外保温钉粘部位对围护结构热工性能的影响

2010-11-20杨丽萍YangLiping闫增峰YanZengfeng朱惠英ZhuHuiying

住宅科技 2010年10期

关键词：保温板外保温传热系数

■ 杨丽萍 Yang Liping 闫增峰 Yan Zengfeng朱惠英 Zhu Huiying

0 引言

随着建筑节能工作的不断深入，外墙外保温改造中,外保温板的粘贴需要通过锚固钉等构件固定，而这一构件是否会影响到围护结构的热工性能，进而影响室内热环境仍需要进行深入研究。

1 典型现场测试情况

1.1 测试对象及测试时间、地点

基于本课题研究目的，测试对象为某大学新建研究生高层公寓，建筑整体为全框架剪力墙结构，外墙采用外保温形式，外墙剪力墙部分为钢筋混凝土外贴XPS保温板，非剪力墙及填充墙部位为蒸汽加气混凝土（ρ=700kg/m3）外贴XPS保温板砌筑，具体构造如图1所示。外窗采用塑钢窗，单框中空玻璃，中间空气层厚度为60mm，传热系数K=2.80W/（m2·K）。整个建筑体型系数，，窗墙面积比分别为：东、西向:0.26<[0.3]，南向：0.30<[0.35]，北向：0.19<[0.3]。

测试时间为2009年12月6日19∶00-12月7日20∶00，期间为西安冬季典型的多云间阴天气，气温昼夜差异明显，是典型的寒冷地区冬季气候。

1.2 现场实测情况

现场测试的主要内容是建筑围护结构的相关热工性能参数，包括室内外空气温度、被测壁体内外表面温度、室内外的相对湿度、被测壁体表面温度场分布等。所使用的仪器主要有: TRlog温度计、四通道数位式温度计、FLIR T400型红外热像仪。为了不影响红外热成像法的使用，并避免太阳辐射、风速、背景辐射等各项外界因素对实验结果造成干扰，实验尽量选择在背阳面，无太阳光直射的区域进行，考虑到西安地区冬季多为连阴天气，连续测量24h，使用TRlog温度计、四通道数位式温度计及FIRL T400红外热像仪对所选区域进行连续拍摄、测试工作，温度计每隔15min记录一次数据，红外热像仪每隔1h记录一次。

测试时测点布置如图2所示。

2 测试结果分析

2.1 接触法数据整理分析

在测试过程中，由于所使用的TRlog温度计、四通道数位式温度计测点过密，电池消耗过快，加之，测试人员忽略了电池的更换，致使室外空气温湿度、室内壁面温度等部分数据丢失，但是鉴于此次实验目的仅在于室内外壁面数据的对比，而不是周期对比，因此通过现有数据亦足够进行相应的研究分析。

由图3可知，既有数据中室内温度最高为24℃，室内外各测点温度较为稳定。室外壁面温度最低点出现在7日上午10点57分（3.3℃）的正常保温墙面T4处，这是因为7日当天上午天气突变，偶有零星雨夹雪。而室外气候的骤变，也导致室外壁面温度呈现低谷状态。当然，室内外壁面温差越大表明此处围护结构的保温性能越良好；而室外锚钉测试点中，锚钉处T3测点的温度均明显高于锚钉处T1，可见此处保温板锚钉所带来的影响较大，向室外传递热量较多，由此可知保温板锚钉处容易成为热流密集现象；室外壁面平均温度与室内壁面平均温度相差16.6℃，这一温差条件亦符合红外热像仪拍摄热辐射图像时所需的使用条件。因此，笔者就保温板锚钉所形成热流密集现象，拍摄相应的红外热图像，并进行相应的分析研究。

2.2 红外热成像法数据整理分析

从图4可以看出，室内壁面温度场分布较为均匀，基本无温差变化。而图5、图6的红外图谱可明显看出保温板安装固定所留下的锚固钉外形，且温差变化明显，普查整个墙面，这种外保温锚固钉红外图像明显的现象普遍存在于整栋建筑的各个立面。12月7日6时室内表面温度基本维持在22.7℃左右，拍摄视野范围内最高温度为23.0℃，最低温度值为22.0℃。而对比相应时刻的室外壁面，可以发现，视野范围内4个锚固钉呈现高温，整个范围内最高温度值为10.1℃，最低温度值为6.4℃，平均温度为7.1℃左右。

2.3 红外热成像法测温的精确性判断

红外热成像法受外界因素影响较多，在测试中我们需要判断其检测的精确性。传统的接触式热电偶测温法作为国际认可的检测方法，其测温精确度不言而喻。作者需要对相同时刻的非接触式红外热成像法与传统的接触式热电偶法之间的测温误差进行验证，进而对红外热成像法在节能检测领域的发展提出建议。

测试所选取的时间点为不受太阳辐射以及周围环境影响的夜间，图中的单点为特征点T3，通过红外热像仪专用的分析软件FLIRQuickViewer和QuickReporter的分析，并将所测的锚钉处的最高温点与对应时刻特征点的热电偶测试数据进行比较（表1），可以发现，整个区域的最高温度点为8.7℃，平均温度为6.8℃，特征点T3的最高温度为9.5℃，对应传统的接触式热电偶法，特征点T3处的温度值为8.9℃，测试的平均温度值为7.7℃。

表1 热电偶法与红外热成像法测温误差比较

在所选取的4个特征点中，特征点T4为无锚钉的区域，其余三点均为红外热图像中的“热斑区”。通过表1计算所得到的二种方法的测温误差可见，红外热成像法与传统的接触式测温法测温相比，其测温误差较小，仅在区域平均温度处看到二者的差异，红外热成像法所拍摄到的整个区域平均温度基本等于所取的特征点T4的温度值，而接触式测温的平均温度值却是通过所测试点温度值的数学平均所得，由此可见，传统的接触式“以点代面”测温方式存在诸多不足，同时也证明了红外热成像法在建筑节能检测领域具有较高的应用前景。

3 平均传热系数的计算

建筑节能设计需要严格控制以下指标：建筑物耗热量指标qH、建筑物体形系数S、不同朝向的窗墙面积比、各部分围护结构传热系数限值Km等，只有这些指标达到国家标准规定的限定范围，才能称之为节能建筑。而在这些指标中，外墙平均传热系数Km是影响建筑物节能效果的重要的热工性能指标和控制指标之一[1][2]。

3.1 平均传热系数的计算方法

Km是指外墙包括主体结构及其结构性热桥（构造柱、圈梁、楼板伸入外墙部分等）部位在内的各部分传热系数平均值。当主体与周边热桥采用不同材料或当外墙采用内保温时，热桥部位的传热系数往往会大于主体，因此，在实际工程中所沿用的均为Km。

我国《标准》要求外墙Km应小于或等于其所规定的限值。常用的面积加权法的基本计算思路[3]是将外墙主体部位和周边热桥部位的一维传热系数按其对应的面积加权平均。对于内隔墙、楼板等部位,计算其一维传热系数时,不考虑内墙和楼板伸出外墙内表面的部分,仅考虑与外墙同样厚度但构造不同的平板的一维传热系数。

式中:

Km—外墙的平均传热系数，W/m2·K;

Kp—外墙主体部位的传热系数，W/m2·K;

Fp—外墙主体部位的面积，m2;

KB1、KB2、KB3—外墙周边热桥部位传热系数，W/m2·K;

FB1、FB2、FB3—外墙周边热桥部位的面积，m2。

由于被测对象所处于寒冷地区，按照节能要求冬季需要重点考虑保温，兼顾夏季隔热，且在《民用建筑节能设计标准》（陕西省实施细则）规范中也被明确划分在陕西省热工三区。

通过调查与相关图纸的计算，得到钢筋混凝土外墙贴40mm厚XPS保温板部位的平均传热系数K钢筋混凝土部位=0.613W/（m2·K），（K＜[0.7 W/（m2·K）]）；加气混凝土墙外墙贴40mm厚XPS保温板部位的平均传热系数K加气混凝土部位=0.355W/（m2·K）＜[0.7W/（m2·K）]，整体外墙的平均传热系数，Km=0.59W/（m2·K）＜[0.7 W/（m2·K）]。由此可见，围护结构的平均热阻R及整体的平均传热系数Km均符合《陕西省建筑节能设计导则》和《民用建筑节能设计标准陕西省实施细则》的限定要求。

3.2 锚固钉对传热系数的影响

围护结构传热系数的计算大多采用平均传热系数，梁、柱等热桥区域采用的是线传热系数。针对所测试的对象，其虽为全框架剪力墙结构，但在部分区域仍然使用了加气混凝土砌块，且外围护结构沿厚度方向的尺寸底部第一层最厚，上部墙厚逐层减少。就被测区域而言（图1），仅为加气混凝土砌块的构造墙面，且被测面积较小，锚固钉等粘结部位所占面积相对整体建筑较小。

根据资料显示，锚固钉的规格分别是8 mm×80 mm、8×100 mm、8 mm×120 mm、8 mm×135 mm以及8 mm×142mm，针对该建筑的具体构造形式而言，使用8 mm×100 mm的锚固钉，在一块面积为1000mm×900mm的保温板上建立4个锚固钉(导热系数λ=0.004W/(m2·K)，其面积共为100.48 mm2，约占保温板总面积的0.0112%，根据公式（1）计算被测区域处的平均传热系数为K1=0.355014W/(m2·K)，而如果忽略掉锚固钉所占面积，并按照常规面积加权法计算得到的该被测对象的平均传热系数为K1=0.355W/(m2·K)，对比可见，K1与K2之间相差微小。

根据工程经验，工程中都是根据建筑承重结构的材料、尺寸以及外保温板的类型、厚度选择锚固钉的尺寸，因此，在其他条件不改变，仅将外保温板改为1000mm×600 mm的情况下，再次计算得到：锚固钉所占面积约为0.0167%，被测区域处的平均传热系数为K3=0.35508W/(m2·K)，与K2相比差值依然微小。