無(wú)機(jī)保溫承重砌塊節(jié)能性能分析?

張 玉,李 珠,張 晶

(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,山西太原 030024)

0 引 言

隨著人們生活水平的不斷提高,現(xiàn)代人對(duì)居住環(huán)境和生活品質(zhì)的追求也越來(lái)越高.鑒于我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)夏季炎熱、冬季陰冷潮濕的氣候特點(diǎn),從宜居角度考慮,必須要采取一定的措施才能保證舒適的室內(nèi)環(huán)境,其中主要的措施之一是通過提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱能力來(lái)實(shí)現(xiàn).《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》提出了節(jié)能50%的目標(biāo)[1],圍護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)其中的 25%[2],2010年開始準(zhǔn)備實(shí)施第三步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo),要求達(dá)到節(jié)能 65%[3].研究一種既具有保溫隔熱能力又能滿足建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)墻體材料具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義.基于以上思想的指導(dǎo),本課題組致力于研究一種集保溫隔熱、承重于一體的新型墻體材料——無(wú)機(jī)保溫承重砌塊.該砌塊是以陶粒、?；⒅楸馗魺嵘皾{、石灰、硅灰、水泥等為基本原料,加適量外加劑,經(jīng)加水?dāng)嚢?、澆注成型、?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)等工序形成的一種符合綠色環(huán)保材料[4]要求的墻體材料.砌塊在具有普通砌塊的物理力學(xué)性能的同時(shí),又具有良好的保溫隔熱性能.作為結(jié)構(gòu)材料,該無(wú)機(jī)保溫承重砌塊具有抗震、經(jīng)濟(jì)并節(jié)能的綜合性能,并且設(shè)計(jì)、施工方便,可真正實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自保溫[5-6].

本試驗(yàn)制作的無(wú)機(jī)保溫承重砌塊的性能特點(diǎn)有:28 d抗壓強(qiáng)度大于 10.560 MPa;導(dǎo)熱系數(shù)小于 0.174 W/(m· K).

1 無(wú)機(jī)保溫承重砌塊

1.1 砌塊制作

參照無(wú)機(jī)保溫承重砌塊的制作方法[7]的發(fā)明專利,但與其不同的是,不使用其中對(duì)砌塊導(dǎo)熱系數(shù)及容重影響都很大的石子這項(xiàng)因素,并把復(fù)合輕骨料摻料中的硅灰單獨(dú)作為一個(gè)影響因素使用,然后再添加一種由本課題組自行研制的復(fù)合外加劑.具體的制作方法如下:選用玻化微珠、陶粒、沙子、硅灰、石灰及外加劑等為原材料,模具選擇 240 mm×115 mm×90 mm的測(cè)定抗壓強(qiáng)度,如圖1,圖 2所示.選擇300 mm×300 mm×30 mm的測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)[8].制作試件前要將試件模具除塵、涂油,要求試模內(nèi)壁光滑、干凈,同時(shí)要擰緊模具的螺絲.

使用機(jī)械攪拌并用振動(dòng)臺(tái)振搗,完成后將試件在室溫 20±5℃,相對(duì)濕度大于 50% 的情況下靜放兩天拆模.拆模時(shí)要注意避免用力過大,保證試件在拆模過程中不損壞,保證表面平整、棱角完整.試件制作完成后在室內(nèi)溫度 20±2℃,濕度大于 95% 的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件[9]下養(yǎng)護(hù) 28 d.

試驗(yàn)共分 9組,每組成型 240 mm×115 mm×90 mm的試件 3塊測(cè)試抗壓強(qiáng)度,成型300 mm×300 mm×30 mm的試件 2塊測(cè)導(dǎo)熱系數(shù).采用太原思科達(dá)科技發(fā)展有限公司實(shí)驗(yàn)室的DES 2000A型壓力試驗(yàn)儀測(cè)定無(wú)機(jī)保溫承重砌塊試件的抗壓強(qiáng)度,采用 DRP-5W導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù).得出無(wú)機(jī)保溫承重砌塊的熱工性能,具體測(cè)試結(jié)果如表1所示.

表1 無(wú)機(jī)保溫承重砌塊的熱工性能Tab.1 Thermal performance of inorganic thermal insulation bearing block

1.2 熱工性能計(jì)算

保溫墻體的保溫隔熱性能通常用傳熱系數(shù)或傳熱熱阻來(lái)評(píng)價(jià)[3].保溫墻體的傳熱系數(shù)和熱惰性指標(biāo)的計(jì)算方法如下[10-11].

1.2.1 傳熱系數(shù) K

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻 R應(yīng)按式(1)計(jì)算

式中: R1,R2,…,Rn分別為各層材料的熱阻,m2· K/W;W1,W2,… ,W n分別為各層材料的厚度,m;λ1,λ2,… ,λn分別為各層材料的導(dǎo)熱系數(shù),取計(jì)算值,W/(m· K).

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻 R0按式 (2)進(jìn)行計(jì)算

式中:R0為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻,m2· K/W;R i為內(nèi)表面換熱阻,取 0.11 m2· K/W;Re為外表面換熱阻,取 0.04 m2· K/W;R為圍護(hù)結(jié)構(gòu)多層材料的熱阻,m2· K/W.圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù) K應(yīng)按式(3)計(jì)算

式中:K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù),W/(m2· K);R0為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻,m2· K/W.由此可得無(wú)機(jī)保溫承重砌塊傳熱熱阻 R0=1.49 m2· K/W,傳熱系數(shù) K=0.67 W/(m2· K).

1.2.2 熱惰性指標(biāo) D

多層材料圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性指標(biāo) D應(yīng)按式(4)計(jì)算

式中: R1,R2,…,Rn分別為各層材料的熱阻,m2· K/W;S1,S2,… ,Sn分別為各層材料的蓄熱系數(shù),W/(m· K).空氣層的蓄熱系數(shù) S=0.由此可知無(wú)機(jī)保溫承重砌塊的熱惰性指標(biāo) D=3.114.

2 普通混凝土砌塊

為了分析普通混凝土的熱工性能,特測(cè)出普通混凝土砌塊的熱工性能,如表2所示.

表2 普通混凝土砌塊的熱工性能Tab.2 Thermal p erformance of ordinary concrete block

2.1 熱工性能計(jì)算

1)傳熱系數(shù) K=3.44 W/(m2· K);

2)熱惰性指標(biāo) D=2.408.

3 結(jié)果分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[1],外墻部分的傳熱系數(shù)、熱惰性指標(biāo)應(yīng)滿足下列要求:傳熱系數(shù) K≤1.5,熱惰性指標(biāo) D≥3.0;傳熱系數(shù) K≤1.0,熱惰性指標(biāo) D≥2.5.對(duì)于無(wú)機(jī)保溫承重砌塊,其熱工性能滿足這一要求.

評(píng)價(jià)砌塊保溫性能的優(yōu)劣通常以傳熱系數(shù)或熱阻值大小為標(biāo)準(zhǔn),K值越小,R值越大,其保溫性能越好.而材料隔熱性能的優(yōu)劣,主要由材料的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、蓄熱系數(shù)等指標(biāo)所決定,材料的密度和蓄熱系數(shù)越大,其隔熱性能越好[13].可以看出,無(wú)機(jī)保溫承重砌塊比普通混凝土砌塊性能優(yōu)越.寒冷地區(qū)外墻傳熱系數(shù)限值如表3所示.

表3 寒冷地區(qū)外墻傳熱系數(shù)限值Tab.3 Limit v alue of heat transfer coefficient of external wall in cold regions

單獨(dú)使用本砌塊時(shí)的傳熱系數(shù)為 0.67.由表3可知,此砌塊使用在低于 8層的建筑時(shí),能夠達(dá)到節(jié)能 65% 的標(biāo)準(zhǔn);使用在 9層以上的建筑時(shí),配合使用本課題組自行研制的?；⒅楸馗魺嵘皾{后完全可以達(dá)到節(jié)能 65% 的標(biāo)準(zhǔn).

假設(shè)將普通住宅的維護(hù)結(jié)構(gòu)及室內(nèi)空氣簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的熱力系統(tǒng),室內(nèi)溫度的波動(dòng)范圍小于 1.0℃,計(jì)算其負(fù)荷.計(jì)算時(shí)采用的方法是冷負(fù)荷系數(shù)法[15].

各項(xiàng)參數(shù)分別為

計(jì)算夏季室外日平均溫度tZP為

選取夏季室內(nèi)基本的計(jì)算溫度tNX為 26℃,假設(shè)無(wú)機(jī)保溫承重墻體的傳熱面積為8m2,通過該墻體傳熱形成的冷負(fù)荷按下式計(jì)算[15]

式中:CL 1為外墻傳熱形成的逐時(shí)冷負(fù)荷;K為外墻傳熱系數(shù),W/(m2·K);F為外墻的傳熱面積,m2;tNX為室內(nèi)計(jì)算溫度,℃;tZP為室外計(jì)算溫度,℃.

類似地,通過普通混凝土實(shí)心磚墻體傳熱形成的冷負(fù)荷為

考慮每天的使用狀況,假設(shè)平均每天空調(diào)使用的時(shí)間約為12h,一個(gè)月按 30 d計(jì)算,則通過無(wú)機(jī)保溫承重砌塊墻體傳入室內(nèi)的熱量為

49.848×12×3600×30=64 603.0 k J,而通過普通混凝土砌塊傳入室內(nèi)的熱量為

255.936×12×3600×30=331 693.0 kJ,兩者的差值為

331 693.0-64 603.0=267 090 k J.

對(duì)于單面外墻來(lái)說,采用無(wú)機(jī)保溫承重外墻比采用普通混凝土砌塊外墻在1個(gè)月內(nèi),在其他條件都相同的情況下,節(jié)能效率為 80%.

4 經(jīng)濟(jì)分析

該新型墻體材料經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)點(diǎn)是:①該無(wú)機(jī)保溫承重砌塊由于其具有良好的保溫隔熱新性能,使用之后可以減少空調(diào)及其他采暖設(shè)備的使用量和使用時(shí)間.廣泛使用可以節(jié)約大量的煤電等能源,大大降低了建筑的能耗.②運(yùn)輸上,由于其大量使用陶粒,所以比普通混凝土砌塊輕很多,可以節(jié)約運(yùn)輸成本.降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,也降低了人工費(fèi)用.

5 結(jié) 論

1)本文所研究的無(wú)機(jī)保溫承重砌塊,其熱工性能滿足傳熱系數(shù) K≤1.0,熱惰性指標(biāo) D≥2.5這一要求;

2)根據(jù)《嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[14],利用玻化微珠保溫砂漿及陶粒等生產(chǎn)的無(wú)機(jī)保溫承重砌塊,可以達(dá)到節(jié)能 65%的標(biāo)準(zhǔn);

3)無(wú)機(jī)保溫承重砌塊相比普通的混凝土砌塊,節(jié)能效率為 80%.

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