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外墙外保温体系在我国不同气候区的应用探讨

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2007-03-08
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外墙外保温体系在我国不同气候区的应用探讨

1 概述

我国所处地理位置为北半球的中低纬度(北纬55°~20°);大部分地区属于东亚季风气候,同时带有很强的大陆性气候特征。冬季十分寒冷,冬季气温与世界同纬度地区相比,低5~18℃;夏季十分炎热,夏季气温与世界同纬度地区相比,又高出2℃;并有不断提高的趋势;同时,冬夏持续时间长,春秋季节短。按《民用建筑热工设计规范》(GB 50176一1993)中我国气候区划分见表l。无论是在哪一类气候区,对于建筑物来讲,要解决的是在寒冷的冬天和炎热的夏天的热舒适性。

建筑热工设计分区及设计要求
分区名称
分 区 指 标 设 计 要 求

平均温度(℃) 天数(d)
最冷月 最热月 25℃
严寒地区 < -10 -- >145 -- 必须充分满足冬季保温要求,一般可不考虑夏季防热
寒冷地区 0~—10 -- 90~145 -- 应满足冬季保温要求,部分地区兼顾夏季防热
夏热冬冷地区 0~10 25~30
0~90
40~110
必须满足夏季防热要求,适当兼顾冬季保温

夏热冬暖地区 >10
25~29
-- 100~200
必须充分满足夏季防热要求,一般可不考虑冬季保温
温和地区 0~13 18~25 0~90 -- 部分地区应考虑冬季保温,一般可不考虑夏季防热
2 不同气候区对节能居住建筑外墙的设计要求

按我国建筑节能第二阶段以至第三阶段,在各气候区的节能居住建筑的设计应根据上述标准要求外,还应按现行相关的节能设计标准要求,如已有的设计标准有《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》(了GJ 26—1-995),《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 134—2001)和《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 75—2003)等。对于节能建筑外墙的设计要求见表2。

不同气候区对节能居住建筑外墙的设计要求 表2
不同气候区
传热系数K[W/(m2.K)] 防潮性
热惰性指标D 隔热性

严寒(哈尔滨)
≤0.40~0.52
内表面温度与室内气温允许温差6.0℃ -- 房间在自然通风下,建筑物东、西外墙的内表面最高温度应小于等于夏季室外计算温度最高值

寒冷(北京) ≤0.55~l. 16
--
夏热冬冷
≤1.5
≤1.0
室内空气温度与露点温度之差 ≥3.0
≥2.5

夏热冬暖
≤2.0

≤1.5

≤1.0

≤0.7
≥3.0

≥3.0

≥2.5



3 采暖居住建筑外墙在能耗中所占比例

采暖居住建筑外墙的能耗,在不同节能阶段占总的建筑耗热量是不同的,如果按北京地区80住2-4住宅建筑耗热指标为基线,节能50%按标准JGJ 26—1995,预测节能65%假设外墙传热系数的要求为0.537W/(m2•K),外窗传热系数的要求为2.7W/(m2•K),屋面传热系数的要求为0.445 W/(m2•K),围护结构其他部位条件仍按标准了GJ 26-1995要求不变的情况下来计算围护结构各部位能耗的百分比,结果见表3。

围护结构各部位耗热量分布情况 表3
部位
外墙(%)
外窗(%)
屋面(%) 其他部位(%) 空气渗透(%) 总耗热量(W/m2)
耗热量指标(W/m2)
80住2-4 25.5 23.7 8.6 19.2 23.0 27.43 31.8
节能50% 27.5 18.9 7.9 24.7 21.0 19.26 20.6
节能65% 16.8 16.9 5.9 32.6 27.8 13.32 14.6
其他部位:包括楼梯间隔墙、户门、阳台门下部、地面
由表3可见围护结构各部位的耗热量分布,在不同的节能阶段是不同的,随着对建筑物节能要求越高,采取保温措施的部位与不采取措施部位的耗热量比例变化就越大。从外墙的传热系数和传热耗热量来看,节能效果是很明显的,见表4。

采暖居住建筑外墙在不同节能阶段中的节能率
外墙 传热系数[W/(m2•K)]
传热耗热量(W/m2)
节能率(%) 占总传热耗热量百分比(%) 占总耗热量百分比(%)
总耗热量(W/m2)

80住2-4
1.57 22.6 0 82.4 63.5 35.6
节能50%
1.16 16.7 26.1 86.7 68.4 24.4
节能65% 0.537 7.7 65.8 57.8 41.8 18.4
总耗热量:为单位面积通过围护结构的传热耗热量与单位面积的空气渗透耗热量之和。

由表4可见外墙的传热耗热量占整个围护结构的传热耗热量绝大多数, 目前占总耗热量也达60%以上,即使在节能第三阶段,也占40%以上,很明显,外墙保温性能的好坏直接影响着建筑物的耗热量。

4 外保温体系在不同气候区的应用

对于居住建筑,在寒冷的冬季室外气温下降,为了保持室内的舒适温度,需要采暖来补充室内向外传热的建筑物耗热量;在炎热的夏季,需要空调来降低室内空气温度。那么,建筑物如何既能达到室内热舒适环境的设计要求,又能节约、合理使用能源?措施之一是对建筑物的外墙加强保温、隔热和气密性能。外墙外保温就是指垂直外墙主体结构的外表面上建造保温层。热舒适是人的感觉,人在室内冷热感受有六个影响因素,即室内空气温度、相对湿度、风速、热辐射、人体活动强度及衣着。当人体接受外界的热量加上体内自产生的热量与向外散发的热量保持平衡时,人感到舒适。反之,前项与后项不平衡时,人就会感到“热”或“冷”。因此下面论述外保温体系对室内空气温度、相对湿度和热辐射的影响:

(1)室内空气温度

人的体温基本是稳定的,变化幅度很小,并不随外界气温升降而变化。按人体皮肤平均温度(约33~35℃)要求,室内热舒适环境中室内空气温度按标准要求,冬季采暖设计指标为16~18℃,夏季空调室内热环境设计指标为26~28℃。在不同气候区对建筑外墙按节能设计标准对墙体传热系数的基本限值来达到。外墙外保温在冬季采暖期间,高热阻的保温层增加了外墙整体的传热阻,减少室内热量通过外墙向室外传递,提高其保温能力。在炎热的夏季,高热阻的外保温层,外表面的蓄热系数小,传递给墙体的热量少,有效延迟了室外热流进入墙体;另一方面,重质材料的主体结构层热惰性指标高,具有较好的热稳定性,给人一种“冬暖夏凉”的感觉。由图l、图2可见,虽然此内、外保温的材料构成相同,在同条件下计算的传热系数相同,热惰性指标相同,却因为保温层设置不同,周边热桥对整个墙体的传热量的影响不同,使内、外保温墙体的平均传热系数不同,加上内、外表面的蓄热系数也不同,而导致效果就完全不同了。

(2)相对湿度

冬季一般要关闭外窗,室内的湿度主要来自人为因素,如起居、炊事、加湿等;而夏季室内的湿度主要来自室外多雨、气压低湿度高等因素。而水蒸气可通过材料由蒸气压高的一侧向低的一侧转移。当室内水蒸气压大于室外时,水蒸气就会通过墙体由内向外传递。 在冬季采暖的室内的水蒸气,压大于室外,水蒸气通过材料由室内向室外运动,当水蒸气通过墙体时在某一材料内部超出了某点结露的饱和蒸气压力,那么该处就会出现结露现象。室内相对湿度越高,持续时间越长,结露可能越严重。但是当建筑物内部发生少量结露后,水分可在短时间内还能转移出去的话,那么还是允许的。对于不同形式保温的外墙其温度和蒸气压变化是不同的。

图1对于外保温墙体,由温度变化曲线可见重质主体结构部分因处在室内一侧,内表面蓄热系数又大,整个主体结构为暖体。从水蒸气压变化曲线可见通过主体与保温层的水蒸气压均小于会结露的饱和蒸气压,因此保温墙体不产生结露。当室外相对湿度较高时,有可能在外保温层的外侧出现少量结露现象,但因对保温层外侧的防护层的水蒸气渗透性是有要求的,也就是结露产生的水分是能蒸发出去的,加上室外经常受太阳辐射和风的影响,此处的水分较容易向室外转移而干燥,也就是室内的水蒸气通过墙体能转移出去,对建筑物的热损耗影响不大。而对于内保温墙体(见图2),主体结构部分处在室外一侧,其温度接近于室外温度,内保温层内表面蓄热系数小,水蒸气压超出结露的饱和压力处在保温层及其以外的墙体而产生结露。并且此处的结露会产生以下弊病:①发生在保温层结露,因室内相对湿度较高,空气流通较差,水分在整个采暖期可能保留在保温层中,引起保温层失效,使建筑物达不到设计保温效果;②长期结露,会霉变,变形;③主体结构部分温度极低,贮留的水分很难被蒸发,因冻融会造成结构的破坏。

在夏天多雨、“黄梅”天,往往室外的水蒸气压大于室内,在关闭窗户的空调室内,水蒸气可能由墙体外部向内部渗透,使室内的相对湿度增加。

在空调的室内,对于不做外保温的墙体,外墙内外表面的温差大,露点处在外墙内侧,并向内侧扩散,造成内墙面潮湿发霉。当采用ZL胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统时,主体墙体的内外表面温差较小,而外墙外保温系统的外侧与内侧温差较大。当阴雨天气时,露点处在保温层中。而防水性能良好的界面砂浆层将阻止凝结水向主体墙体转移。但在晴好天气时,由于实际水蒸气分压力小于饱和水蒸气分压力,固不会发生结露现象。此时凝结在保温层中的水分会汽化形成水蒸气并向外部扩散。

在阴雨天,墙体长期直接暴露在雨水中,内保温墙体和不做保温的墙体面临室外的是重质材料构成的主体结构部分(混凝土或砖石砌体),会吸人大量的雨水,慢慢渗透进墙体,使整个墙体处在湿热状态,当长期处于湿热状态的墙体就会发霉。水蒸气还会通过墙体扩散进入室内,增加室内的相对湿度。而外保温墙体面临室外的是保温层外具有良好的憎水性和抗雨水渗透性的防护层,如采用ZL胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统时,其外保温体系具有良好的抗裂性能和防水性能良好的饰面层材料及高分子乳液弹性防水底层涂料外层,可确保防止雨水的渗透,使大量的雨水被拒之墙体外(见图5、图6)。 夏天人体是通过排汗来保持其热平衡,排汗的蒸发散热量等于新陈代谢自由能的产热量。当外界相对湿度增加时,人的排汗量并没有增加,不能出汗降温,会使人感到闷热。

(3)热辐射

人体热反应一般认为:围护结构内表面温度的最高值如果不超过人体皮肤平均温度(约33~35℃)较为舒适,高于此值,人们将感受到明显的热辐射,尤其在36℃以上,身体的热感极其明显。

夏天炎热的主要原因之一是白天太阳辐射热大, 日晒时间长。建筑物外墙严重地受到不稳定温度波作用,在这种室外综合温度作用下是一种非稳态传热,外墙表面对太阳辐射热吸收强弱是值得关注的问题,表面吸收的太阳辐射热越多,墙面的温度就越高,通过墙体传向室内的热量也就越多。因此,夏季白天太阳辐射是建筑物热负荷的主要来源,外墙的热工性能除了传热系数符合标准要求外,就是用来抵抗温度波和热流波的热惰性指标,降低太阳辐射热传人室内,是减少室内热负荷的关键。外墙设计除了满足夏季白天具有良好的隔热性(衰减值较大,延迟时间长)、夜间散热快之外,还应了解这一地区采暖空调运行方式以及自然通风与室外热作用之间的相互关系,合理地采取降低围护结构的传热系数,增强其隔热性能。

根据《民用建筑热工设计规范》(GB 50176一1993),夏季防热要求的重点是围护结构的隔热设计,评价围护结构隔热性能好坏的主要指标是围护结构内表面温度,即在房间自然通风情况下,建筑的屋顶和东、西外墙的内表面最高温度小于夏季室外计算温度最高值。

外保温墙体在炎热的夏季,虽然内、外保温墙体计算的内表面最高温度相差不大,但实践证明在不开空调的情况下外保温比内保温舒适(约低2℃)。这是由于外保温层置于墙体的外表面,它的传热系数小,外表面蓄热系数小,传递给墙体的热量少,有效延迟了室外热流进入墙体,加之重质材料墙体的热惰性指标高,具有较好的热稳定性,室内温度波动(自然通风情况)对墙体内表面温度波幅影响很小,具有一定的隔热作用。

5 应用中的注意事项

外保温体系在不同气候区的使用,应注意一方面按照各地区的特点要求,发挥外保温的优点;另一方面应采取适当的措施以弥补外保温在墙体节能中的不足。

(1)外保温层的厚度:①节能设计标准中的传热系数的限值是达到标准的最低要求;②应避免某些局部可能产生的热桥(如永久性的机械锚固、穿墙管道和附着物固定等);③采用钢丝网架复合的外保温系统产品时,其墙体的传热系数应依据实测结果,来确定保温层的必要厚度;④降低墙体的传热耗热量并非一味增加保温层的厚度,应整体考虑墙体的保温、隔热和气密性。

(2)外保温的隔热性能,虽然外保温有一定的隔热效果,但“保温”不等于“隔热”,特别是对于夏热冬冷和夏热冬暖地区,再加上全球气候变热的趋势,除满足保温性能外更应考虑隔热性能,加强隔热措施。①主体结构材料最好是热惰性指标高的重质材料;②可在外墙、屋面的保温层上增加反射隔热层(如膜),增强隔热效果,具有明显的“凉帽”效应。

(3)每个外保温体系均是由一个系统产品组成,各组成材料(包括粘结、锚固、保温、防护和饰厄材料等)的技术性能必须符合相关标准,上墙后才形成外保温墙体,因此,其系统性能因承受室外多牙不利因素的作用和满足保温隔热要求外,其安全性和可靠性也应充分考虑。
 
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