(陈振基)绝热砂浆的功能和技术要求.
绝热砂浆的功能和技术要求
土木工程学博士 陈振基
我国正处于工业化、城镇化加速发展时期,居民生活条件的改善和居住舒适度的提高,一方面促进了建筑业的蓬勃发展,另方面也扩大了建筑对能源的需求与消耗。建筑节能不仅是中国政府建设资源节约型和环境友好型社会的重要组成部分,也是社会最为关注和重视的领域之一。
推进建筑节能,过去的理解往往限于墙体的保温,把保温等同于节能。原因之一是我国幅员中,位于严寒地区和寒冷地区的东北、华北和西北占国土面积三分之二多,冬季采暖是上述三个地区居民的基本生活需求,建筑节能也就必然从以上地区开始。为了节约冬季的采暖费用,减少墙体的热损失至关重要,所以必须把建筑物保温起来。
但是南方地区的建筑节能与北方不同,按照GB 50176-93《民用建筑热工设计规范》的规定,夏热冬冷地区的设计要求是:“必须满足夏季防热要求,适当兼顾冬季保温”, 夏热冬暖地区的设计要求则是:“必须充分满足夏季防热要求,一般可不考虑冬季保温。”这两个地区对墙体的要求是隔热,与北方的保温要求不同,当然所用材料和工法也就应该不同。
其实保温与防热原理上是一回事,英文都是insulation ,并没有隔冷还是隔热之分,就是利用绝热材料阻止热量从高温区向低温区的自发流动。对于某些既可用于保温,又可用于隔热的材料,比如本文涉及的砂浆,中文似乎只可用保温/隔热砂浆的写法。本文打破了这种习惯的说法,也为了给出一个准确的定义,起名为绝热砂浆,英文就是insulating mortar,不管用于保温或隔热均可。
1, 对绝热砂浆的技术要求
一,使用寿命要和墙体匹配,我国规定建筑物的设计使用寿命应为50年,当然组成主体结构的材料寿命也必须超过50年。现在有些地方为了提高墙体的保温性能,大力推荐高效有机保温材料,一般干密度在50kg/m3以下,导热系数低于0.045W/(m﹒K) 。这类保温材料大多是有机合成物,有的防火性能不能满足要求,有的在大气条件下会降解或分解,使用寿命完全不能和建筑物匹配。来自全国第七届建筑物改造与病害处理学术研讨会的信息称,改革开放以来,我国已建成各类建筑物达400多亿平方米,并每年以5亿多平方米的规模扩大。因管理不当,我国设计寿命为50年的建筑物,实际使用寿命为30年,造成了资源浪费。有机保温材料市场上质量良莠不齐,不少是用废料再生,或者密度过低,一旦失效,造成的浪费更是不可预计。我们的绝热砂浆必须用无机材料作原料,使用寿命和墙体匹配。
二,要通过耐久性、耐候性和防火性能测试。用无机材料作原料的绝热砂浆比有机保温材料优越之处就在于耐久性好,绝热砂浆,特别是以水泥为胶结料,
不难通过耐久性、耐候性和防火性能的测试。当然这类砂浆的养护可能是新课题,抹到墙上未充分养护的砂浆耐久性会降低,这是水泥制品的一般要求,对做绝热工程的人员还要重新培训。
三,要冬季能够保温,夏季能够隔热;既可用于室外,也可用于室内。对于北方地区,采暖大多烧煤,而冬暖夏冷地区夏季制冷多用电。由于发电的能耗要比直接烧煤制热的能耗高得多,计算表明,将温度降低1度所需能耗是将温度升高1度所需能耗的4倍,所以这个地区的绝热材料应该有双向的功能:夏季防止墙体过热,冬季防止墙体过冷。这样可以使室内舒适度大大提高,墙体在夏季不辐射令人不适的热量,而在冬季不再辐射冷量。此外,绝热层做在外面或里面,主要是设计人员的考虑,比如取决于外墙饰面层的做法。这个双向和双面的功能要求,也可能只有绝热砂浆才能达到。
四,不追求过低密度和过低的导热系数。北方地区冬季室内外温差大,保温层选择密度小和导热系数小的材料,以求保温性能好。夏热冬冷和夏热冬暖地区室内外温差不很大,没有必要追求绝热砂浆过低的密度和过低的导热系数。密度过低,蓄热系数小,对墙体的热惰性指标没有帮助。使用高效绝热材料固然可以隔绝室外高温传入室内,但是它们没有保持室温稳定的能力,对于间歇式制冷的房间,打开空调时,室内温度就降下来,空调停止运转,室内温度就升高。
2, 绝热砂浆的合理性能指标
要满足以上要求,绝热砂浆的干密度可在600kg/m3以上,导热系数在0.09 W/(m﹒K) 左右。这样密度等级的蒸压加气混凝土砌块强度约为5.0MPa ,绝热砂浆不难做到2MPa 以上,耐久性应该不成问题。
我们分析了目前行业标准(包括尚在征求意见的)和一些文献中推荐的砂浆,认为上述性能指标是可以达到的。
注:
Ⅰa – 行业标准《膨胀玻化微珠轻质砂浆》征求意见稿中,对保温隔热型膨胀玻化微珠轻质砂浆的性能指标要求。
Ⅰb -- 行业标准《膨胀玻化微珠轻质砂浆》征求意见稿中,对抹灰型膨胀玻化微珠轻质
砂浆的性能指标要求。
Ⅱ-- 国家标准GB/T 20473-2006《建筑保温砂浆》
Ⅲ – “墙体材料热工性能及其改进措施研究”,黄远洋等,载《新型建筑材料》2006年第11期。
Ⅳ -- “夏热冬冷地区空心微珠无机保温外墙抹面砂浆的开发研究”,方萍等,载
以上介绍的几种砂浆中,Ⅰb 和Ⅳ的性能指标与本文要求的绝热砂浆非常接近,如果砂浆的施工性能也可以满足要求,从下面的计算可以看到,夏热冬冷和夏热冬暖地区当砂浆的导热系数小于0.09 W/(m﹒K) ,一般的墙体涂敷20~25mm的绝热砂浆时,砂浆层就可以同时满足对墙体的传热系数和热惰性指标两个热工性能。根据R 绝热= d/λ,式中d 是绝热层的厚度,λ是绝热材料的导热系数,绝热砂浆层可提供的热阻见下表。
3, 居住建筑外墙的热工性能分析
夏热冬冷和夏热冬暖地区外墙的传热系数可用下式计算:
Kp = 1/Rp = 1/(Re + R墙体+ R绝热 + Ri) ,此数值必须≤1.5 W/(m2·K)
式中:Kp — 外墙主体部位的传热系数 [W/(m2·K)];
Rp — 外墙主体部位的总传热阻(m 2·K/W);
Re — 外表面的热交换阻,= 0.04 m2·K/W;
R 墙体— 墙体的传热阻(m 2·K/W);
R 绝热— 附加绝热层传热阻(m 2·K/W);
Ri — 内表面的热交换阻,= 0.11m2·K/W。.
而外墙的热惰性指标可用下式计算:
Dp = D墙体 + D保温, 此数值必须≥3.0
式中:Dp --- 外墙主体部位的热惰性指标;
D 墙体 --- 墙体的热惰性指标;
D 绝热 --- 附加绝热层的热惰性指标。
对于各种已知墙体种类和厚度,R 墙体、Re 和Ri ,以及D 墙体都是定值。因此,可以根据实测或计算得出的结果,算出附加绝热层需要的R 绝热和D 绝热值。
我们计算和实测了夏热冬暖地区几种常用墙体的传热阻和热惰性指标。所有数值均包括了两面抹20水泥砂浆或混合砂浆,以及内、外表面的热交换阻。
各种常用的外墙的传热阻和热惰性指标 表2
以上几种外墙中,除了190厚的轻骨料实心砌块外,都不能满足传热系数要求K ≤1.5 W/(m2·K) 的要求,必须附加绝热层。
如果仅外抹20水泥砂浆,则传热阻最差的180粘土砖墙的附加绝热层应是: Kp = 1/Rp = 1/(0.376-0.023+ R绝热) ≤1.5 W/(m2·K) 。这里的0.023是内抹灰的传热阻,需要扣除的。
R 绝热 应≥0.667-0.353 = 0.314(m 2·K/W)。而R 绝热= d/λ,式中d 是绝热层的厚度,λ是绝热材料的导热系数。此要求不高,当用导热系数为0.09 W/(m﹒K) 的绝热砂浆时,厚度只需0.028m ,即28mm 。其他几种包括240粘土砖墙、190空心砌块只要抹25mm 绝热砂浆就可以满足要求。
至于D 绝热,Dp = D墙体 + D绝热 ≥3.0 ,而D 绝热的算式为R 绝热·S ,本式中R 绝热是绝热材料的传热阻,对180粘土砖是0.313。S 是蓄热系数,表1中Ⅳ的实验数据为4.2,GB 50176《民用建筑热工设计规范》附表4.1中600干密度的水泥膨胀珍珠岩制品的蓄热系数为3.44,即使取后者,绝热层的D 绝热也可以达到1,加上墙体原有的热惰性指标,外墙主体部位的热惰性指标就可以满足要求。
4, 不同墙体的传热系数和热惰性指标
我们计算了夏热冬冷和夏热冬暖地区不同墙体的热工性能,发现使用本文推荐的绝热砂浆完全可以满足该两地区的节能要求。计算的所有取值原理与前文同。 不同墙体的热工性能 表3
由此可得结论:
一, 以上所有墙体(1~7)如果内外只抹20mm 普通砂浆,传热系数全不能达到居住建筑节能标准。
二, 240粘土砖墙(2)和190普通混凝土单排孔砌块(3)与轻混凝土砌块(4)墙,内表面改抹25mm 绝热砂浆,传热系数即可达到居住建筑节能标准,无必要两面抹绝热砂浆。
三, 180粘土砖墙(1)、240混凝土多孔砖(5)和200、250钢筋混凝土剪力墙(6~7),本来都是很难绝热处理的,但如果两面抹25mm 绝热砂浆即可满足要求。
以上所有墙体经过绝热砂浆处理,热惰性指标均超过3,满足该两地区要求。 5, 绝热砂浆有很大发展前途
肯定上面的分析,我们认为绝热砂浆是很有发展前途的节能材料。它密度不高,强度足够,也可以经受一般的碰撞,可以代替普通的内粉刷,且25mm 的厚度不多占室内空间。在夏热冬冷地区,虽然内抹25mm 绝热砂浆已可达到传热系数要求,但两面各抹25mm 绝热砂浆,大大提高墙体热工性能,外层在冬季起保温作用,内层在夏季起隔热作用,节能效果更好。因为这个地区,空调器是双重作用的,夏天制冷,冬天采暖,而且一般居民的习惯是间歇启动空调的。夏天室内气温高时,启动空调不需花费能源把蓄热很大的结构墙体整个冷却下来,很快就可以让室内气温达到舒适程度。冬季外层的绝热砂浆不让室外冷空气传入室内,但是冷温还是会通过门窗和其他缝隙传入,降低室内气温。启动空调时不需花费能源把蓄热很大的结构墙体加温,而只要把室内空气加热就可以了。这就是内墙面用绝热砂浆最大的好处。
至于夏热冬暖地区,只要内抹25mm 绝热砂浆就具有上述夏季很快把室温降下来的作用,比北方的外墙外保温更能节能。
要让人们正确认识绝热砂浆在夏热冬冷和夏热冬暖地区的作用,必须做好以下两件事:
一, 应重新评价浆体保温材料在南方的适用性
有的文章对北方内保温作了不可使用的结论,最近又有文件说:“由于内保温热桥影响很大,而浆体保温材料的导热系数又偏大,在工程上可接受的保温层厚度范围内,使用浆体材料做内保温,很难符合《民用建筑节能设计标准》JGJ26-95中对外墙平均传热系数限值的规定” ,因而规定这种技术“不得用于寒冷地区和严寒地区内、外保温以及其它气候区大城市的内保温”, 我们认为这种提法欠妥,不太符合我国南北区域划分的建筑节能客观要求,夏热冬冷和夏热冬暖地区热桥影响不大,保温/隔热材料的导热系数可以高一些,在20~25mm的绝热层厚度范围内,完全可以符合外墙平均传热系数限值的规定。基于本文前面的论述,浆体保温/隔热材料用于南方,是再好不过的建筑节能材料了。
二, 要尽快制定绝热砂浆的现场检测规范
绝热砂浆是现场施工的一种浆体材料,其质量很大程度上取决于原材料配比的准确性、现场搅拌设备和工艺、人工施敷的水平、成品的养护等多种因素。正因为操作简单,设备成本不高,素质差的承包商很容易以劣充好,把这项好技术名声搞坏了。所以必须制定一个现场检测规范,要求现场做好的成品的基本性能达到承包商送检的样品水平,其实这只要求做密度、抗压强度和硬度三项检测即可,根据密度可以近似得出导热系数数据,抗压强度与粘结强度有线性关系,硬度则一定程度上考核了耐久性。
绝热砂浆应该成为我国南方地区的围护结构节能材料的主力,希望有识之士将生产企业、学术界和研究院组织起来,以科学态度对待,将之潜在优势发挥出来,让它为我国的节能事业做出应有的贡献。