节能65％目标与自保温混凝土砌块

(甘肃省建材科研设计院，兰州730020)

　　摘  要：介绍了65％建筑节能设计标准对建筑物外墙传热的要求，以及建筑工程中使用的混凝土砌块的种类及节能指标的计算方法。表明：聚苯板夹芯复合砌块能够显著提高热阻；在设计砌块时，空心砌块和夹芯砌块应采取不同的孔洞布置方式。采用夹芯砌块做自保温构造时，应特别注意砌块基材要有低的导热系数，否则会发生热桥结露等现象。

前言

　　根据国家“十一五”节能发展纲要，重点节能领域是建筑节能、工业节能、交通节能，消耗量巨大的建筑能耗首当其冲。据介绍，我国建筑能耗指标偏高，达同环境国外能耗指标的2-3倍，建筑能耗占国民经济总能耗的27．8％，按目前的建筑发展速度计算，预计2020年该值将达到35％。因此，建筑节能是当今节约能源政策中的重中之重。国务院、国家建设部针对建筑节能出台了一系列的政策、法规和技术规程来推动这项事业。落实建筑节能这一国策涉及材料生产、设计、施工、管理等各个部门，但是最根本的基础是材料。如果没有热工性能好、耐久性、轻质、高强等各项性能匹配的材料作为技术支撑，要经济合理地实施建筑节能是不可能的。正如中国工程院院士、清华大学教授江亿解读《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》时指出的那样：“墙体材料一直是建筑节能的老大难”。因此，实施建筑节能政策的关键之一是研制好的建筑材料及相应的节能建筑的应用技术。

　　目前我国除部分地区实施第二步节能设计标准、即节能率达到50％外，北京、天津、哈尔滨、河南、兰州等地都实施第三步节能设计标准，即节能率达到65％，第三步节能标准的全面推广只是时间的问题。第三步节能设计标准对外墙的传热系数提出了更高的要求，兰州地区的要求如表1所示。从表中可以看出：节能设计标准从30％提高到65％时，外墙传热系数从1．35(1．05)W／m2•K降低到0．6W／m2•K，约降低到原来的1／2。

　　在建筑工程上具体实施第三步节能设计标准时，外墙的做法有四种：外墙外保温、外墙内保温、夹芯墙、混凝土自保温砌块砌体。外墙外保温是在主体墙(钢筋混凝土、砌块等)外面粘挂XPS(绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料)、EPS(绝热用模塑聚苯乙烯泡沫塑料)、岩棉、喷涂聚氨酯等导热系数低的高效保温材料，减小墙体传热系数来满足要求；外墙内保温是在主体墙(钢筋混凝土、砌块等)内侧敷设高效保温材料，形成复合外墙减小墙体传热系数来满足要求；夹芯墙是在墙体砌筑过程中采用内外两叶墙中间加绝热材料的构造做法，如东北地区用聚苯板建造夹芯墙，甘肃合作地区的太阳能建筑用岩棉建造夹芯墙等；自保温砌块砌体是新近发展迅速的一种构造，是用高热阻的夹芯复合砌块直接砌筑满足要求的外墙。这几种做法各有特点：外墙外保温是现在提倡的主流做法，有消除热桥、增大使用面积、保护主体结构等优点，缺点是施工技术难度高、工序多、施工周期长，且近几年各地外墙外表面开裂、脱落的现象时有发生，所以其耐久性一直是困扰其发展的瓶颈。内保温的优点是施工方便、保温材料的使用环境好，不受紫外线、风雨、高温、冷冻等恶劣条件影响，缺点是不能阻断热桥、减小房屋使用面积、装修容易破坏保温层等。夹芯墙体的优点是保温隔热性能好、可阻断大部分热桥、与外保温相比造价低、墙面不易出现裂缝，缺点是施工难度大、砌筑质量要求高、工期长。夹芯混凝土砌块自保温墙体是一种材料实现外墙保温和围护两种功能的墙体，优点是不影响房屋使用面积、施工方便、工期短、与复合保温墙体相比造价低。由于65％节能设计标准的强制实施和近年各地发生的有关外墙外保温的事故逐渐增多，使自保温砌块墙体又有了新的发展机遇。但是，如果不注意夹芯砌块自保温墙体的技术引导，又会重蹈覆辙，势必会影响行业的健康发展。

　　笔者认为目前夹芯砌块自保温墙体存在二个关键的问题：其一是正确认识夹芯砌块的传热性能；其二是夹芯砌块墙体设计施工中热桥的处理问题。针对这二个问题，在文中笔者做了一些探讨，供设计使用者参考。

1  夹芯混凝土砌块的传热性能

　　1．1  砌块类型

　　顾名思义，夹芯混凝土砌块就是用导热系数低的高效保温材料填充混凝土空心砌块的孔洞而得到的砌块，其保温隔热性能决定于三个要素：基材、孔型、夹芯材料。目前，混凝土砌块的基本材质有普通混凝土、泡沫混凝土、轻集料混凝土等几种；其孔型有单排孔、二排孔、三排孔、四排孔等；空心填充材料有聚苯板、珍珠岩等。通常情况下，孔型可根据要求更换成型机模具来满足，夹芯材料基本上使用EPS，砌块的材质受资源条件的影响，其种类较多。混凝土砌块主要块型如图1的(1)—(8)所示。

图1   混凝土砌块主要块型图

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　　1．2  混凝土砌块的传热性能

　　均质材料的传热性能通常用导热系数来表征，导热系数越大材料传热的能力就越强。对于一定尺寸、非均质材料的构件，通常用热阻或传热系数来表征其传热性能，热阻越大构件传热的能力越小，即保温隔热能力越强。由于不论哪种混凝土砌块从传热的角度来看都是不均匀的材料，所以混凝土砌块没有一个严格意义上的导热系数，只能针对某种具体的块型计算一个平均导热系数或热阻。在设计砌块形状时用计算热阻来定模具，在工程设计时，则采用计算热阻或砌块砌体的实测热阻值。

　　1．2．1  计算依据

　　根据GB50176-93《民用建筑热工设计规范》的规定，混凝土砌块的热阻由公式(1)计算得出，热阻计算示意图如图2所示。

                        (1)

　　式中， —一平均热阻，m2•K／W；
　　Fo一—与热流方向垂直的总传热面积，m2，见图2；
      F1、F2……Fn一—按平行于热流方向划分的各个传热面积，m2；
      R1、R2……Rn——各个传热面积部位的传热阻，m2•K/W；
      Ri一—内表面换热阻，取0．11m2•K／W；
      Re一—外表面换热阻，取0．04m2•K／W；
       一—修正系数，按表2选用。
　　其中：Rl、R2……Rn的值由公式(2)计算。
                                              (2)
　　式中，R一—材料层的热阻，m2•K／W；
      d一—材料层的厚度，m；
       一—材料的导热系数，W／m•K。
    空气层可视为特殊的绝热材料，因为对流传热等原因，空气层的热阻不能简单地由公式(3)计算得出，而需采用经验值、从表2中选取。

　　砌体传热系数K由公式(3)计算得出：
                                         (3)
　　式中，K一—传热系数，W／m2•K；
      R一—砌体热阻，m2，K／W。

　　1．2．2  自保温混凝土砌块的热阻

　　根据公式(1)和图2分别计算图1(1)-(8)所示块型混凝土夹芯砌块的热阻。为了便于比较，砌块规格都以390mm×290mm×l90mm为计算基准，聚苯板的导热系数取0．40W／m•K，砌块的基材选取了2种：一种为自燃煤矸石混凝土、废渣混凝土等普通轻混凝土，其导热系数取0．56W／m•K；另一种为超轻陶粒混凝土基材，导热系数取0．23W／m•K。计算结果分别见表4、表5所示，表中同时给出了同体积空心砌块的热阻以作对比。

2  夹芯混凝土砌块自保温墙体的热桥处理

　　由于夹芯混凝土砌块自保温墙体相当于把外墙的保温层提前放人墙材中、和砌块预制成一体，因此，工程上不可能在自保温墙体的内侧或外侧再做保温层，这种构造做法不可避免地在梁板柱位置产生热桥。如何有效阻断热桥是这种材料或者这种保温做法能否满足65％节能设计标准的关键。夹芯砌块与外保温相结合可以解决这个问题：在保温结构设计时主体墙用夹芯砌块砌筑，梁板柱用外保温做法。砌体砌筑时留出外保温层的厚度，即梁板柱外保温做完后外轮廓线与砌体平齐，再同时做装饰层。这样可以有效阻断热桥。

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3  讨论

　　3．1  对于空心砌块，合理利用空气层可以增大热阻

　　从表3可以看出，空气层是良好的绝热材料，且空气层厚度大于20mm时，其热阻随厚度增加几乎不变化，因此，在砌块孔型设计时应充分利用空气层。从表4、表5中可以看出：对于同体积的砌块来说，二排孔的热阻比单排孔的热阻能够提高80％-110％，三排孔的热阻又比二排孔的热阻能够提高40％-47％，砌块基材的导热系数越大，提高的幅度越大。

　　但是用单一的砌块构筑砌体不能满足第三步节能目标外墙传热系数小于0．6W／m2．K的设计要求。

　　3．2  夹芯砌块的热阻

　　从表4、表5中看出，用聚苯板夹芯的混凝土砌块能够显著提高砌块的热阻。用陶粒混凝土基材生产的砌块，以及用普通水泥砂浆砌筑的砌体可以满足第三步节能设计标准要求的外墙传热系数；废渣等普通轻混凝土基材生产的图1(2)、图1(4)孔型的夹芯砌块用普通水泥砂浆砌筑的砌体也可以满足第三步节能设计标准要求的外墙传热系数。

　　3．3  砌块基材对热阻的影响

　　表4、表5中所列图1(8)砌块是实心砌块，是空心砌块的一个特殊情况，其热阻就是空心砌块或夹芯砌块砌筑时边壁形成的热桥的热阻。表4中图1(8)砌块的传热系数是0．69W／m2•K，用夹芯砌块做自保温墙体时边壁的传热系数就是0．69W／m2•K，与三步节能目标的0．6W／m2•K接近；但是，表5中图1(8)砌块的传热系数是1．41W／m2•K，如果用图1(2)所示的夹芯砌块做自保温墙体，虽然通过计算的平均传热系数0．46W／m2•K，可达到要求，但边壁的传热系数1．41W／m2•K，远远高于0．6W／m2•K，不可取。

　　3．4  砌块热阻与孔型的对应关系

　　比较表4和表5中图1(1)-(8)砌块的热阻可以得出如下结论，空心砌块热阻随孔排数增加变化较大，而夹芯砌块的热阻变化不大。原因是夹芯砌块的热阻主要由夹芯材料贡献，所以砌块应尽量设计成简单形状的结构，以便充分利用夹芯材料的热阻，如二排孔相同体积的砌块、根据热阻大小排序为：图1(2)砌块>图1(4)砌块>图1(5)砌块>图1(3)砌块。

　　3．5  自保温砌块墙体的热桥处理

　　在设计时将梁板柱做外保温与夹芯砌块自保温墙体相结合可以最大限度地阻断热桥，从而有效克服传统自保温墙体的缺陷。

4  结论

　　(1)夹芯混凝土砌块自保温墙体是一种实现外墙保温和围护两种功能的墙体，具有不影响房屋使用面积、施工方便、工期短、与复合保温墙体相比造价低的优点，并且保温材料在墙体内、可以有效延长使用周期，是一种发展前景良好的建筑保温结构工法。

　　(2)夹芯砌块孔型的设计不能照搬空心砌块的设计思路。空心砌块应尽量设置多排孔充分利用空气层增大砌块热阻，使得相同砌块体积具有最大的热阻；夹芯砌块的孔型设置应尽量简单整齐以充分利用夹芯的高效保温材料的热阻，提高砌块的热阻，减小砌体的传热系数。

　　(3)使用导热系数0．23W／m•K的陶粒混凝土做基材的夹芯砌块、建造自保温墙体，其传热系数可达到第三步节能65％标准的要求。

　　(4)由于采用夹芯保温结构时，主体墙不可能再做内外保温层，因此，要尽量使用导热系数小的混凝土做砌块基材，否则虽然平均热阻达到要求，但砌块砌筑时相邻砌块的边壁会产生新的热桥，在严寒或寒冷地区如果使用不当，会产生严重的漏热甚至引起受潮结露等现象。