節能理念下分析新型節能墻體材料在房屋建筑設計中的應用

齊 朋

(中建八局第一建設有限公司，山東濟南 250000)

充電樁普及之前,空調系統的用電量一直占據民用電用量比重的重要地位,即便在今天,實現建筑物節能設計,也需要充分考察建筑物墻體的隔熱性能,確保其夏季內部降溫過程和冬季內部取暖過程中消耗最小的能源[1-2]。早期研究中使用雙層墻體內嵌隔熱材料實現磚混結構墻體施工,但此模式墻體厚度一般超過500mm,且其難以與今天的新型建筑物構型(如框架剪力墻結構、箍筒鋼架結構、全鋼結構等)實現有效配合[3-4]。所以,在幕墻式建筑構型下,使用更輕便、結構強度更高、隔熱性能更好的新型節能墻體材料,是未來建筑物節能設計的重要研究方向[5]。

該研究重點分析了一種新型節能幕墻材料,在仿真環境下分析其隔熱性能,進而比較其在實際應用中的節能效果。

1 新型節能幕墻的基本技術構型

新型節能幕墻材料的現場施工工藝與其他幕墻材料一致,在框架-幕墻結構房屋的框架部分施工完畢后,使用幕墻連接支架施工該幕墻結構,構成建筑物外墻立面結構。而該幕墻結構分為內部結構框架、端部結構、外飾面、內飾面、隔熱層、連接構件等,如圖1 所示。

圖1 新型節能幕墻的基本技術構型Fig.1 Basic technical configuration of new energy saving curtain wall

圖1 中,A 為幕墻內部結構框架,用于提供幕墻結構的剛性、彈性等結構力學核心屬性；B 為幕墻結構的外飾面,用于建筑設計中的外立面表達過程,一般使用金屬、玻璃、高分子材料、陶瓷等材料實現外飾面設計；C 為圍繞內部結構框架布置的隔熱材料,一般采用隔熱性能較佳且比重較輕的阻燃棉紗、阻燃聚苯烯等材料；D 為幕墻內飾面,用于隔絕內部隔熱材料與外界的接觸,起到一定的防火阻燃效果,也起到一定的氣密性效果,延長內部隔熱材料及其他內部結構的壽命；E 為連接構件,用于將幕墻結構連接到建筑框架結構的幕墻連接構件上；F 為幕墻邊框,一般采用金屬材料制成,與內部結構框架一起形成幕墻結構的結構力學特征[6]。

早期研究中對新型節能幕墻的結構力學特征進行了充分研究,該研究重點分析其隔熱性能以及其帶來的節能表現[7]。對內外飾面來說,其自身帶來的阻燃、隔熱性能并不在該研究范圍內,該研究采用的飾面為8mm 工程陶瓷外飾面,12mm 阻燃高分子材料內飾面,通過調整內部隔熱材料總厚度分析幕墻的隔熱性能[8]。

2 內部隔熱材料及其對墻體隔熱性能的影響

該研究中選用的阻燃纖維核心骨料為粘膠纖維(Viscose Fibre),經過無機高分子阻燃劑進行表面處理后壓實,比重為0.720g/cm3,孔隙率43%,構建墻板時,其內部包裹幕墻內部結構框架,外立面為陶瓷外飾面板,內立面為阻燃高分子材料內飾面,框架為高強度鋁合金框架。幕墻板按照2.4×1.2(m) 構型,根據內部阻燃纖維層厚度差異,最終設計厚度選用50、75、105、200、320 mm 共5 種構型,其結構參數見表1。

表1 新型節能幕墻結構參數表Table 1 Structural parameters of new energy saving curtain wall

表1 中,雖然阻燃纖維的密度僅為0.720g/cm3,遠低于陶瓷飾面板及金屬框架的比重,但實際重量核算中,發現當幕墻板總厚度達到105mm 時,隔熱層重量在幕墻板總重量中的占比就達到了50.6%,且當幕墻板總厚度達到320mm 時,隔熱層重量在幕墻板總重量中的占比已經達到了77.9%,其總重量也達到了每塊幕墻板796kg。但考察相同體積的磚砌墻面(2.46g/cm3)及混凝土預制墻面(3.09g/cm3),該幕墻板的結構密度仍然較低,且厚度越大的幕墻板結構密度越低。

構建仿真實驗環境,考察室外環境分別為30、35、40 ℃條件下采用常規中央空調進行降溫時的幕墻節能效果表現,目標溫度控制范圍為達到室內環境25℃以下,單位設定為kW/m3,且考察不同規模的建筑物求取平均值,得到圖1。

圖1 降溫能耗對比圖(單位:kW/m3)Fig.1 Comparison of cooling energy consumption

圖1 中,隨著幕墻板總厚度增加,在高溫室外環境中獲得室內不超過25℃降溫效果的中央空調能耗隨之減少,但可以看到,當幕墻板達到105mm 總厚度以上時,隨著幕墻板厚度增加,其能耗降低的幅度顯著減少,即在外界環境高氣溫環境下獲得建筑節能效果,超過105mm 幕墻板總厚度的設計選型并無實際意義[9]。

同樣在上述仿真環境中,考察室外環境分別為5、-5、-15、-30 ℃條件下采用常規中央空調進行取暖時的幕墻節能效果表現,目標溫度控制范圍為達到室內環境18℃以上,單位設定為kW/m3,且考察不同規模的建筑物求取平均值,得到圖2。

圖2 取暖能耗對比圖(單位:kW/m3)Fig.2 Comparison of heating energy consumption

圖2 中,室外溫度在5℃時,不同幕墻板厚度對其取暖能耗的影響并不顯著,但當室外溫度達到-5℃及其以下時,隨著幕墻板厚度增加,取暖能耗下降幅度逐漸顯著。但從相關曲線中仍能發現,當幕墻板厚度超過105mm 時,增加幕墻板厚度帶來的能耗下降幅度放緩。即在外界環境低氣溫環境下獲得建筑節能效果,超過105mm 幕墻板總厚度的設計選型價值并不顯著[10]。

綜上所述,該幕墻板整體設計選型結果為:幕墻板總厚度105mm,幕墻板尺寸為1.2m×2.4m,外飾面板為8mm 工程陶瓷材質,內飾面板為12mm 高分子阻燃材料[11]。

3 新型節能墻體材料在房屋建筑設計中的應用場景

3.1 新型節能墻體材料對建筑框架結構的適應性

上述選型后獲得的最佳選型結果為厚度105mm的1.2m×2.4m的標準幕墻板,幕墻板單塊重量為356kg,可使用連接構件與建筑物主體框架連接,形成一體化整合外立面幕墻結構。

針對不同的建筑物框架結構,包括:①混凝土分層澆筑的框架剪力墻結構的房屋主體框架,在建筑物樓層板外沿布置安裝框架,將幕墻板采用連接構件形成扣板式栓接輔助安裝；②箍筒鋼架結構、全鋼結構的房屋主體框架,在建筑物鋼架外沿布置安裝框架,將幕墻板采用連接構件形成扣板式栓接輔助安裝。

356kg 總重量的幕墻板,設置8 個連接點,每個連接點承重為44.5kg,使用傳統螺栓式連接即可實現連接功能,但仍需要在相關連接施工中執行防退絲操作,如采用防退絲螺母、膠封螺母螺桿間隙等。部分幕墻板安裝工程中也使用鉚接方式安裝,但因為其施工難度較大尚未普及。

不同建筑物框架結構外立面施工安裝框架時,應嚴格控制框架安裝工藝尺寸,確保框架與幕墻板的連接構件的吻合程度,防止出現預應力過載等其他缺陷。且框架與建筑物主體結構的連接過程也應得到充分結構力學驗算,混凝土框架剪力墻結構的主體框架中,安裝框架與樓層板之間的栓接錨固長度需要經過嚴格驗收。

3.2 新型節能墻體材料與空調系統的節能配合策略

建筑物墻體材料主要起到隔熱作用,而實際取暖和降溫的做功系統為建筑物的中央空調系統。所以,建筑物中央空調系統需要進行聯合研究。該研究中采用的空調系統模型為帶有電熱輔助鍋爐的中央空調系統,考察建筑物在8 萬平方米、20 萬平方米、40 萬平方米、90萬平方米條件下中央空調布局并求取平均值,針對不同室外溫度的降溫和取暖需求,中央空調系統的實際配置僅與建筑物整體布局有關,與室外溫度無關。該空調系統運轉中,有降溫需求時,采用空調壓縮機驅動室外冷凝器盤管散熱,循環水箱內的蒸發器對循環水降溫,使用冷水驅動建筑物內各盤管；取暖需求下,利用空調壓縮機驅動室外蒸發器盤管吸熱,循環水箱內的冷凝器加熱循環水,同時驅動循環水箱內的電輔助加熱系統對循環水輔助加熱。所以,該系統中相同溫差條件下的取暖功率略大于降溫功率。實際節能型建筑施工時,采用地下水輔助獲得室外盤管溫度環境,通過城市供熱管道獲得輔助熱源,均可以在空調系統設計中獲得更多節能效果。

該系統在設計中,發現其適應于最高溫度低于40℃,最低溫度高于-30℃的外部溫度環境,該溫度環境符合國內大部分城市的氣候氣象環境,可以基本認定該幕墻板結構在國內絕大部分地區均有適用性。在實際建筑物節能設計的過程中,針對該研究中的空調設計思路,進一步提升空調系統自身的節能效果,可以更大程度實現建筑物的節能特性。

4 總結

通過仿真分析發現,單純增加幕墻板厚度,無法持續提供建筑物幕墻板結構的節能性能,而是采用該研究中幕墻板整體構型下105mm 厚度的幕墻板,可以達到節能最佳效果。在此基礎上進一步增加幕墻板厚度,也可以實現一定程度的節能,但其節能提升效率顯著降低。該幕墻板可以適應-30～40 ℃的外部溫度環境下達到18～25 ℃室內環境空調溫度調節目標下較強的節能效果,可以適應國內大部分地區的建筑節能需求。在后續研究中,可以在該幕墻板節能效果基礎上,進一步針對空調系統等輔助空調設施進行優化設計,進一步提升建筑物的節能效果。