夹芯墙在夏热冬冷地区的推广研究

唐响亮 邓 智

(1.湖南文理学院土木建筑工程学院，湖南常德 415000;2.远大住宅工业有限公司，湖南长沙 410000)

我国是一个能源消耗大国，而在能源消耗中，建筑耗能占了相当大的比例。根据相关数据［1］，我国建筑行业每年平均以20亿m2左右的速度发展，真正达到节能标准的还不到5%，其余95%以上都是高耗能建筑，在既有的建筑当中，95%以上都是高能耗建筑。建筑业的耗能量，已经占到全社会终端耗能量的27%。为了我国的可持续发展，建筑节能势在必行。夏热冬冷地区共涉及16个省、自治区、直辖市，约5.5亿人口，国民生产总值约占全国的48%。该地区气候的显著特点是夏季湿热、冬季干冷、昼夜温差小、年降水量大、日照偏小，该地区最冷月平均温度0℃～10℃，最热月平均温度25℃～35℃［2］。为了满足舒适性要求，该地区房屋一年中至少有8个月以上要进行采暖降温处理，为此而消耗掉大量能源。节能建筑根据墙体施工工艺的不同，可以分为:内保温节能，夹芯墙保温(复合墙体保温)节能，外保温节能。三种保温形式各有优缺点，综合效果最好的是外保温节能，夹芯墙保温(复合墙体保温)节能次之，内保温最差。但外保温节能最大的缺点就是成本高，耐久性差，而内保温效果又较差，我国现阶段对夹芯墙的研究较少，且主要集中于北方寒冷地区，在南方夏热冬冷地区的不多。为了满足我国节能减排要求和建筑节能标准，同时结合夹芯保温节能墙体的特点和在该地区研究的空白，在夏热冬冷地区进行夹芯保温节能墙体的研究有着重要意义。

1 夹芯墙体的试验研究

1.1 墙体热工性能计算基本理论

在墙体节能计算中，通常采用传热系数K［W/(m2·K)］值来评价围护结构的节能设计是否符合节能要求。

围护结构传热系数K［W/(m2·K)］值的计算:

1)单一材料外墙的总传热系数K值的计算:

其中，R0为围护结构传热阻，m2·K/W;R为材料的热阻，m2·K/W;Ri，Re分别为外墙内表面的换热阻和外表面的换热阻，m2·K/W，通常取 Ri+Re=0.15 m2·K/W。

2)多层材料外墙的总传热系数K值的计算:

其中，R1，R2，…，Rn均为各层材料的热阻，m2·K/W。

1.2 墙体热工性能试验分析

1)试验概括。试验所用材料:砌块为烧结多孔砖，尺寸为240 mm×115 mm×90 mm;中间保温层材料是聚苯乙烯保温板，厚度为40 mm;拉结筋直径为8 mm，做成Z字形;建筑施工常用水泥，砂和石灰;另外还有:鏮—铜电偶，热流计，黄油，导线，电烙铁，透明胶布等。试验设备包括:北京世纪建通科技发展有限公司生产的墙体热工性能检测设备，该检测装置由三部分组成:试件架，冷箱和热箱。试件架的开口面积为1 m2;冷箱的开口面积为1 m2，冷箱温度控制范围:－10℃～环境温度(环境温度在25℃以下)，箱内空气温度波动不大于±1℃;热箱开口面积为1 m2，热箱温度控制范围:环境温度～40℃，连续可调，箱内空气温度波动不大于±0.5℃。另有一架JTRG-Ⅱ建筑热工温度与热流自动检测仪。

夹芯墙的施工严格按照GB 50003-2001砌体结构设计规范中对夹芯保温墙体的施工规范进行，墙体的养护在自然条件下进行。

墙体采用对称夹芯，两边对称砌筑烧结空心砌块，中间夹有聚苯乙烯保温板，并按规范配有拉结筋，最后外面两边各粉刷一定厚度石灰砂浆，如图1，图2所示。

图1 夹芯墙（一）

图2 夹芯墙（二）

2)试验原理。试验通过热箱对夹芯墙体加热，另一边冷箱对夹芯墙体制冷，致使夹芯墙体两边产生温差，通过两边墙体上的鏮—铜电偶测出冷热面墙体的表面温度，同时用热流计测出夹芯墙体在该温差下的热流值，最后运用理论公式算出该环境条件下夹芯墙体的传热系数。试验中，冷、热面墙体温度值以及热流值，均取墙体达到稳定状态后的平均值。

传热系数计算公式:

其中，K为传热系数;q为热流平均值;T1为热箱面墙体表面各点温度的平均值;T2为冷箱面墙体表面各点温度的平均值。本试验中，墙体的养护(28 d)以及试验过程严格按照相关规范进行。

2 试验结果分析

试验过程中，夏季墙体外侧的环境温度为35℃(冬季温度为0℃)，墙体内侧的环境温度为15℃(冬季温度为20℃)，箱内空气温度波动不大于±1℃。当墙体双面温度达到稳定后(波动在允许范围以内)，试验即可结束。试验结果如表1，表2所示。

表1 夏季温差20℃时墙体传热系数试验数据

表2 冬季温差20℃时墙体传热系数试验数据

由式(1)～式(3)以及R=1/K，Ri+Re=0.15，可分别算出四种墙体的传热系数K(夏、冬季两种情况墙体取平均值)分别为:K1=0.854 3 W/(m2·K)，K2=1.030 4 W/(m2·K)，K3=0.703 4 W/(m2·K)，K4=0.924 4 W/(m2·K)。

根据《民用建筑热工设计规范》，墙体的传热系数 K≤1 W/(m2·K)时，符合我国现在的建筑节能要求，于是可以得出:墙1、墙3和墙4满足夏热冬冷地区的建筑节能标准，且夹心墙作为节能墙体在夏热冬冷地区进行推广使用具有可行性。

本试验采用了夏、冬两种环境条件下，测定夹芯墙体的传热系数K，非常真实的反映了现实生活中建筑墙体的所处环境:夏季墙外侧温度高，内侧温度低，热量由外向内传递，冬季刚好相反。通过对比试验结果，发现墙体在相同温差的条件下，两种环境时墙体的传热系数K值没有明显差异。对比墙1和墙2的试验结果可以发现，增大保温材料(聚苯乙烯保温板)的厚度，墙体的传热系数K将降低:传热系数减小了0.176 1 W/(m2·K)，达到较好的保温隔热效果;对比墙1和墙3、墙2和墙4的试验数据和结果，同样可以得出:墙体组成材料厚度不变的条件下，设置空气层能够降低墙体的传热系数，从而改善墙体的节能效果。可见改变保温材料(聚苯乙烯保温板)的厚度、设置空气层等措施能较好改善墙体的保温隔热性能，在不改变或者破坏墙体的力学性能前提下，通过上述两种措施降低墙体的传热系数具有可行性和有效性。

3 试验结果的影响因素

在整个墙体热工性能测定试验过程中，我们也进行了许多对比试验:墙体不同养护天数条件下，其传热系数大小的测定;墙体热桥部位(钢筋混凝土柱)传热系数以及热桥周边墙体传热系数的测定。通过试验我们发现:墙体自然养护14 d，21 d和28 d时，传热系数是逐步降低的，其中养护28 d的墙体对比14 d的墙体，其传热系数降低量可达到25%以上，而养护28 d以后，墙体的传热系数变化已经非常的小(2%以内)。通过研究分析我们得出:在不同养护天数下，导致墙体传热系数改变的主要原因是墙体组成材料含水量的变化，材料含水量越大，墙体传热系数越大［3］。热桥部位的传热系数通常非常大，其值不能满足我国的建筑节能标准，且热桥对与其相连墙体的传热系数有增大效应。在施工过程中，可以通过采用保温砂浆等材料降低混凝土柱等构件的热桥效应，同时，在热桥构件与墙体连接处加保温材料(XPS保温板)，可以显著降低热桥对墙体传热系数的增大影响，试验表明:混凝土柱和墙体采用保温材料连接后，在离混凝土柱处30 cm范围外，墙体表面的温度和热流变化趋于稳定，热桥影响的范围可控制在30 cm以内［4］。夹芯墙体传热系数的影响因素较多，但以墙体组成材料的含水量和热桥构件的影响最大，在实际施工过程中，必须考虑这些影响因素，应采取措施降低其对墙体热工性能的影响。

4 结语

1)夹芯墙体在夏热冬冷地区可以达到建筑节能标准，在该地区推广夹芯墙的使用具有可行性和有效性。2)增加保温层厚度和设置空气层，能够有效改善夹芯墙体的热工性能，在不破坏墙体力学性能前提下，可通过该方法提高墙体的保温节能效果。3)夹芯墙体组成材料的含水量和热桥构件对其传热系数影响较大，在实际工程中，必须考虑这些影响因素，但通过采取有效的措施可以降低其对墙体热工性能的影响。

［1］温 华.多层建筑围护结构外墙角热桥传热分析［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学硕士论文，2007:5-7.

［2］付祥钊.夏热冬冷地区建筑节能技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005:13-15.

［3］唐响亮.夏热冬冷地区夹心墙的热湿性研究［D］.长沙:湖南科技大学硕士论文，2011:53-63.

［4］邓 智.夏热冬冷地区夹心墙混凝土柱热桥研究［D］.长沙:湖南科技大学硕士论文，2012:44-49.