外保溫釘粘部位對圍護結構熱工性能的影響

■ 楊麗萍 Yang Liping 閆增峰 Yan Zengfeng朱惠英 Zhu Huiying

0 引言

隨著建筑節能工作的不斷深入，外墻外保溫改造中,外保溫板的粘貼需要通過錨固釘等構件固定，而這一構件是否會影響到圍護結構的熱工性能，進而影響室內熱環境仍需要進行深入研究。

1 典型現場測試情況

1.1 測試對象及測試時間、地點

基于本課題研究目的，測試對象為某大學新建研究生高層公寓，建筑整體為全框架剪力墻結構，外墻采用外保溫形式，外墻剪力墻部分為鋼筋混凝土外貼XPS保溫板，非剪力墻及填充墻部位為蒸汽加氣混凝土（ρ=700kg/m3）外貼XPS保溫板砌筑，具體構造如圖1所示。外窗采用塑鋼窗，單框中空玻璃，中間空氣層厚度為60mm，傳熱系數K=2.80W/（m2·K）。整個建筑體型系數，，窗墻面積比分別為：東、西向:0.26<[0.3]，南向：0.30<[0.35]，北向：0.19<[0.3]。

測試時間為2009年12月6日19∶00-12月7日20∶00，期間為西安冬季典型的多云間陰天氣，氣溫晝夜差異明顯，是典型的寒冷地區冬季氣候。

1.2 現場實測情況

現場測試的主要內容是建筑圍護結構的相關熱工性能參數，包括室內外空氣溫度、被測壁體內外表面溫度、室內外的相對濕度、被測壁體表面溫度場分布等。所使用的儀器主要有: TRlog溫度計、四通道數位式溫度計、FLIR T400型紅外熱像儀。為了不影響紅外熱成像法的使用，并避免太陽輻射、風速、背景輻射等各項外界因素對實驗結果造成干擾，實驗盡量選擇在背陽面，無太陽光直射的區域進行，考慮到西安地區冬季多為連陰天氣，連續測量24h，使用TRlog溫度計、四通道數位式溫度計及FIRL T400紅外熱像儀對所選區域進行連續拍攝、測試工作，溫度計每隔15min記錄一次數據，紅外熱像儀每隔1h記錄一次。

測試時測點布置如圖2所示。

2 測試結果分析

2.1 接觸法數據整理分析

在測試過程中，由于所使用的TRlog溫度計、四通道數位式溫度計測點過密，電池消耗過快，加之，測試人員忽略了電池的更換，致使室外空氣溫濕度、室內壁面溫度等部分數據丟失，但是鑒于此次實驗目的僅在于室內外壁面數據的對比，而不是周期對比，因此通過現有數據亦足夠進行相應的研究分析。

由圖3可知，既有數據中室內溫度最高為24℃，室內外各測點溫度較為穩定。室外壁面溫度最低點出現在7日上午10點57分（3.3℃）的正常保溫墻面T4處，這是因為7日當天上午天氣突變，偶有零星雨夾雪。而室外氣候的驟變，也導致室外壁面溫度呈現低谷狀態。當然，室內外壁面溫差越大表明此處圍護結構的保溫性能越良好；而室外錨釘測試點中，錨釘處T3測點的溫度均明顯高于錨釘處T1，可見此處保溫板錨釘所帶來的影響較大，向室外傳遞熱量較多，由此可知保溫板錨釘處容易成為熱流密集現象；室外壁面平均溫度與室內壁面平均溫度相差16.6℃，這一溫差條件亦符合紅外熱像儀拍攝熱輻射圖像時所需的使用條件。因此，筆者就保溫板錨釘所形成熱流密集現象，拍攝相應的紅外熱圖像，并進行相應的分析研究。

2.2 紅外熱成像法數據整理分析

從圖4可以看出，室內壁面溫度場分布較為均勻，基本無溫差變化。而圖5、圖6的紅外圖譜可明顯看出保溫板安裝固定所留下的錨固釘外形，且溫差變化明顯，普查整個墻面，這種外保溫錨固釘紅外圖像明顯的現象普遍存在于整棟建筑的各個立面。12月7日6時室內表面溫度基本維持在22.7℃左右，拍攝視野范圍內最高溫度為23.0℃，最低溫度值為22.0℃。而對比相應時刻的室外壁面，可以發現，視野范圍內4個錨固釘呈現高溫，整個范圍內最高溫度值為10.1℃，最低溫度值為6.4℃，平均溫度為7.1℃左右。

2.3 紅外熱成像法測溫的精確性判斷

紅外熱成像法受外界因素影響較多，在測試中我們需要判斷其檢測的精確性。傳統的接觸式熱電偶測溫法作為國際認可的檢測方法，其測溫精確度不言而喻。作者需要對相同時刻的非接觸式紅外熱成像法與傳統的接觸式熱電偶法之間的測溫誤差進行驗證，進而對紅外熱成像法在節能檢測領域的發展提出建議。

測試所選取的時間點為不受太陽輻射以及周圍環境影響的夜間，圖中的單點為特征點T3，通過紅外熱像儀專用的分析軟件FLIRQuickViewer和QuickReporter的分析，并將所測的錨釘處的最高溫點與對應時刻特征點的熱電偶測試數據進行比較（表1），可以發現，整個區域的最高溫度點為8.7℃，平均溫度為6.8℃，特征點T3的最高溫度為9.5℃，對應傳統的接觸式熱電偶法，特征點T3處的溫度值為8.9℃，測試的平均溫度值為7.7℃。

表1 熱電偶法與紅外熱成像法測溫誤差比較

在所選取的4個特征點中，特征點T4為無錨釘的區域，其余三點均為紅外熱圖像中的“熱斑區”。通過表1計算所得到的二種方法的測溫誤差可見，紅外熱成像法與傳統的接觸式測溫法測溫相比，其測溫誤差較小，僅在區域平均溫度處看到二者的差異，紅外熱成像法所拍攝到的整個區域平均溫度基本等于所取的特征點T4的溫度值，而接觸式測溫的平均溫度值卻是通過所測試點溫度值的數學平均所得，由此可見，傳統的接觸式“以點代面”測溫方式存在諸多不足，同時也證明了紅外熱成像法在建筑節能檢測領域具有較高的應用前景。

3 平均傳熱系數的計算

建筑節能設計需要嚴格控制以下指標：建筑物耗熱量指標qH、建筑物體形系數S、不同朝向的窗墻面積比、各部分圍護結構傳熱系數限值Km等，只有這些指標達到國家標準規定的限定范圍，才能稱之為節能建筑。而在這些指標中，外墻平均傳熱系數Km是影響建筑物節能效果的重要的熱工性能指標和控制指標之一[1][2]。

3.1 平均傳熱系數的計算方法

Km是指外墻包括主體結構及其結構性熱橋（構造柱、圈梁、樓板伸入外墻部分等）部位在內的各部分傳熱系數平均值。當主體與周邊熱橋采用不同材料或當外墻采用內保溫時，熱橋部位的傳熱系數往往會大于主體，因此，在實際工程中所沿用的均為Km。

我國《標準》要求外墻Km應小于或等于其所規定的限值。常用的面積加權法的基本計算思路[3]是將外墻主體部位和周邊熱橋部位的一維傳熱系數按其對應的面積加權平均。對于內隔墻、樓板等部位,計算其一維傳熱系數時,不考慮內墻和樓板伸出外墻內表面的部分,僅考慮與外墻同樣厚度但構造不同的平板的一維傳熱系數。

式中:

Km—外墻的平均傳熱系數，W/m2·K;

Kp—外墻主體部位的傳熱系數，W/m2·K;

Fp—外墻主體部位的面積，m2;

KB1、KB2、KB3—外墻周邊熱橋部位傳熱系數，W/m2·K;

FB1、FB2、FB3—外墻周邊熱橋部位的面積，m2。

由于被測對象所處于寒冷地區，按照節能要求冬季需要重點考慮保溫，兼顧夏季隔熱，且在《民用建筑節能設計標準》（陜西省實施細則）規范中也被明確劃分在陜西省熱工三區。

通過調查與相關圖紙的計算，得到鋼筋混凝土外墻貼40mm厚XPS保溫板部位的平均傳熱系數K鋼筋混凝土部位=0.613W/（m2·K），（K＜[0.7 W/（m2·K）]）；加氣混凝土墻外墻貼40mm厚XPS保溫板部位的平均傳熱系數K加氣混凝土部位=0.355W/（m2·K）＜[0.7W/（m2·K）]，整體外墻的平均傳熱系數，Km=0.59W/（m2·K）＜[0.7 W/（m2·K）]。由此可見，圍護結構的平均熱阻R及整體的平均傳熱系數Km均符合《陜西省建筑節能設計導則》和《民用建筑節能設計標準陜西省實施細則》的限定要求。

3.2 錨固釘對傳熱系數的影響

圍護結構傳熱系數的計算大多采用平均傳熱系數，梁、柱等熱橋區域采用的是線傳熱系數。針對所測試的對象，其雖為全框架剪力墻結構，但在部分區域仍然使用了加氣混凝土砌塊，且外圍護結構沿厚度方向的尺寸底部第一層最厚，上部墻厚逐層減少。就被測區域而言（圖1），僅為加氣混凝土砌塊的構造墻面，且被測面積較小，錨固釘等粘結部位所占面積相對整體建筑較小。

根據資料顯示，錨固釘的規格分別是8 mm×80 mm、8×100 mm、8 mm×120 mm、8 mm×135 mm以及8 mm×142mm，針對該建筑的具體構造形式而言，使用8 mm×100 mm的錨固釘，在一塊面積為1000mm×900mm的保溫板上建立4個錨固釘(導熱系數λ=0.004W/(m2·K)，其面積共為100.48 mm2，約占保溫板總面積的0.0112%，根據公式（1）計算被測區域處的平均傳熱系數為K1=0.355014W/(m2·K)，而如果忽略掉錨固釘所占面積，并按照常規面積加權法計算得到的該被測對象的平均傳熱系數為K1=0.355W/(m2·K)，對比可見，K1與K2之間相差微小。

根據工程經驗，工程中都是根據建筑承重結構的材料、尺寸以及外保溫板的類型、厚度選擇錨固釘的尺寸，因此，在其他條件不改變，僅將外保溫板改為1000mm×600 mm的情況下，再次計算得到：錨固釘所占面積約為0.0167%，被測區域處的平均傳熱系數為K3=0.35508W/(m2·K)，與K2相比差值依然微小。

4 結論與展望

通過對紅外熱成像法與傳統的熱電偶接觸法對比測試外墻外保溫錨固釘，研究、分析計算后，得到以下結論：

（1）紅外熱成像法測溫技術彌補了傳統熱電偶測溫法“以點代面”測溫的不足，可以測到整個被測物體表面的溫度場分布情況，這為利用其修正外保溫釘粘部位對圍護結構熱工性能的影響提供了堅實基礎。

（2）根據實驗及分析，外墻保溫板錨固釘的存在對所測建筑物整體圍護結構的熱工性能的影響極小，這對外墻外保溫技術在實際工程應用中具有一定的借鑒價值。

由于外墻外保溫技術在材料、尺寸、厚度、施工技術等方面存在很多可變性，本文只針對其中的一種保溫板進行了研究，研究尚存在不足，有待日后做更進一步的深入研究。

[1] JGJ 26-95.《民用建筑節能設計標準(采暖居住建筑部分)》[S].北京:中國建筑工業出版社,1995.

[2] 張杰,吳保華,張耀勝.節能設計中外墻平均傳熱系數計算分析[J].低溫建筑技術，2003(4):69-70.

[3] 范蕊,趙群,趙立華. 復合墻體平均傳熱系數計算單元的研究[J].低溫建筑技術，2003(2):62-64.