无机保温承重砌块节能性能分析✳

张 玉,李 珠,张 晶

(太原理工大学建筑与土木工程学院,山西太原 030024)

0 引 言

随着人们生活水平的不断提高,现代人对居住环境和生活品质的追求也越来越高.鉴于我国夏热冬冷地区夏季炎热、冬季阴冷潮湿的气候特点,从宜居角度考虑,必须要采取一定的措施才能保证舒适的室内环境,其中主要的措施之一是通过提高建筑围护结构的保温隔热能力来实现.《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》提出了节能50%的目标[1],围护结构承担其中的 25%[2],2010年开始准备实施第三步节能设计标准目标,要求达到节能 65%[3].研究一种既具有保温隔热能力又能满足建筑节能设计标准要求的建筑维护结构墙体材料具有很重要的现实意义.基于以上思想的指导,本课题组致力于研究一种集保温隔热、承重于一体的新型墙体材料——无机保温承重砌块.该砌块是以陶粒、玻化微珠保温隔热砂浆、石灰、硅灰、水泥等为基本原料,加适量外加剂,经加水搅拌、浇注成型、标准养护等工序形成的一种符合绿色环保材料[4]要求的墙体材料.砌块在具有普通砌块的物理力学性能的同时,又具有良好的保温隔热性能.作为结构材料,该无机保温承重砌块具有抗震、经济并节能的综合性能,并且设计、施工方便,可真正实现结构的自保温[5-6].

本试验制作的无机保温承重砌块的性能特点有:28 d抗压强度大于 10.560 MPa;导热系数小于 0.174 W/(m· K).

1 无机保温承重砌块

1.1 砌块制作

参照无机保温承重砌块的制作方法[7]的发明专利,但与其不同的是,不使用其中对砌块导热系数及容重影响都很大的石子这项因素,并把复合轻骨料掺料中的硅灰单独作为一个影响因素使用,然后再添加一种由本课题组自行研制的复合外加剂.具体的制作方法如下:选用玻化微珠、陶粒、沙子、硅灰、石灰及外加剂等为原材料,模具选择 240 mm×115 mm×90 mm的测定抗压强度,如图1,图 2所示.选择300 mm×300 mm×30 mm的测定导热系数[8].制作试件前要将试件模具除尘、涂油,要求试模内壁光滑、干净,同时要拧紧模具的螺丝.

使用机械搅拌并用振动台振捣,完成后将试件在室温 20±5℃,相对湿度大于 50% 的情况下静放两天拆模.拆模时要注意避免用力过大,保证试件在拆模过程中不损坏,保证表面平整、棱角完整.试件制作完成后在室内温度 20±2℃,湿度大于 95% 的标准养护条件[9]下养护 28 d.

试验共分 9组,每组成型 240 mm×115 mm×90 mm的试件 3块测试抗压强度,成型300 mm×300 mm×30 mm的试件 2块测导热系数.采用太原思科达科技发展有限公司实验室的DES 2000A型压力试验仪测定无机保温承重砌块试件的抗压强度,采用 DRP-5W导热系数测定仪测定导热系数.得出无机保温承重砌块的热工性能,具体测试结果如表1所示.

表1 无机保温承重砌块的热工性能Tab.1 Thermal performance of inorganic thermal insulation bearing block

1.2 热工性能计算

保温墙体的保温隔热性能通常用传热系数或传热热阻来评价[3].保温墙体的传热系数和热惰性指标的计算方法如下[10-11].

1.2.1 传热系数 K

围护结构的热阻 R应按式(1)计算

式中: R1,R2,…,Rn分别为各层材料的热阻,m2· K/W;W1,W2,… ,W n分别为各层材料的厚度,m;λ1,λ2,… ,λn分别为各层材料的导热系数,取计算值,W/(m· K).

围护结构的传热阻 R0按式 (2)进行计算

式中:R0为围护结构的传热阻,m2· K/W;R i为内表面换热阻,取 0.11 m2· K/W;Re为外表面换热阻,取 0.04 m2· K/W;R为围护结构多层材料的热阻,m2· K/W.围护结构的传热系数 K应按式(3)计算

式中:K为围护结构的传热系数,W/(m2· K);R0为围护结构的传热阻,m2· K/W.由此可得无机保温承重砌块传热热阻 R0=1.49 m2· K/W,传热系数 K=0.67 W/(m2· K).

1.2.2 热惰性指标 D

多层材料围护结构的热惰性指标 D应按式(4)计算

式中: R1,R2,…,Rn分别为各层材料的热阻,m2· K/W;S1,S2,… ,Sn分别为各层材料的蓄热系数,W/(m· K).空气层的蓄热系数 S=0.由此可知无机保温承重砌块的热惰性指标 D=3.114.

2 普通混凝土砌块

为了分析普通混凝土的热工性能,特测出普通混凝土砌块的热工性能,如表2所示.

表2 普通混凝土砌块的热工性能Tab.2 Thermal p erformance of ordinary concrete block

2.1 热工性能计算

1)传热系数 K=3.44 W/(m2· K);

2)热惰性指标 D=2.408.

3 结果分析

根据标准[1],外墙部分的传热系数、热惰性指标应满足下列要求:传热系数 K≤1.5,热惰性指标 D≥3.0;传热系数 K≤1.0,热惰性指标 D≥2.5.对于无机保温承重砌块,其热工性能满足这一要求.

评价砌块保温性能的优劣通常以传热系数或热阻值大小为标准,K值越小,R值越大,其保温性能越好.而材料隔热性能的优劣,主要由材料的密度、导热系数、蓄热系数等指标所决定,材料的密度和蓄热系数越大,其隔热性能越好[13].可以看出,无机保温承重砌块比普通混凝土砌块性能优越.寒冷地区外墙传热系数限值如表3所示.

表3 寒冷地区外墙传热系数限值Tab.3 Limit v alue of heat transfer coefficient of external wall in cold regions

单独使用本砌块时的传热系数为 0.67.由表3可知,此砌块使用在低于 8层的建筑时,能够达到节能 65% 的标准;使用在 9层以上的建筑时,配合使用本课题组自行研制的玻化微珠保温隔热砂浆后完全可以达到节能 65% 的标准.

假设将普通住宅的维护结构及室内空气简化为一个简单的热力系统,室内温度的波动范围小于 1.0℃,计算其负荷.计算时采用的方法是冷负荷系数法[15].

各项参数分别为

计算夏季室外日平均温度tZP为

选取夏季室内基本的计算温度tNX为 26℃,假设无机保温承重墙体的传热面积为8m2,通过该墙体传热形成的冷负荷按下式计算[15]

式中:CL 1为外墙传热形成的逐时冷负荷;K为外墙传热系数,W/(m2·K);F为外墙的传热面积,m2;tNX为室内计算温度,℃;tZP为室外计算温度,℃.

类似地,通过普通混凝土实心砖墙体传热形成的冷负荷为

考虑每天的使用状况,假设平均每天空调使用的时间约为12h,一个月按 30 d计算,则通过无机保温承重砌块墙体传入室内的热量为

49.848×12×3600×30=64 603.0 k J,而通过普通混凝土砌块传入室内的热量为

255.936×12×3600×30=331 693.0 kJ,两者的差值为

331 693.0-64 603.0=267 090 k J.

对于单面外墙来说,采用无机保温承重外墙比采用普通混凝土砌块外墙在1个月内,在其他条件都相同的情况下,节能效率为 80%.

4 经济分析

该新型墙体材料经济方面的优点是:①该无机保温承重砌块由于其具有良好的保温隔热新性能,使用之后可以减少空调及其他采暖设备的使用量和使用时间.广泛使用可以节约大量的煤电等能源,大大降低了建筑的能耗.②运输上,由于其大量使用陶粒,所以比普通混凝土砌块轻很多,可以节约运输成本.降低了工人的劳动强度,也降低了人工费用.

5 结 论

1)本文所研究的无机保温承重砌块,其热工性能满足传热系数 K≤1.0,热惰性指标 D≥2.5这一要求;

2)根据《严寒及寒冷地区居住建筑节能设计标准》[14],利用玻化微珠保温砂浆及陶粒等生产的无机保温承重砌块,可以达到节能 65%的标准;

3)无机保温承重砌块相比普通的混凝土砌块,节能效率为 80%.

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