建筑围护结构保温节能技术的现状和前景

2018-11-14□□

建材技术与应用 2018年4期

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(山西建筑职业技术学院，山西太原 030006)

引言

随着全球经济的快速发展，能源匮乏及环境污染已成为许多行业亟需解决的问题。作为能源消耗的大户，建筑行业节能技术的研究也越来越受到科研人员的重视。目前，建筑节能技术可分为两大类，一类是发展新型可再生能源取代传统化石能源为建筑供能，相比于风能、地热能、潮汐能等其他可再生能源，太阳能可直接被设置于房屋建筑的装置收集并加以应用，所以在建筑节能方面具有很大潜力。在建筑中应用较为成熟的太阳能节能形式主要有太阳能热水器，由于太阳辐射的稳定性差，主要应用于户用太阳能热水器，规模一般较小，因而使其应用受到了限制。近年来，随着绿色建筑概念的提出，关于主动式和被动式太阳能建筑的研究也层出不穷，但由于技术尚不够成熟、造价较高等原因，一直未能在普通高层建筑中推广应用。

另一类建筑节能技术是提高能源利用效率，降低建筑能耗。随着近些年房地产业的快速发展，城市建筑的数量急速增长，因而改进建筑围护结构和耗能设备的性能，从源头上减少能源消耗显得尤为重要。为此，国家出台了建筑节能设计规范标准，对新建建筑和既有建筑节能改造的围护结构和耗能设备的性能参数作了强制性规定。在建筑能源消耗中，围护结构的热损耗占比较大，因此通过改善建筑围护结构的保温性能，提高其传热热阻，可有效减少围护结构的热损耗，从而达到降低建筑能耗的目的。建筑围护结构热损耗较大的部位包括外墙、外窗和屋面。

1 外墙保温节能技术

外墙是建筑的主要热损失构件，其面积占建筑围护结构总面积的比例较大，因此，发展外墙保温节能技术，对于降低建筑围护结构的能量损失具有重要意义。

1.1 外墙外保温技术

将保温隔热材料敷设于建筑外墙外表面的建筑外墙外保温技术是目前城市建筑中常采用的节能手段，相比于建筑外墙内保温、夹芯保温等方法，外墙外保温的保温性能明显优于后者，而且可以有效地避免热桥效应，还能起到对外墙的保护作用，并且施工较为方便，尤其是对既有建筑的节能改造。市面上常用的外保温隔热材料有聚苯乙烯泡沫材料、酚醛泡沫、聚苯颗粒保温料浆等，这些均属于有机保温材料，其保温绝热性能良好，但容易燃烧，需要加入阻燃剂才可以作为外墙外保温材料使用。此外，由于其施工有一定的技术要求而且造价偏高，在一些城镇、农村等偏远地区很难推广应用，而且保温隔热材料耐久性差的弊端也日趋突出，最近几年外墙保温层脱落的案例也是不胜枚举。因此，研发新型保温绝热材料和提高外保温施工质量，是未来外墙外保温技术的研究重点和发展趋势。

1.2 外墙自保温技术

由于外墙外保温技术存在的不足，使得外墙自保温技术越来越受到重视。黏土实心砖是传统的外墙砌筑材料，虽然价格低廉但是其热工性能差，而且制作过程粗糙，既浪费资源，又污染环境，已逐渐被新型的自保温砌筑材料取代。目前发展较为成熟的是加气混凝土类的自保温外墙砌筑材料，由于这类自保温外墙砌筑材料的密度明显低于黏土实心砖，而且能起到一定的绝热保温效果，同时耐火等级高，很快就在国内建筑市场特别是城市高层建筑中占据了主导地位。但是，加气混凝土的干收缩率大，而且强度较低，容易出现裂缝，影响建筑美观，严重时甚至对建筑质量安全造成威胁。在框架结构中，非承重的加气混凝土墙体与梁、柱等构件的衔接处容易产生热桥现象，若处理不当就会在热桥处结霜，使得加气混凝土在夏热冬冷地区的使用受到了限制。为了解决上述问题，许多专业人士一直致力于研制强度和热工性能能够同时达到要求的新型自保温砌筑材料，目前已初见成效；同时在不断地改进热桥处理方式，以降低墙体的平均传热系数。

1.3 复合节能墙体

随着绿色建筑和装配式建筑的概念越来越深入人心，外墙不再是单纯起围护作用的构件，其还可以与建筑的其他构件进行一体化设计形成复合节能墙体。目前研究较多的复合节能墙体有通风复合节能墙体和采暖复合节能墙体，通风复合节能墙体可以同时起到通风和围护作用，在外墙结构中设置空气夹层，夏季室内外温差会形成一定的风压和热压，使得空气夹层形成自然对流，从而达到通风降温的目的。有时为了增强空气流动还会设置强制对流装置，如图1所示。采暖复合节能墙体最典型的是太阳能集热墙，在南向外墙的结构中设置太阳能集热器，通过吸收太阳辐射加热空气，从而达到采暖的目的。由于我国幅员辽阔，不同地区由于所处的位置不同会造成其太阳辐射的差异，因此应该针对不同区域进行不同的集热器及其配套设施的设计，目前技术较为成熟的如太阳能贮存墙(又称Tromb墙)，其工作原理如图2所示。

图1 通风复合节能墙体原理图

2 外窗保温节能技术

外窗是除了外墙的第二大建筑热损失构件，是建筑绝热保温的薄弱环节，国家对公用建筑和民用建筑的窗墙比均有严格要求，因此在设计时宜选择合适的开窗面积，既达到采光要求，同时又不会因外窗面积过大而造成建筑冷热负荷增加。传统外窗一般由木质外框和单层玻璃构成，其绝热性能和气密性均很差，有时甚至会导致外窗的冷热负荷超过外墙的冷热负荷。为了降低建筑耗能，提高外窗的绝热保温性能是必不可少的一项举措。近些年来，我国在大力提倡发展节能窗技术，节能窗主要是从两个方面来改善窗户的性能，一方面是采用PVC、断桥铝合金等材料来替代木材作为窗框，另一方面是采用双层中空玻璃替代单层玻璃，有些严寒地区甚至会采用三层中空玻璃。目前市面上常用的是断桥铝双层中空玻璃节能窗，其传热系数在2.3～2.8 W/(m2·K)，相比于传统外窗的传热系数5.4～6.4 W/(m2·K)，保温隔热性能有了明显的提升。

图2 太阳能贮存墙(Tromb墙)原理图

目前国内采用的节能窗虽然相比于传统外窗在绝热和保温性能上有了显著提高，但是与发达国家相比还有一定的差距，国外有些高效节能窗的传热系数已低于1.8 W/(m2·K)。我国节能窗的研究还有很大潜力，例如镀膜玻璃节能窗和超级节能窗已成为研究热点，对低辐射膜新型材料的研究也越来越重视。镀膜玻璃节能窗即在窗户玻璃的内外表面镀上一层或多层低辐射膜，低辐射膜在夜晚会阻止部分室内物体向室外辐射热量，从而达到保温的效果，而白天则不会阻止太阳辐射热量通过玻璃进入室内。超级节能窗是将镀膜玻璃节能窗多层玻璃内腔的空气抽除并充入绝热透明材料，使得窗的绝热保温性能得以进一步提高。

3 屋顶节能技术

屋顶是建筑遮风挡雨的主要围护结构，其绝热和防水方面的要求高于外墙等围护结构。传统屋顶的结构自下而上依次为：承重结构层、防水层、绝热层和面层。目前，应用较多的屋顶节能技术是改进传统屋顶的绝热保温性能，降低屋顶的传热系数。例如，加设通风层的节能屋顶、种植屋面、蓄水屋面等。随着建筑节能越来越受到重视，屋顶节能技术与其他节能技术的组合应用也取得了进展，出现了太阳能集热屋顶、太阳能光伏屋顶，不仅能提高屋顶热阻，而且能够为建筑提供清洁能源，降低建筑能耗。