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走進(jìn)神宇
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03
2018
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04
行業(yè)資訊 ｜ 預(yù)制混凝土夾心保溫外墻板熱橋影響解讀（一）
作者：
近幾年來，預(yù)制混凝土夾心保溫外墻板（以下簡稱夾心保溫外墻板）技術(shù)開始在國內(nèi)興起并迅速普及，保溫拉接件是制作夾心保溫外墻板的關(guān)鍵產(chǎn)品。拉結(jié)件在與內(nèi)、外葉墻板混凝土共同工作時(shí)，除了要求具有足夠的承載能力和耐久性能以外，還需要具有很低的導(dǎo)熱系數(shù)，以降低外墻板熱橋的影響。常用的保溫拉接件有 GFRP 拉結(jié)件和金屬拉結(jié)件兩類，它們對(duì)外墻板的熱橋影響也有很大的差異。
經(jīng)常有技術(shù)人員提出“拉結(jié)件的截面積很小，因此熱橋影響可以忽略不計(jì)”和“南方地區(qū)不需要夾心保溫外墻”的觀點(diǎn)，這是真的嗎？筆者結(jié)合美國的研究資料，以及國內(nèi)的相關(guān)檢測報(bào)告，分析金屬和非金屬保溫拉結(jié)件熱橋?qū)ν鈮Π鍝p失率問題，以及怎樣從技術(shù)上消除熱橋，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)上的節(jié)能。
01熱量傳遞和熱橋的基本概念
1. 熱傳導(dǎo)的方式
熱傳導(dǎo)有傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射（包含反射）三種方式。在建筑中，室內(nèi)外的能量交換過程，主要通過建筑的外圍護(hù)表面完成，并且三種方式同時(shí)存在，這就對(duì)建筑外圍護(hù)提出了一定的技術(shù)要求，如屋頂、外墻、門窗的密閉性、隔熱性、熱輻射性等。隨著城市建筑越來越高，外墻和門窗所占的建筑表面積超過了 80%，而外墻所占比例又很大，成為建筑熱量交換的主要媒介，且主要以傳導(dǎo)方式為主，因此，提高建筑外墻的熱阻值（或降低外墻的熱傳導(dǎo)系數(shù)）可以阻止和減緩建筑室內(nèi)外的熱交換。
人類在室內(nèi)生活工作的適合溫度為16℃~25℃左右，當(dāng)夏天溫度較高和冬季溫度較低時(shí)，為了保持室內(nèi)的舒適性，往往需要輸入能量進(jìn)行制冷和供暖來調(diào)節(jié)溫濕度。如果外墻的保溫或隔熱性能不好，就會(huì)提高建筑能耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國建筑消耗了社會(huì)能源的45%左右，節(jié)能空間很大，提高墻體的熱阻對(duì)于建筑節(jié)能意義重大。
2. 墻體傳熱性能熱工指標(biāo)之間的關(guān)系
在民用建筑的外墻節(jié)能中，墻體的傳熱系數(shù)是衡量保溫隔熱性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，不同的材料具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，材料導(dǎo)熱系數(shù)越低表示在材料中熱量傳遞越緩慢，一般來說外墻都是由多層不同的材料構(gòu)成，因此墻體的傳熱性能用傳熱系數(shù)或者熱阻值指標(biāo)來衡量（傳熱系數(shù) K 與熱阻值 R 成反比），R 值越高（K 值越低）代表保溫隔熱性能越好。相反地，R 值越低（K 值越高）代表保溫隔熱性能越差，建筑工程在外墻節(jié)能上的投入，可以理解為花錢提高墻體的熱阻，是為了創(chuàng)造長期的節(jié)能效益；在各層墻體所用材料和構(gòu)造的厚度確定以后，墻體的傳熱系數(shù)和熱阻值可以通過計(jì)算獲得，其傳熱性能指標(biāo)也可以通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢測。
3. 熱橋的概念
在實(shí)際工程中，由于建筑構(gòu)造的要求，墻體由多種不同材料的層片組成，如承重層、保溫層、裝飾層組合成為一道墻體，多層構(gòu)造之間需要通過拉結(jié)件（或稱為“連接器”）進(jìn)行連接。如果室外懸挑陽臺(tái)和空調(diào)板等需要伸入到室內(nèi)才能獲得受力的支撐，就會(huì)穿過墻體的保溫層，穿過的部位就成為聯(lián)通室內(nèi)外的“橋”，盡管保溫層隔絕了大部分的室內(nèi)外構(gòu)造，提高了墻體的熱阻，但是這些“橋”就成為了室內(nèi)外熱量交換的熱橋。局部的熱橋就像一個(gè)裝水的玻璃杯上被開了孔洞一樣，會(huì)使水流干，只是墻體中熱橋的存在所導(dǎo)致的能量流失過程難于直接觀察，也難以分析計(jì)算和檢測，因此很容易被人忽視，事實(shí)上對(duì)墻體的熱工性能影響很大。
熱橋的存在不但會(huì)降低墻體的熱阻，導(dǎo)致長期的能耗損失，同時(shí)在一定溫差和濕度條件下，會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)空氣中的水分冷凝結(jié)露，甚至結(jié)霜，導(dǎo)致霉菌生長，不利于影響室內(nèi)環(huán)境健康，因此在建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該重視外墻熱橋的治理。
02拉結(jié)件的導(dǎo)熱性能對(duì)夾心保溫外墻板熱工性能的影響研究
到底熱橋?qū)τ趭A心保溫外墻板的熱工性能有多大影響？這是很多工程師普遍關(guān)心的問題，筆者收集了兩組試驗(yàn)檢測資料，通過對(duì)比也許可以給我們一些啟發(fā)。一組是來自中國建科學(xué)研究院國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的兩份檢測報(bào)告，檢測報(bào)告的編號(hào)分別為“BETC-JN1-2007-161”和“BETC-JN1-2017-00141”，這兩份報(bào)告為分別采用美國Thermomass的GFRP拉結(jié)件和國內(nèi)某企業(yè)不銹鋼拉接件的夾心保溫外墻板熱阻值測試值；另一組檢測試驗(yàn)來自于美國Oak Ridge國家實(shí)驗(yàn)室建筑技術(shù)中心對(duì)于不同拉結(jié)件和熱橋的夾心保溫外墻板進(jìn)行試驗(yàn)研究，報(bào)告日期為2001年10月26日。
1.GFRP拉結(jié)件和不銹鋼拉結(jié)件夾心保溫外墻板熱阻值檢驗(yàn)結(jié)果
北京萬科是國內(nèi)首家在裝配式建筑中采用夾心保溫外墻板的企業(yè)，為了保證項(xiàng)目滿足節(jié)能要求（北京的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)50%），拉結(jié)件供應(yīng)商在中國建筑科學(xué)研究院國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)夾心保溫外墻板的熱工性能進(jìn)行檢驗(yàn)，并取得了編號(hào)為 BETC-JN1-2007-161的檢驗(yàn)報(bào)告（圖1），該檢驗(yàn)采用1000mmx980mm的試驗(yàn)墻板，墻身構(gòu)造為60mm厚鋼筋混凝土 +50mm厚 XPS保溫 +60mm厚鋼筋混凝土。
兩層墻板混凝土之間用6只MS50型Thermomass的GFRP保溫拉接件連接，墻身構(gòu)造如（圖2）。根據(jù)編號(hào)“BETC-JN1-2007-161”報(bào)告的檢驗(yàn)結(jié)果，其檢驗(yàn)結(jié)論為“砌體熱阻=1.7（m 2 .K/W），傳熱系數(shù) =0.54（W/m 2 .K）”。
國內(nèi)某企業(yè)采用 4 只直徑 8mm 的不銹鋼保溫拉接件，制作了相同的夾心保溫外墻板，同樣在中國建筑科學(xué)研究院國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)，取得編號(hào) BETC-JN1-2017-00141（圖 3）的檢驗(yàn)報(bào)告，該檢驗(yàn)采用 980mmx980mmx300mm 的夾心保溫外墻板，構(gòu)造為200mm 厚鋼筋混凝土 +50mm 厚 XPS 保溫板 +50mm 厚鋼筋混凝土”，兩層墻板混凝土之間用 4 只直徑 8mm 的不銹鋼（金屬）拉結(jié)件連接。
根據(jù)“BETC-JN1-2017-00141”檢驗(yàn)報(bào)告，檢驗(yàn)結(jié)論為“所送檢驗(yàn)品傳熱系數(shù)為0.70（W/m 2 .K）”。該報(bào)告沒有給出墻板的熱阻值。
2. 對(duì)金屬和GFRP材料拉結(jié)件熱橋損失率的分析
眾所周知，GFRP是由玻璃纖維和高分子樹脂制成的復(fù)合材料，其導(dǎo)熱性能介于玻璃和塑料之間，導(dǎo)熱系數(shù)為0.4W/m.K左右，不銹鋼材料的導(dǎo)熱系數(shù)為17W/m.K左右，兩者的熱導(dǎo)率相差 40 倍左右，因此不銹鋼拉結(jié)件的傳熱會(huì)明顯高于 GFRP 拉結(jié)件，其熱橋效應(yīng)不容忽視。
普通鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)更是高達(dá)50W/m.K左右，因此更不能用作制造保溫拉接件的材料。
對(duì)比兩個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的測試數(shù)據(jù)（表一）可以發(fā)現(xiàn)，雖然采用不銹鋼拉接件的墻板比GFRP 拉結(jié)件的墻板混凝土厚度增加了 80mm，且拉結(jié)件的截面積少了 1/3，但是由于不銹鋼的熱導(dǎo)率很高，墻板的傳熱系數(shù)比 GFRP 夾心保溫外墻板增大了 29.6%，差異非常之大。
這就意味著，盡管不銹鋼拉接件的截面積只有夾心保溫外墻板面積的 0.02%，但是由于不銹鋼熱橋的存在，墻板的熱工性能下降了30%之多，這似乎很難讓人理解。大多數(shù)的人都會(huì)認(rèn)為：保溫材料只是被拉結(jié)件占去了不到 0.02% 的面積，熱橋的損失應(yīng)該也是在 0.02% 左右，那么前面實(shí)驗(yàn)報(bào)告的結(jié)論應(yīng)該怎么解釋？其實(shí)道理很簡單，用保溫材料來隔絕熱量交換，類似于我們用杯子盛水一樣，熱橋就相當(dāng)于在底部開了“小孔”，由于水流損失是持續(xù)的，即使小孔的面積不到杯子表面積的 1%，也可以讓杯子里面的水流光。而且墻板混凝土的表面積很大，擴(kuò)大了熱橋與空氣進(jìn)行熱交換的面積，進(jìn)一步加速了熱量的流失，東北諺語“針尖大的洞，斗大的風(fēng)”說的就是這一現(xiàn)象。
從這一檢測結(jié)果對(duì)比情況看，如果在夾心保溫外墻板的各層構(gòu)造厚度基本相同的情況下，采用不銹鋼保溫拉結(jié)件，比 GFRP 的熱工性能下降了 30%，在國內(nèi)對(duì)建筑節(jié)能要求越來越高的情況下，這 30% 的節(jié)能差距不容小覷。
3. 美國試驗(yàn)研究的簡介
美國 Oak Ridge 國家實(shí)驗(yàn)室建筑技術(shù)中心在 2001 年對(duì)不同構(gòu)造的夾心保溫外墻板進(jìn)行了熱工性能檢測，用于研究墻體熱性能受連接墻體兩層混凝土的金屬或者纖維復(fù)合連接器影響，并發(fā)布了研究報(bào)告（圖 5）。該試驗(yàn)研究一共制作了5塊夾心保溫外墻板，對(duì)其中的5塊測試墻板進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)檢測，并對(duì)3塊墻板進(jìn)行了動(dòng)態(tài)檢測，形成了系列檢測數(shù)據(jù)，簡述如下。
（1）墻板的構(gòu)造和連接情況簡介
根據(jù) Oak Ridge 國家實(shí)驗(yàn)室建筑技術(shù)中心的試驗(yàn)報(bào)告，在一系列的對(duì)比試驗(yàn)檢測中，共使用了 5 塊測試墻板試件，1 # ~4 # 測試墻板均由兩層混凝土層中間夾一層絕熱板組成。兩個(gè)混凝土層分別由 GFRP 拉結(jié)件、金屬拉結(jié)件或混凝土肋穿過保溫層進(jìn)行連接，測試墻板的尺寸均為 2590mmx2970mm，測試用熱箱的尺寸為2440mmx2440mm。
其中 1 # ~4 # 測試墻板包括兩個(gè) 3 英寸（約 76mm）厚的混凝土層，中間夾一個(gè) 2 英寸（約 50mm）厚的擠塑混凝土絕熱板，6# 測試墻板的保溫層由 2 英寸和 6 英寸的混凝土組成，保溫由 6 英寸厚的黑色聚苯顆粒保溫板（EPS）和 1/2 英寸厚的藍(lán)色擠塑苯板（XPS）組成，并且在藍(lán)色擠塑板的兩個(gè)表面均附加了粘合聚苯烯膜（防潮層）。
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