鄧招龍

(江西中煤建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000)

建筑能源消耗問題一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[1]。面對(duì)巨大的建筑能耗，充分提高建筑外部保溫隔熱性，是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的重要舉措[2]。在整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)中，墻體是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體，在整個(gè)建筑能耗中占總能耗的35%左右，因此，如何改善建筑墻體的保溫隔熱性能是研究的重點(diǎn)。

目前國內(nèi)外主要存在的外墻保溫形式以外保溫為主，由于外保溫體系保溫層覆蓋在墻體外側(cè)，基本上可以避免熱橋問題，保證墻體內(nèi)表面上不易產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，儲(chǔ)存更多的能量，所以外保溫體系是建筑領(lǐng)域極力倡導(dǎo)的保溫形式，也是在國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的建筑保溫技術(shù)。目前主要應(yīng)用的外保溫系統(tǒng)主要包括基于聚苯乙烯隔熱保溫板外保溫系統(tǒng)和膠粉聚苯顆粒外保溫系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工工序多，材料導(dǎo)熱系數(shù)大，不僅導(dǎo)致溫度應(yīng)力過高，保溫效果不明顯，而且消耗的能源過多，沒有達(dá)到節(jié)能的目的[3]。因此，提出基于水性環(huán)氧樹脂浸潤(rùn)劑處理的玻璃棉板外保溫系統(tǒng)，利用水性環(huán)氧樹脂浸潤(rùn)劑處理玻璃棉板，降低材料的導(dǎo)熱系數(shù)，解決傳統(tǒng)系統(tǒng)中存在的問題。

1 基于水性環(huán)氧樹脂浸潤(rùn)劑處理的玻璃棉板外保溫系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

玻璃棉板外保溫系統(tǒng)中玻璃棉板的性能與浸潤(rùn)劑息息相關(guān)，整體框架部分主要是實(shí)現(xiàn)浸潤(rùn)劑的配置及輔助玻璃棉板的生產(chǎn)，以提高玻璃棉板材料性能。

浸潤(rùn)劑的配制和處理過程的主要設(shè)備包括控制器、觸摸屏、變頻器和稱重傳感器[4]。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 浸潤(rùn)劑配制過程示意圖

浸潤(rùn)劑配制后，負(fù)責(zé)輸送的控制器硬件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制器硬件配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

浸潤(rùn)劑配制過程中接口模塊為IM365，擴(kuò)展機(jī)架與主機(jī)架相連，通信方式主要以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信CP340為主，通過IM365串行通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[5]。在圖2中顯示的擴(kuò)展機(jī)架上，安放與主機(jī)架通信的接口模塊，其他槽位安放信號(hào)分別為模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和數(shù)字量輸入模塊。

通過上述控制器設(shè)計(jì)生產(chǎn)浸潤(rùn)劑，達(dá)到提高浸潤(rùn)劑中環(huán)氧成膜劑對(duì)玻璃纖維的黏結(jié)力和表面張力。

2 玻璃棉板外保溫系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)合“抗”和“放”的防裂構(gòu)造設(shè)計(jì)

玻璃棉板材料的使用使得設(shè)計(jì)外保溫系統(tǒng)時(shí)需要考慮材料各項(xiàng)參數(shù)，當(dāng)玻璃棉板外保溫系統(tǒng)受到外界溫度變化的影響產(chǎn)生變化時(shí)，材料的內(nèi)應(yīng)力會(huì)逐漸消耗掉，實(shí)現(xiàn)外保溫系統(tǒng)的防裂功能[6]。

玻璃棉板材料的變形是不自由的，結(jié)合“抗”和“放”兩種防裂機(jī)理，避免玻璃棉板外保溫系統(tǒng)出現(xiàn)開裂。在“抗”的防裂機(jī)理下，玻璃棉板受到內(nèi)外約束受力的作用，完全處于約束狀態(tài)。則材料各個(gè)參數(shù)有如下關(guān)系[7]：

αx=αy=αz=βxy=βyz=βzx=0

(1)

δx=δy=δz=KγR=δmax

(2)

ηxy=ηyz=ηzx=0

(3)

式中:αx、αy、αz為各個(gè)方向上的極限拉伸；βxy、βyz、βzx為各個(gè)方向的夾角變位；δx、δy、δz為各個(gè)方向上約束正應(yīng)力，N；K為彈性模量，MPa；R為溫差,℃；γ為線膨脹系數(shù)，1/C；δmax為最大約束應(yīng)力，N；ηxy、ηyz、ηzx為各個(gè)方向的剪切應(yīng)力，N[8]。在上述這種情況下，只要材料具有足夠的抗拉強(qiáng)度，則不會(huì)產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。

如果玻璃棉板的變形得到滿足，則變形不會(huì)產(chǎn)生約束應(yīng)力，此時(shí)材料處于完全的自由狀態(tài)，因此不會(huì)產(chǎn)生裂縫。此時(shí)材料的參數(shù)關(guān)系如下：

αx=αy=αz=γR

(4)

δx=δy=δz=ηxy=ηyz=ηzx=0

(5)

由式(4)和式(5)可知，在這種情況下，材料可以隨著溫度的變化自由變形，此時(shí)材料向空間自由發(fā)展，在任意溫差條件下，保溫材料都具有良好的適應(yīng)變形的能力。

2.2 保溫隔熱結(jié)構(gòu)與節(jié)能的一體化設(shè)計(jì)

外保溫系統(tǒng)中保溫隔熱結(jié)構(gòu)與節(jié)能的一體化設(shè)計(jì)有一個(gè)重要的前提，就是系統(tǒng)的熱工性能必須能夠滿足建筑物節(jié)能指標(biāo)的要求[9-11]。具體要求為：對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻值應(yīng)該大于建筑物所在地區(qū)規(guī)定的最小熱阻值；室內(nèi)溫度與濕度的調(diào)節(jié)應(yīng)該高于室內(nèi)空氣的結(jié)露溫度；在材料和構(gòu)造措施改變處、結(jié)構(gòu)縫隙處以及位移較大的部位，設(shè)置變形縫。

對(duì)于外保溫系統(tǒng)，其連接件采用強(qiáng)度高的金屬螺栓，在玻璃棉板與室外環(huán)境接觸的一端用塑料墊蓋嚴(yán)，使用的塑料套筒貫穿外膜板的內(nèi)側(cè)截面，將錨桿端頭與墻體中的鋼筋骨架綁扎牢固。具體的連接形式如圖3所示。

采用這種形式的連接能夠避免外保溫系統(tǒng)產(chǎn)生熱橋，避免保溫效果被削弱。在這種結(jié)構(gòu)下，節(jié)能的控制主要是對(duì)局部節(jié)點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行處理[12]。建筑物節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造部位主要是指采暖和非采暖空間的樓板部位、陰陽角部位、門窗洞口等部位，這些部位是外保溫系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是最影響保溫效果的部位。因此對(duì)這些部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以陰、陽角為例，構(gòu)造結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 連接件內(nèi)螺栓的設(shè)置

圖4 陰、陽角部位構(gòu)造

通過以上過程對(duì)外保溫系統(tǒng)一些局部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)造優(yōu)化，以達(dá)到保溫隔熱、節(jié)能的目的[13-15]。至此，基于水性環(huán)氧樹脂浸潤(rùn)劑處理的玻璃棉板外保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。

3 玻璃棉板外保溫系統(tǒng)性能測(cè)試

對(duì)于玻璃棉板外保溫系統(tǒng)性能測(cè)試，主要以對(duì)比測(cè)試的形式為主，在測(cè)試中建立統(tǒng)一的墻體模型，使用不同的外保溫系統(tǒng)測(cè)試在相同條件下，不同系統(tǒng)的節(jié)能和保溫效果，驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，分析系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力。

3.1 墻體模型參數(shù)設(shè)置

在節(jié)能效果測(cè)試和溫度應(yīng)力測(cè)試中均需要與普通墻體相對(duì)比，因此在測(cè)試之前，定義普通墻體的材料參數(shù)。具體內(nèi)容如表1所示。

設(shè)計(jì)的玻璃棉板外保溫系統(tǒng)材料參數(shù)如表2所示。

表1 普通墻體各層材料參數(shù)

表2 玻璃面板外保溫系統(tǒng)各層材料參數(shù)

創(chuàng)建墻體模型采用自頂向下的方式，滿足《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》要求，建立的墻體模型如圖5所示。

圖5 墻體模型

圖5中顯示的墻體模型是經(jīng)過網(wǎng)格劃分后的模型，其尺寸為3.5 m×3.0 m，中間窗戶大小為1.5 m×1.5 m?；谝陨蟽?nèi)容測(cè)試不同外保溫系統(tǒng)的節(jié)能效果和溫度效應(yīng)。

3.2 節(jié)能效果測(cè)試及分析

使用ECOTECT軟件計(jì)算采用不同外保溫系統(tǒng)的墻體建筑能耗，并以基于聚苯乙烯隔熱保溫板的外保溫系統(tǒng)、基于膠粉聚苯顆粒的外保溫系統(tǒng)為對(duì)比方法，分別比較不同方法下墻體的建筑能耗與普通墻體能耗的計(jì)算結(jié)果，得到外保溫系統(tǒng)的節(jié)約能耗。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

對(duì)比圖6結(jié)果，從覆蓋面積上分析不同外保溫系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。圖6中顯示傳統(tǒng)的兩種外保溫系統(tǒng)覆蓋面積大于普通墻體顯示的覆蓋面積，說明這兩種系統(tǒng)在保證了保溫隔熱的性能的同時(shí)，消耗了過多的能耗，沒有達(dá)到節(jié)能的目的。而設(shè)計(jì)的外保溫系統(tǒng)圖中顯示的覆蓋面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通墻體展示的覆蓋面積，說明設(shè)計(jì)的外保溫系統(tǒng)的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通墻體，并且與傳統(tǒng)的保溫系統(tǒng)相比，節(jié)能效果也非常明顯。

圖6 不同外保溫系統(tǒng)節(jié)能效果測(cè)試結(jié)果

3.3 溫度應(yīng)力測(cè)試及分析

溫度應(yīng)力測(cè)試主要是在恒溫階段、靜置階段、加熱階段和降溫階段下，根據(jù)墻體溫度與外界溫度的溫度變化計(jì)算溫度應(yīng)力，對(duì)比這些數(shù)據(jù)可以證明外保溫系統(tǒng)的保溫隔熱性能。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

分析表3可知，任何情況下只要存在溫差，就會(huì)發(fā)生從高溫向低溫處的熱量傳遞。溫度應(yīng)力越大，說明保溫隔熱性能越好。通過觀察表中數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)計(jì)的外保溫系統(tǒng)溫度應(yīng)力更高，說明該系統(tǒng)面對(duì)不同的外界溫度變化，能夠?qū)w結(jié)構(gòu)層起到保護(hù)作用，達(dá)到保溫隔熱的目的。結(jié)合節(jié)能效果測(cè)試結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的基于水性環(huán)氧樹脂浸潤(rùn)劑處理的玻璃棉板外保溫系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)的外保溫系統(tǒng)。

表3 不同外保溫系統(tǒng)溫度應(yīng)力測(cè)試結(jié)果 MPa

4 結(jié) 語

本文從提升外保溫系統(tǒng)保溫性能方面入手，結(jié)合水性環(huán)氧樹脂浸潤(rùn)劑處理的玻璃棉板，設(shè)計(jì)外保溫系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)外保溫系統(tǒng)中存在的問題。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用浸潤(rùn)劑增強(qiáng)玻璃棉板的表面張力，增強(qiáng)材料性能，達(dá)到保溫隔熱的目的。在設(shè)計(jì)完成之后，利用傳統(tǒng)的外保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)比測(cè)試，多次測(cè)試得出，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的有效性以及優(yōu)越的實(shí)際應(yīng)用能力。但是設(shè)計(jì)過程中對(duì)保溫系統(tǒng)的耐久性沒有過多的驗(yàn)證，在后續(xù)研究中可從這一方面展開研究，切實(shí)保證外保溫系統(tǒng)的應(yīng)用安全。