裴俊華，馬云龍，劉維珩，侯 斌

（1.甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741020； 2.甘肅建投土木工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 700070）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展以及城鄉(xiāng)一體化的迅速推進(jìn)，我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及建筑業(yè)飛速發(fā)展，由此也帶來了能源消耗的持續(xù)增長，國家能源安全和可持續(xù)發(fā)展面臨較大挑戰(zhàn)。建筑消耗了社會(huì)40%的能源，并產(chǎn)生36%的溫室氣體［1］。在此背景下，建筑業(yè)的節(jié)能減排已成為我國甚至全球可持續(xù)發(fā)展道路上關(guān)注的重點(diǎn)問題［2］。并且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程的快速推進(jìn)，按照2020年末統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全國住宅存量約607億m2，城市218億m2，鎮(zhèn)157億m2，農(nóng)村232億m2［3］，村鎮(zhèn)建筑面積超過全國住宅存量的一半以上。伴隨著城鎮(zhèn)化水平的不斷提高和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施，村鎮(zhèn)建筑面積及其能耗所占的比重也將會(huì)越來越大。

我國是人口大國，也是農(nóng)業(yè)大國，村鎮(zhèn)住宅建筑面積占比大于全國范圍住房總面積的50%，人民生活水平不斷提高，農(nóng)村人均住宅面積不斷增加，村鎮(zhèn)住宅品質(zhì)不斷提升，也迫切需要提高村鎮(zhèn)住宅的節(jié)能水平［4］。現(xiàn)階段已建成的一部分農(nóng)宅其保溫隔熱效果較差，導(dǎo)致建筑能耗較高，居住舒適性也較差。隨著 “十四五” 建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃的提出，對(duì)農(nóng)宅進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)與建造的觀念越來越深入人心，這對(duì)于減少農(nóng)宅建筑能耗損失、促進(jìn)美麗鄉(xiāng)村建設(shè)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，對(duì)現(xiàn)有的材料進(jìn)行開發(fā)并且研制新型的綠色建筑材料，分析影響材料保溫性能的影響規(guī)律，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的節(jié)能設(shè)計(jì)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)減少建筑能耗和節(jié)能減排目的具有十分重要的意義。

1 農(nóng)宅外墻保溫構(gòu)造的主要形式

住宅的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)是建筑節(jié)能的重要組成部分，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫主要包括墻體、門窗、屋面等結(jié)構(gòu)，其中外墻傳熱能耗約占建筑傳熱總能耗的30%［5］，所以應(yīng)著重對(duì)外墻采取更加合理的保溫措施。

保溫節(jié)能墻體的原理是利用導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料，將其和墻體構(gòu)筑在一起形成保溫復(fù)合型墻體。根據(jù)保溫層材料所處位置的不同，可以將保溫復(fù)合墻體分為三類，即外墻外保溫型復(fù)合墻體、外墻內(nèi)保溫型復(fù)合墻體和外墻夾芯保溫型復(fù)合墻體（見圖1）。

圖1 保溫復(fù)合墻體的主要類型

目前農(nóng)宅對(duì)于保溫材料的選取多為流行的聚苯板，其保溫效果明顯，且耐腐蝕、防潮、高抗壓。以甘肅天水地區(qū)農(nóng)村建筑常用的240和370墻體為例，經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)其主要構(gòu)造形式有以下幾種，如表1所示［6］。

表1 墻體保溫構(gòu)造層次

外墻外保溫構(gòu)造形式相比另外兩種保溫形式而言具有技術(shù)合理、施工簡單、性價(jià)比高、適用范圍廣的優(yōu)勢，是目前外墻外保溫型復(fù)合墻體主要的選擇形式。本文首先對(duì)外墻外保溫復(fù)合墻體的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了概述，其次根據(jù)傳熱學(xué)的知識(shí)，結(jié)合具體實(shí)例，對(duì)外墻外保溫型復(fù)合墻體進(jìn)行相應(yīng)節(jié)能分析，得到苯板厚度對(duì)傳熱系數(shù)的影響規(guī)律。

2 外保溫復(fù)合墻體的技術(shù)特點(diǎn)

2.1 有效提高了主體結(jié)構(gòu)的耐久性

對(duì)于外墻外保溫型復(fù)合墻體，通過將保溫層設(shè)置在外墻面，阻隔了外墻面和空氣以及水分的直接接觸，外墻面被保溫層得以充分地保護(hù)，減少了外墻面以及主體結(jié)構(gòu)中鋼筋結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的機(jī)率，避免了外墻面和主體結(jié)構(gòu)因?yàn)槭艿江h(huán)境因素影響而造成的腐蝕破壞。另外由于外墻外保溫型復(fù)合墻體將保溫層設(shè)置在建筑物結(jié)構(gòu)外側(cè)，這種構(gòu)造可以減輕由于如濕度、溫度變化等環(huán)境因素所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形而產(chǎn)生的應(yīng)力。目前外墻外保溫復(fù)合型墻體由于其自身的優(yōu)越性已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，事實(shí)證明對(duì)于墻體和屋面產(chǎn)生的變形與其對(duì)應(yīng)的保溫隔熱材料有關(guān)，如果選擇適當(dāng)?shù)谋夭牧弦约昂侠淼牟牧虾穸?，可大大減小墻體和屋面由于溫度變化而產(chǎn)生的變形，頂層的橫墻斜裂縫以及其他常見裂縫也可以得到有效的消除。因此，外墻外保溫復(fù)合型墻體既可減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)因?yàn)榄h(huán)境因素引起的應(yīng)力，并且可以對(duì)主體結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用，從而有效地提高主體結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.2 環(huán)境舒適度得到改善

通過對(duì)外墻面采取外保溫措施后，減小了室內(nèi)熱量的耗散，導(dǎo)致了外墻復(fù)合墻體中內(nèi)部的實(shí)體墻熱容量變高，當(dāng)熱量通過墻面耗散時(shí)，內(nèi)部墻體可以吸收大部分熱量并且得以儲(chǔ)存。當(dāng)室內(nèi)由于外界環(huán)境導(dǎo)致溫度變化或者室內(nèi)有熱源產(chǎn)生熱量，室內(nèi)受到的熱作用不穩(wěn)定時(shí)，由于墻體熱容量變高，室內(nèi)溫度增加時(shí)會(huì)吸收熱量，室內(nèi)溫度降低時(shí)會(huì)釋放熱量，這一功能將會(huì)使室溫保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。另外在不同的季節(jié)和室外太陽輻射強(qiáng)度不同的時(shí)刻，外墻外保溫層也可以起到不同程度的調(diào)節(jié)作用，當(dāng)太陽輻射較強(qiáng)以及室外溫度過高時(shí)，外保溫層可以適當(dāng)?shù)販p小輻射量并且降低室外過高溫度對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響。由此可見，外墻外保溫系統(tǒng)可使建筑物冬暖夏涼，提升居住舒適度。

2.3 墻體潮濕情況得到改善

墻體進(jìn)行外保溫設(shè)計(jì)后，由于外墻面被保溫層材料覆蓋保護(hù)，而內(nèi)部墻體的蒸汽滲透率較高，水汽在墻體內(nèi)部不會(huì)發(fā)生冷凝現(xiàn)象，所以和內(nèi)保溫不同的是此時(shí)不需設(shè)置隔汽層，一般情況下，內(nèi)保溫須設(shè)置隔汽層，將水汽隔離開內(nèi)墻面，防止墻體潮濕，外保溫則解決了這個(gè)問題，所以在施工方面比內(nèi)保溫設(shè)計(jì)更簡潔方便。另外，外保溫墻體不易產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，這是由于當(dāng)室內(nèi)水蒸氣壓強(qiáng)大于室外水蒸氣壓強(qiáng)時(shí)，水蒸氣被氣壓由室內(nèi)壓向室外，墻體是水蒸氣通過的介質(zhì)材料，在墻體材料內(nèi)部的水蒸氣超過相應(yīng)的飽和蒸汽壓力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，但是由于沒有設(shè)置隔熱層，此時(shí)墻體由傳熱體變?yōu)樾顭狍w，墻體的內(nèi)表面蓄熱系數(shù)較大使得水蒸氣通過墻體介質(zhì)材料時(shí)的氣壓均小于飽和蒸汽壓，并且由于保溫層有一定的透氣性以及太陽輻射的作用，進(jìn)一步避免了結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2.4 避免墻體產(chǎn)生熱橋和內(nèi)部結(jié)露

熱橋效應(yīng)是指由于樓層和墻角處存在混凝土圈梁和構(gòu)造柱，當(dāng)室內(nèi)外溫差較大時(shí)，由于混凝土材料的導(dǎo)熱性能要強(qiáng)于墻體其他材料，這就造成了墻體保溫層受熱不均勻，產(chǎn)生熱橋效應(yīng)。熱橋效應(yīng)的危害較大，會(huì)造成室內(nèi)房屋墻體結(jié)露、發(fā)霉、滴水，會(huì)導(dǎo)致房間內(nèi)的熱量大量向外流失，造成較大的供熱能源的浪費(fèi)。外墻的作用不僅要承擔(dān)主體結(jié)構(gòu)的重量，起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，外墻也起到阻隔熱量流失的作用。為了起到較好的保溫作用，選取較厚的外墻厚度才可以減少室內(nèi)熱量的耗散，起到保溫隔熱的效果。若選用保溫性能較好的保溫材料后，墻體的厚度可以適當(dāng)?shù)販p少。當(dāng)保溫形式采用內(nèi)保溫時(shí)，墻體厚度越薄，為了起到正常的保溫效果時(shí)，保溫層就會(huì)設(shè)置較厚，熱橋效應(yīng)就會(huì)趨于明顯。在寒冷地區(qū)冬季室外溫度較低時(shí)，熱橋會(huì)造成額外的熱損失，而外保溫型復(fù)合墻體則避免這樣的問題，熱橋效應(yīng)由于采用外保溫復(fù)合墻體而得到了避免。所以在當(dāng)保溫材料厚度相同的情況下，采取外保溫復(fù)合墻體形式要比內(nèi)保溫復(fù)合墻體形式的熱量損耗減少約20%，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源目的。

2.5 便于舊建筑節(jié)能改造

目前，國內(nèi)許多既有村鎮(zhèn)住宅，依舊處于無外墻保溫層設(shè)置狀態(tài)，部分建筑外墻保溫效果差，耗能量大，冬季室內(nèi)墻體結(jié)露、發(fā)霉，居住環(huán)境差。而外墻外保溫措施可很好地用于已有建筑的墻體改造，與內(nèi)保溫相比，采用外保溫方式對(duì)既有建筑進(jìn)行節(jié)能改造，屋內(nèi)居民無須臨時(shí)搬遷，不影響用戶的室內(nèi)活動(dòng)和正常生活，而且一般還能夠統(tǒng)一提升建筑立面效果；同時(shí)，外保溫可減少保溫材料的用量，增加了房屋的室內(nèi)使用面積，且避免了房屋裝修過程中內(nèi)保溫層易遭破壞的現(xiàn)象。

3 外保溫復(fù)合墻體的節(jié)能計(jì)算

外墻體是建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)最重要的組成部分，外墻墻體不僅要抵御室外隨著晝夜和四季變化的氣溫，還要保證室內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定、平衡的溫度和濕度。因此，墻板保溫性能在一定程度上就決定了建筑系統(tǒng)整體的節(jié)能和保溫性能。

3.1 復(fù)合墻體傳熱系數(shù)的計(jì)算

根據(jù)傳熱學(xué)的知識(shí)可以得到復(fù)合墻體傳熱系數(shù)計(jì)算公式如式（1）所示：

其中，K為傳熱系數(shù)；Rl=1/αl為內(nèi)表面換熱熱阻；Re=1/αe為外表面換熱熱阻；αl，αe分別為內(nèi)外壁與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)；Ri=δi/λi為第i層材料的熱阻；δi為第i層的厚度；λi為第i層的導(dǎo)熱系數(shù)。

針對(duì)甘肅省天水市寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅，墻體尺寸為240 mm/370 mm厚度的黏土磚，外層鋪設(shè)相應(yīng)厚度的EPS苯板。內(nèi)外壁對(duì)空氣的對(duì)流換熱系數(shù)分別取為αl=8.7 W/（m2·K），αe=23.3 W/（m2·K）。外墻節(jié)能分析時(shí)主體構(gòu)造部分見表2。

表2 外墻復(fù)合墻體各部分量值

3.2 苯板厚度設(shè)計(jì)

在外墻外保溫構(gòu)造中，保溫材料EPS苯板的作用至關(guān)重要，當(dāng)苯板的厚度增加時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)墻體傳熱系數(shù)減小的目的，從而達(dá)到保溫效果。為了分析苯板厚度對(duì)傳熱系數(shù)的影響規(guī)律，圖2，圖3分別繪制了240 mm和370 mm磚墻厚下的傳熱系數(shù)隨EPS苯板厚度的變化曲線。對(duì)比圖2，圖3可知370 mm墻厚的傳熱系數(shù)要小于240 mm墻厚的傳熱系數(shù)，這說明了370 mm厚的復(fù)合墻體的保溫隔熱效果要優(yōu)于240 mm墻厚的保溫隔熱效果。并且從圖2，圖3均可以看出隨著EPS苯板厚度的增加，傳熱系數(shù)在隨之變小，當(dāng)EPS苯板厚度大于130 mm厚時(shí)，減小的幅度變小。這說明了實(shí)際工程中復(fù)合墻體的保溫隔熱效果隨著EPS苯板厚度的增加而增加，當(dāng)EPS苯板厚度增加到一定程度時(shí)，傳熱系數(shù)的變化并不明顯，即在實(shí)際工程中盲目的增加苯板的厚度實(shí)際上對(duì)墻體的保溫效果變化影響并不明顯。

圖2 240 mm厚磚墻復(fù)合墻體傳熱系數(shù)變化曲線

圖3 370 mm厚磚墻復(fù)合墻體傳熱系數(shù)變化曲線

為了確定不同墻厚下EPS苯板厚度的適宜值，圖4，圖5分別繪制了240 mm和370 mm磚墻厚下的傳熱系數(shù)變化率隨EPS苯板厚度的變化曲線。從圖4，圖5均可以看出隨著EPS苯板厚度的增加，傳熱系數(shù)變化率隨之減小并且逐漸趨近于0。對(duì)于240 mm和370 mm墻厚，當(dāng)EPS苯板厚度分別大于150 mm和130 mm時(shí)，傳熱系數(shù)變化率分別趨近于0，這說明了繼續(xù)增大苯板的厚度對(duì)保溫效果的增加意義不大。綜上所述，為了能起到良好的保溫隔熱效果并且避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失，在設(shè)置保溫層時(shí)EPS苯板的厚度不宜設(shè)置過厚。

圖4 240 mm厚磚墻復(fù)合墻體傳熱系數(shù)變化率曲線

圖5 370 mm厚磚墻復(fù)合墻體傳熱系數(shù)變化率曲線

4 外保溫復(fù)合墻體構(gòu)造做法

按照外墻所需節(jié)能效果，以達(dá)到對(duì)應(yīng)傳熱系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，可有多重材料組合，故而外墻外保溫系統(tǒng)種類多樣，農(nóng)宅外墻常用外墻外保溫系統(tǒng)一般為粘貼保溫板法。該法的保溫材料一般為：有機(jī)保溫材料多選用模塑聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS板）、擠塑聚苯板（XPS板）以及硬泡聚氨酯板（PUR板），無機(jī)保溫材料可選擇巖棉板或玻璃棉板等。

按保溫材料的不同，粘貼保溫板外保溫主要做法有：將聚苯板粘貼、釘掛在外墻外表面，覆以玻纖網(wǎng)布后用聚合物水泥砂漿罩面；將巖棉板粘貼并釘掛在外墻外表面后，覆以鋼絲網(wǎng)做聚合物水泥砂漿罩面，也可以把玻璃棉氈釘掛在墻外再覆以外掛板；固定件宜采用尼龍或不銹鋼釘，以避免銹蝕，粘貼保溫板外保溫系統(tǒng)構(gòu)造如圖6所示。

圖6 粘貼保溫板外保溫系統(tǒng)構(gòu)造

5 結(jié)論

本文對(duì)外保溫復(fù)合墻體的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了概述，然后基于傳熱學(xué)的相關(guān)知識(shí)，結(jié)合具體實(shí)例對(duì)農(nóng)宅外保溫復(fù)合墻體材料的節(jié)能性能進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明：

1）外保溫復(fù)合墻體具有技術(shù)合理以及施工簡單的優(yōu)越性，是主要的墻體保溫隔熱措施。

2）外保溫復(fù)合墻體可以提升建筑空間的舒適度以及結(jié)構(gòu)的耐久性，還可以改善墻體的潮濕情況以及避免熱橋現(xiàn)象的發(fā)生。

3）對(duì)寒冷地區(qū)農(nóng)宅進(jìn)行外保溫墻體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)腅PS苯板的厚度，并且考慮到適宜的經(jīng)濟(jì)成本，EPS苯板不宜設(shè)置過厚。

4）不同材質(zhì)的粘貼保溫板法外保溫復(fù)合墻體構(gòu)造做法可為寒冷地區(qū)農(nóng)宅外墻建造提供參考。