节能理念下分析新型节能墙体材料在房屋建筑设计中的应用

齐 朋

(中建八局第一建设有限公司，山东济南 250000)

充电桩普及之前,空调系统的用电量一直占据民用电用量比重的重要地位,即便在今天,实现建筑物节能设计,也需要充分考察建筑物墙体的隔热性能,确保其夏季内部降温过程和冬季内部取暖过程中消耗最小的能源[1-2]。早期研究中使用双层墙体内嵌隔热材料实现砖混结构墙体施工,但此模式墙体厚度一般超过500mm,且其难以与今天的新型建筑物构型(如框架剪力墙结构、箍筒钢架结构、全钢结构等)实现有效配合[3-4]。所以,在幕墙式建筑构型下,使用更轻便、结构强度更高、隔热性能更好的新型节能墙体材料,是未来建筑物节能设计的重要研究方向[5]。

该研究重点分析了一种新型节能幕墙材料,在仿真环境下分析其隔热性能,进而比较其在实际应用中的节能效果。

1 新型节能幕墙的基本技术构型

新型节能幕墙材料的现场施工工艺与其他幕墙材料一致,在框架-幕墙结构房屋的框架部分施工完毕后,使用幕墙连接支架施工该幕墙结构,构成建筑物外墙立面结构。而该幕墙结构分为内部结构框架、端部结构、外饰面、内饰面、隔热层、连接构件等,如图1 所示。

图1 新型节能幕墙的基本技术构型Fig.1 Basic technical configuration of new energy saving curtain wall

图1 中,A 为幕墙内部结构框架,用于提供幕墙结构的刚性、弹性等结构力学核心属性；B 为幕墙结构的外饰面,用于建筑设计中的外立面表达过程,一般使用金属、玻璃、高分子材料、陶瓷等材料实现外饰面设计；C 为围绕内部结构框架布置的隔热材料,一般采用隔热性能较佳且比重较轻的阻燃棉纱、阻燃聚苯烯等材料；D 为幕墙内饰面,用于隔绝内部隔热材料与外界的接触,起到一定的防火阻燃效果,也起到一定的气密性效果,延长内部隔热材料及其他内部结构的寿命；E 为连接构件,用于将幕墙结构连接到建筑框架结构的幕墙连接构件上；F 为幕墙边框,一般采用金属材料制成,与内部结构框架一起形成幕墙结构的结构力学特征[6]。

早期研究中对新型节能幕墙的结构力学特征进行了充分研究,该研究重点分析其隔热性能以及其带来的节能表现[7]。对内外饰面来说,其自身带来的阻燃、隔热性能并不在该研究范围内,该研究采用的饰面为8mm 工程陶瓷外饰面,12mm 阻燃高分子材料内饰面,通过调整内部隔热材料总厚度分析幕墙的隔热性能[8]。

2 内部隔热材料及其对墙体隔热性能的影响

该研究中选用的阻燃纤维核心骨料为粘胶纤维(Viscose Fibre),经过无机高分子阻燃剂进行表面处理后压实,比重为0.720g/cm3,孔隙率43%,构建墙板时,其内部包裹幕墙内部结构框架,外立面为陶瓷外饰面板,内立面为阻燃高分子材料内饰面,框架为高强度铝合金框架。幕墙板按照2.4×1.2(m) 构型,根据内部阻燃纤维层厚度差异,最终设计厚度选用50、75、105、200、320 mm 共5 种构型,其结构参数见表1。

表1 新型节能幕墙结构参数表Table 1 Structural parameters of new energy saving curtain wall

表1 中,虽然阻燃纤维的密度仅为0.720g/cm3,远低于陶瓷饰面板及金属框架的比重,但实际重量核算中,发现当幕墙板总厚度达到105mm 时,隔热层重量在幕墙板总重量中的占比就达到了50.6%,且当幕墙板总厚度达到320mm 时,隔热层重量在幕墙板总重量中的占比已经达到了77.9%,其总重量也达到了每块幕墙板796kg。但考察相同体积的砖砌墙面(2.46g/cm3)及混凝土预制墙面(3.09g/cm3),该幕墙板的结构密度仍然较低,且厚度越大的幕墙板结构密度越低。

构建仿真实验环境,考察室外环境分别为30、35、40 ℃条件下采用常规中央空调进行降温时的幕墙节能效果表现,目标温度控制范围为达到室内环境25℃以下,单位设定为kW/m3,且考察不同规模的建筑物求取平均值,得到图1。

图1 降温能耗对比图(单位:kW/m3)Fig.1 Comparison of cooling energy consumption

图1 中,随着幕墙板总厚度增加,在高温室外环境中获得室内不超过25℃降温效果的中央空调能耗随之减少,但可以看到,当幕墙板达到105mm 总厚度以上时,随着幕墙板厚度增加,其能耗降低的幅度显著减少,即在外界环境高气温环境下获得建筑节能效果,超过105mm 幕墙板总厚度的设计选型并无实际意义[9]。

同样在上述仿真环境中,考察室外环境分别为5、-5、-15、-30 ℃条件下采用常规中央空调进行取暖时的幕墙节能效果表现,目标温度控制范围为达到室内环境18℃以上,单位设定为kW/m3,且考察不同规模的建筑物求取平均值,得到图2。

图2 取暖能耗对比图(单位:kW/m3)Fig.2 Comparison of heating energy consumption

图2 中,室外温度在5℃时,不同幕墙板厚度对其取暖能耗的影响并不显著,但当室外温度达到-5℃及其以下时,随着幕墙板厚度增加,取暖能耗下降幅度逐渐显著。但从相关曲线中仍能发现,当幕墙板厚度超过105mm 时,增加幕墙板厚度带来的能耗下降幅度放缓。即在外界环境低气温环境下获得建筑节能效果,超过105mm 幕墙板总厚度的设计选型价值并不显著[10]。

综上所述,该幕墙板整体设计选型结果为:幕墙板总厚度105mm,幕墙板尺寸为1.2m×2.4m,外饰面板为8mm 工程陶瓷材质,内饰面板为12mm 高分子阻燃材料[11]。

3 新型节能墙体材料在房屋建筑设计中的应用场景

3.1 新型节能墙体材料对建筑框架结构的适应性

上述选型后获得的最佳选型结果为厚度105mm的1.2m×2.4m的标准幕墙板,幕墙板单块重量为356kg,可使用连接构件与建筑物主体框架连接,形成一体化整合外立面幕墙结构。

针对不同的建筑物框架结构,包括:①混凝土分层浇筑的框架剪力墙结构的房屋主体框架,在建筑物楼层板外沿布置安装框架,将幕墙板采用连接构件形成扣板式栓接辅助安装；②箍筒钢架结构、全钢结构的房屋主体框架,在建筑物钢架外沿布置安装框架,将幕墙板采用连接构件形成扣板式栓接辅助安装。

356kg 总重量的幕墙板,设置8 个连接点,每个连接点承重为44.5kg,使用传统螺栓式连接即可实现连接功能,但仍需要在相关连接施工中执行防退丝操作,如采用防退丝螺母、胶封螺母螺杆间隙等。部分幕墙板安装工程中也使用铆接方式安装,但因为其施工难度较大尚未普及。

不同建筑物框架结构外立面施工安装框架时,应严格控制框架安装工艺尺寸,确保框架与幕墙板的连接构件的吻合程度,防止出现预应力过载等其他缺陷。且框架与建筑物主体结构的连接过程也应得到充分结构力学验算,混凝土框架剪力墙结构的主体框架中,安装框架与楼层板之间的栓接锚固长度需要经过严格验收。

3.2 新型节能墙体材料与空调系统的节能配合策略

建筑物墙体材料主要起到隔热作用,而实际取暖和降温的做功系统为建筑物的中央空调系统。所以,建筑物中央空调系统需要进行联合研究。该研究中采用的空调系统模型为带有电热辅助锅炉的中央空调系统,考察建筑物在8 万平方米、20 万平方米、40 万平方米、90万平方米条件下中央空调布局并求取平均值,针对不同室外温度的降温和取暖需求,中央空调系统的实际配置仅与建筑物整体布局有关,与室外温度无关。该空调系统运转中,有降温需求时,采用空调压缩机驱动室外冷凝器盘管散热,循环水箱内的蒸发器对循环水降温,使用冷水驱动建筑物内各盘管；取暖需求下,利用空调压缩机驱动室外蒸发器盘管吸热,循环水箱内的冷凝器加热循环水,同时驱动循环水箱内的电辅助加热系统对循环水辅助加热。所以,该系统中相同温差条件下的取暖功率略大于降温功率。实际节能型建筑施工时,采用地下水辅助获得室外盘管温度环境,通过城市供热管道获得辅助热源,均可以在空调系统设计中获得更多节能效果。

该系统在设计中,发现其适应于最高温度低于40℃,最低温度高于-30℃的外部温度环境,该温度环境符合国内大部分城市的气候气象环境,可以基本认定该幕墙板结构在国内绝大部分地区均有适用性。在实际建筑物节能设计的过程中,针对该研究中的空调设计思路,进一步提升空调系统自身的节能效果,可以更大程度实现建筑物的节能特性。

4 总结

通过仿真分析发现,单纯增加幕墙板厚度,无法持续提供建筑物幕墙板结构的节能性能,而是采用该研究中幕墙板整体构型下105mm 厚度的幕墙板,可以达到节能最佳效果。在此基础上进一步增加幕墙板厚度,也可以实现一定程度的节能,但其节能提升效率显著降低。该幕墙板可以适应-30～40 ℃的外部温度环境下达到18～25 ℃室内环境空调温度调节目标下较强的节能效果,可以适应国内大部分地区的建筑节能需求。在后续研究中,可以在该幕墙板节能效果基础上,进一步针对空调系统等辅助空调设施进行优化设计,进一步提升建筑物的节能效果。