē)脑嚰芸梢钥醋鹘平^熱處理。由于墻體含濕量的大小會(huì)對(duì)其熱工性能造成影響，墻體砌筑完成后，將其放置15d以上，使砌塊充分干燥。

　　3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　3．1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　盡管該實(shí)驗(yàn)是穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)，但由于各種因素的影響仍不可避免地會(huì)造成熱流和溫度的分布不均，因此，在墻面均布測(cè)點(diǎn)，以求平均值。當(dāng)試件表面溫度的波動(dòng)不大于2％時(shí)，可以認(rèn)為溫度已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

　　3．2　結(jié)果分析

　　3．2．1　誤差分析

　　(1)實(shí)驗(yàn)裝置的誤差

　　熱箱內(nèi)空氣溫度的波動(dòng)不大于±0.5℃(這主要是由連接在熱箱上的溫控儀的控溫精度引起的)，冷箱內(nèi)空氣溫度的波動(dòng)不大于±1℃(由于冷箱是由2臺(tái)制冷機(jī)輪換運(yùn)行制得冷量，因此，在1臺(tái)制冷機(jī)結(jié)束工作、另l臺(tái)制冷機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，使得冷箱內(nèi)的制冷能力發(fā)生一個(gè)較小的波動(dòng)，這樣就造成箱內(nèi)空氣溫度的波動(dòng))，造成溫度的不穩(wěn)定。盡管箱體熱損失小于5％，但仍然會(huì)引起微弱的側(cè)向?qū)?。另外，箱體的開(kāi)口面積誤差不大于±2％。由于不能保證箱體邊緣的絕對(duì)密封性，使得熱箱內(nèi)的熱量向外流出，外界的熱量向冷箱內(nèi)部滲入，這也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。按實(shí)驗(yàn)裝置說(shuō)明書(shū)要求，需考慮減去在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中5％的熱損失，以確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。則實(shí)際熱流密度值應(yīng)為：q實(shí)際=q x 95%

　　3．2．2    熱工性能分析

　　據(jù)所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，盡管此砌塊為空心砌塊，并且內(nèi)部插有隔熱板，但其熱工性能并不太盡如人意，其原因是多方面的。經(jīng)過(guò)分析，總結(jié)出以下一些影響砌塊熱工性能的因素：

　　(1)固定XPS板的熱橋

　　XPS的導(dǎo)熱系數(shù)為0.029 W／(m·K)，普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.47 W／(m·K)?？梢?jiàn)由于XPS板優(yōu)良的絕熱性能，將在很大程度上提高砌塊的熱阻值；但是，砌塊內(nèi)用來(lái)插放XPS板的肋會(huì)成為熱橋，在一定程度上削弱了XPS板的隔熱效果。

　　(2)空氣間層的隔熱

　　砌塊內(nèi)的空氣間層也是提高砌塊熱阻的重要結(jié)構(gòu)。它之所以能起到隔熱作用，是因?yàn)殪o止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)非常?。欢諝忾g層的厚度是空氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要影響因素。這樣，空氣間層熱阻的大小就與空氣間層的厚度密切相關(guān)。當(dāng)封閉空氣間層的厚度達(dá)到20 mm后，隨著間層厚度的增大，間層熱阻的增量越來(lái)越?。惶貏e當(dāng)間層的厚度接近45 mm時(shí)，間層熱阻已趨于一個(gè)常量。并且，孔洞過(guò)大不僅不能增加砌塊的熱阻，還在一定程度上減少了砌塊的密度，降低了熱惰性，影響了砌塊的熱工性能。因此，如果工藝條件允許，可以將大孔沿厚度方向分為較小的孔，這樣，不僅提高了熱阻，還從一定程度上避免了熱惰性的過(guò)多減少。

　　(3)空氣間層的錯(cuò)排程度

　　從圖2可以看出，砌塊中部和兩邊的3條沿厚度方向的長(zhǎng)肋為熱流的通過(guò)提供了阻力較小的途徑。這樣，熱流就可以繞過(guò)熱阻較大的空氣間層而比較順利地從肋上通過(guò)，使得空氣間層的隔熱性能沒(méi)有得到很好地發(fā)揮。因此，在設(shè)計(jì)砌塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)將各排空氣間層相互錯(cuò)開(kāi)，使沿厚度方向的肋變得曲折，從而延長(zhǎng)了熱流流過(guò)的路徑，增大總體熱阻。

　　4　改進(jìn)措施

　　根據(jù)JGJ 134—2001《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，建筑外墻的傳熱系數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足K≤1.5或1.0 W／(m2·K)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，砌塊的傳熱系數(shù)K砌塊≈2.007 W／(m2·K)。可見(jiàn)，采用砌塊砌筑的墻體的熱工性能還難以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。因此，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┮愿纳破鲶w的熱工性能。

　　4．1  改進(jìn)措施1

　　較為經(jīng)濟(jì)且方便的改進(jìn)措施就是在墻的外表面用保溫砂漿代替水泥砂漿抹灰。

　　保溫砂漿是以水泥作膠結(jié)材料，以粒狀輕質(zhì)保溫材料為骨料，加水拌合而成的具有隔熱保溫作用的建筑砂漿。在保溫砂漿中，常以膨脹珍珠巖作為骨料。膨脹珍珠巖表觀(guān)密度小，導(dǎo)熱系數(shù)小，成本低，性能優(yōu)良，是配制保溫砂漿較為理想的骨料。
膨脹珍珠巖保溫砂漿配比為：V(水泥)∶V(膨脹珍珠巖)=1∶12，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.0712 W／(m·K)。

　　若墻體內(nèi)表面的水泥砂漿抹灰厚度為20 mm，以K≤1.5W／(m2·K)為標(biāo)準(zhǔn)，可以算得墻體外表面需要保溫砂漿抹灰厚度約為9 mm。如果在墻體外表面用保溫砂漿抹灰20 mm，則墻體的熱工性能足以滿(mǎn)足《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。因此，可以認(rèn)為采用這種做法既經(jīng)濟(jì)、方便，又取得了較為顯著的保溫節(jié)能效果，是切實(shí)可行的。

　　4．2    改進(jìn)措施2

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的熱工性能分析，對(duì)此砌塊的內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行改進(jìn)，見(jiàn)圖1(砌塊內(nèi)空氣間層的兩端均是貫通的)。

　　圖1改進(jìn)后砌塊的規(guī)格尺寸

　　從圖1可見(jiàn)，砌塊的結(jié)構(gòu)有如下改進(jìn)：
　　(1)各排孔的交錯(cuò)排列，增加了砌塊內(nèi)部的熱流路徑長(zhǎng)度，從而提高了導(dǎo)熱熱阻。
　　(2)消除了過(guò)厚空氣間層的存在，并增加了一排孔，改善了砌塊的熱工性能。對(duì)改進(jìn)的砌塊進(jìn)行熱阻計(jì)算，得到其熱阻為0.856 m·K／W，傳熱系數(shù)為1.168W／(m2·K)?？梢?jiàn)砌塊的熱工性能已滿(mǎn)足規(guī)范的要求；并且，這樣的改進(jìn)在工藝條件上并不難實(shí)現(xiàn)。此種改進(jìn)措施同樣是切實(shí)可行的。

　　5    結(jié)語(yǔ)

　　(1)相對(duì)于傳統(tǒng)多孔砌塊而言，本實(shí)驗(yàn)砌塊的熱工性能在一定程度上得到了提高；然而，若使用該種砌塊砌筑墻體，墻兩面用水泥砂漿抹灰，則墻體的熱工性能還難以達(dá)到JGJ134—2001《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，必須采取措施以改善砌塊墻體的熱工性能。

　　(2)對(duì)砌塊墻體熱工性能的改善，可以分別從砌塊的外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部構(gòu)造著手。在砌塊外部，可以增加保溫砂漿厚度或者采用保溫性能更好的保溫隔熱材料的方法；在砌塊內(nèi)部，可以通過(guò)改進(jìn)砌塊的構(gòu)造提高其熱工性能。