建筑節(jié)能改造中內(nèi)保溫構(gòu)造技術(shù)的應(yīng)用3

白憲臣 張獻(xiàn)萍

(河南大學(xué)土木建筑學(xué)院,河南開封475001)

近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高,人們對建筑室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性有了更高的要求[1],由于部分既有建筑建設(shè)年代較早,當(dāng)時國家相關(guān)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)還未出臺,在之后的改造過程中相繼增設(shè)了暖氣、空調(diào)等能源消耗設(shè)備,然而卻沒有對既有建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的保溫隔熱及節(jié)能技術(shù)改造,使得既有建筑普遍存在保溫隔熱效果差、運(yùn)行能源消耗大等問題。

1 墻體節(jié)能構(gòu)造方案的優(yōu)化選擇

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外不同的保溫構(gòu)造做法,在不同建筑熱工區(qū)及采暖降溫用能條件下具有不同的熱工與節(jié)能效果[2]。按照熱舒適及建筑節(jié)能要求,在熱工區(qū)確定的條件下,當(dāng)采用內(nèi)外不同的保溫構(gòu)造時,由于在熱流傳導(dǎo)路徑上墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱阻的代數(shù)和沒有變化,因此通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流強(qiáng)度大小則不變,即冬季采暖時不同的保溫構(gòu)造在同一熱工區(qū)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體傳熱能耗不因保溫構(gòu)造不同而變化。基于同樣的熱舒適及節(jié)能要求,建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在夏季應(yīng)當(dāng)具有良好的隔熱和散熱能力,而圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱的重要性及熱舒適節(jié)能效用在工程實(shí)踐中往往被忽視。當(dāng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)選擇外保溫構(gòu)造時,室內(nèi)一側(cè)是密度大、蓄熱能力較強(qiáng)的重質(zhì)材料層,對于夏季自然通風(fēng)條件下的房間,圍護(hù)結(jié)構(gòu)將吸收、蓄存大量來自室外綜合溫度影響下的熱量,并且不易在短時間內(nèi)散發(fā),在傍晚和夜間成為房間新的熱輻射源,使人感到強(qiáng)烈的壁面熱輻射。當(dāng)使用空調(diào)降溫時,房間內(nèi)蓄存的熱量無疑增大了空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷,將會延長空調(diào)設(shè)備制冷降溫時間,因此將增加建筑的運(yùn)行能耗。

如果建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用內(nèi)保溫構(gòu)造,室內(nèi)一側(cè)將是密度和蓄熱系數(shù)較小的輕質(zhì)材料層,無論是自然通風(fēng)房間或者是空調(diào)房間,由于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)材料層蓄存較少的熱量,不但自然散熱速度快,而且空調(diào)設(shè)備在較短的時間內(nèi)就可以排出蓄存的熱量,達(dá)到室內(nèi)熱舒適和節(jié)能的雙重目的,避免外保溫構(gòu)造做法出現(xiàn)的降溫時間長、能耗高現(xiàn)象。對溫度日較差較大的建筑熱工區(qū),內(nèi)保溫構(gòu)造做法防熱節(jié)能效果更為顯著,因?yàn)橥鈬o(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面蓄熱量少,在傍晚和夜間室外綜合溫度較小時,散熱速度很快,在較短的時間內(nèi)就能使室內(nèi)溫度趨于較低的室外環(huán)境溫度,達(dá)到自然降溫和節(jié)能目的。對于間歇使用的空調(diào)房間,由于所用輕質(zhì)材料形成的內(nèi)表面材料層蓄熱系數(shù)較小,內(nèi)保溫構(gòu)造做法使得室內(nèi)空氣至內(nèi)表面的衰減倍數(shù)較小,設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷將減小,從而達(dá)到設(shè)備運(yùn)行節(jié)能目的。

關(guān)于內(nèi)外保溫構(gòu)造在防止外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱橋的熱損失和內(nèi)部冷凝方面,對不同熱工區(qū)也應(yīng)具體分析[3]。一般認(rèn)為,外保溫構(gòu)造可降低外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱橋的熱損失和防止內(nèi)部產(chǎn)生冷凝的可能性,并使房間具有較好的熱穩(wěn)定性,這主要是因?yàn)橥獗刈龇ㄊ雇鈬o(hù)結(jié)構(gòu)主體和熱橋相對內(nèi)保溫構(gòu)造來講處于較高溫度一側(cè),熱流傳導(dǎo)的溫差動力相對較小,對室外計(jì)算溫度較低及內(nèi)外溫差較大的熱工區(qū)來講,會有一定程度的改善。但對室內(nèi)外計(jì)算溫差較小建筑熱工區(qū)的間歇式供暖建筑,其效果甚微。因?yàn)樵谶@些地區(qū)熱橋的作用相對較弱,室內(nèi)露點(diǎn)溫度與室外最冷月平均溫度的上限相當(dāng),水蒸汽在傳輸過程中的滲透強(qiáng)度十分微弱。因此,選擇內(nèi)保溫構(gòu)造做法在此地區(qū)是可行的。

2 熱工學(xué)計(jì)算模型及傳熱系數(shù)計(jì)算

以河南開封地區(qū)為例,該地區(qū)屬于建筑熱工Ⅱ區(qū)即寒冷地區(qū),既有多層住宅建于二十世紀(jì)九十年代之前的占70%以上,體型系數(shù)一般在0.40左右,外墻為240 mm厚黏土實(shí)心磚墻,房屋結(jié)構(gòu)為砌體縱橫墻混合承重結(jié)構(gòu)。按照現(xiàn)行的建筑熱工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工節(jié)能主要技術(shù)指標(biāo)的傳熱系數(shù)按下式計(jì)算[4]:

式中,K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計(jì)算值,W/(m2·K);R為圍護(hù)結(jié)構(gòu)總傳熱阻,m2·K/W;K′為圍護(hù)結(jié)構(gòu)有效傳熱系數(shù),W/(m2·K);εi為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)修正系數(shù);Ri,Re分別為外墻內(nèi)、外表面換熱阻,m2·K/W;d為圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料層相應(yīng)厚度,m;λc為材料導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算值,W/(m·K);α為材料導(dǎo)熱系數(shù)修正值。

由于墻體結(jié)構(gòu)中的熱橋?qū)o(hù)結(jié)構(gòu)傳熱狀況影響較大,建筑外墻中的橫梁、構(gòu)造柱、圈梁、過梁以及墻內(nèi)樓板,相對砌體結(jié)構(gòu)來講屬于外墻中熱工薄弱部分[5]。因此應(yīng)對外墻傳熱系數(shù)的計(jì)算值進(jìn)行權(quán)衡,并采用外墻各部分加權(quán)平均值即外墻平均傳熱系數(shù)進(jìn)行熱工計(jì)算,其平均傳熱系數(shù)須小于等于0.50 W/(m2·K)[6],外墻平均傳熱系數(shù)Km按式(3)計(jì)算[7]。為了防止墻體外圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)內(nèi)部冷凝受潮,需對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷凝受潮驗(yàn)算[5]。此外,考慮到太陽輻射和天空輻射對外圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響,該地區(qū)外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)應(yīng)根據(jù)建筑朝向予以修正,外墻朝向東、西的傳熱系數(shù)修正值都是0.86,外墻朝向南、北,傳熱系數(shù)修正值分別為0.70、0.92。

式中,Km為外墻平均傳熱系數(shù)計(jì)算值,W/(m2·K);Kp為外墻主體傳熱系數(shù),W/(m2·K);Fp為外墻主體計(jì)算面積,m2;KB1,KB2,KB2分別為外墻周邊熱橋部位傳熱系數(shù),W/(m2·K);FB1,FB2,FB3分別為外墻周邊熱橋部位計(jì)算面積,m2。

既有住宅建筑外墻主體構(gòu)造及所用材料基本熱工參數(shù)如表1,墻體其他部位傳熱阻及傳熱系數(shù)計(jì)算值見表2。

表1 外墻主體構(gòu)造及所用材料基本熱工參數(shù)Tab.1 The structure of wall envelope and the basic pyrology parameter of corresponding material

表2 外墻其他部位傳熱阻及傳熱系數(shù)Tab.2 The thermal resistance and heat transfer coefficient for other partsof external wall

按照式(3)和表1、表2的計(jì)算結(jié)果,既有建筑墻體外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)計(jì)算值和有效平均傳熱系數(shù)分別為 2.311 W/(m2·K)和 2.126 W/(m2·K)。

3 墻體內(nèi)保溫構(gòu)造技術(shù)及節(jié)能效果

基于上述分析,在開封地區(qū)選擇內(nèi)保溫構(gòu)造技術(shù)是相對較優(yōu)的既有建筑節(jié)能改造方案。現(xiàn)選擇擠塑聚苯板做墻體保溫材料,保溫板厚度的計(jì)算見表3,按照模數(shù)制的規(guī)定和要求[8],實(shí)際工程應(yīng)用時可采用厚度為60 mm的擠塑聚苯板材,其實(shí)際熱阻為1.818 m2·K/W。改造后墻體外圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分傳熱系數(shù)計(jì)算值見表4,節(jié)能效果對比見表5。

為了防止圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部冷凝受潮,墻體外圍護(hù)結(jié)構(gòu)需進(jìn)行內(nèi)部冷凝驗(yàn)算,必要時應(yīng)設(shè)置隔汽層[9-10]。當(dāng)選擇擠塑聚苯板做保溫材料時,取開封地區(qū)采暖期室外平均氣溫 te=1.4℃,平均相對濕度φe=60%,各分層的熱阻和水蒸汽滲透阻的計(jì)算如表6,室內(nèi)外空氣的水蒸汽分壓力及墻體外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部各層的溫度和水蒸汽分壓力計(jì)算見表7。

表3 擠塑聚苯板厚度計(jì)算值Tab.3 Calculated value for the thickness of XPS

表4 外墻各部分傳熱阻及傳熱系數(shù)Tab.4 The thermal resistance and heat transfer coefficient for every partsof external wall

表5 外墻內(nèi)保溫方案節(jié)能改造效果對比Tab.5 Energy2saving effect for the inner thermal2 insulation of external wall

根據(jù)表6計(jì)算出的墻體外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中各分層熱阻及蒸汽滲透阻,可求得墻體的總傳熱阻及總蒸汽滲透阻分別為 R=2.308 m2·K/W,H=3 905.13 m2·h·Pa/g。

根據(jù)表7的計(jì)算結(jié)果,分別作出墻體外圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際水蒸氣分壓力P分布線及同溫度下飽和水蒸汽分壓力作出Ps分布線,由于兩線相交說明內(nèi)部可能出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象,因此需在墻體外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置隔汽層。

表6 墻體外圍護(hù)結(jié)構(gòu)各分層熱阻和蒸汽滲透阻計(jì)算值Tab.6 Calculated value for thermal resistance and vapor permeation resistance of wall envelope

表7 墻體外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部各層的溫度和水蒸汽分壓力計(jì)算值Tab.7 Calculated value for temperature and vapor partial pressure of internal layers in wall envelope

4 屋頂圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造的輔助措施

按照墻體內(nèi)保溫構(gòu)造的保溫隔熱基本原理,可采用裝飾保溫材料做吊頂?shù)奶幚矸椒▉硖岣呶蓓數(shù)墓?jié)能效果。該方法兼顧室內(nèi)裝飾裝修和節(jié)能改造雙重要求,尤其適用于使用空調(diào)設(shè)備采暖降溫或者間歇式供暖制冷的建筑節(jié)能改造。室內(nèi)吊頂材料層(纖維石膏板、礦棉板等)一般都是密度小、蓄熱系數(shù)小的輕質(zhì)材料,空調(diào)設(shè)備在較短的時間內(nèi)就可以排出蓄存(或吸收)的熱量,可縮短空調(diào)設(shè)備迫使室內(nèi)升降溫的時間和運(yùn)行負(fù)荷,從而達(dá)到室內(nèi)熱舒適和節(jié)能的雙重目的[11]。由于室內(nèi)吊頂中空氣間層的密封性較差,無法按照實(shí)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算,因此采用裝飾保溫材料做吊頂僅作為提高屋頂熱工性能的一項(xiàng)輔助措施。

5 結(jié) 論

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同的保溫隔熱構(gòu)造具有不同的節(jié)能效果,應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境氣候條件及建筑采暖降溫能源使用方式,合理選擇節(jié)能構(gòu)造方案。對冬季采用間歇式供暖、夏季使用空調(diào)降溫的寒冷地區(qū)既有多層住宅建筑墻體外圍護(hù)結(jié)構(gòu)來講,內(nèi)保溫構(gòu)造做法是相對節(jié)能的優(yōu)化措施。為防止墻體外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生冷凝,保證墻體在使用過程中具有良好的保溫隔熱及節(jié)能效果,圍護(hù)結(jié)構(gòu)需設(shè)置隔汽層。墻體中的保溫材料種類及厚度對保溫隔熱及節(jié)能效果有較大影響,當(dāng)采用厚度為60 mm擠塑聚苯板保溫材料時,墻體有效平均傳熱系數(shù)由原來的2.126 W/(m2·K)降為改造后的0.407 W/(m2·K),節(jié)能效果顯著,實(shí)際工程中還應(yīng)合理使用裝飾保溫材料做吊頂節(jié)能輔助改造措施。

(編輯:溫武軍)

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