【學(xué)習(xí)】三種保溫材料均可作為被動(dòng)式低能耗建筑的外墻保溫結(jié)構(gòu)，你知道嗎？
【學(xué)習(xí)】三種保溫材料均可作為被動(dòng)式低能耗建筑的外墻保溫結(jié)構(gòu)，你知道嗎？
建筑能耗占社會(huì)總能耗比例在 30% 左右 [1]，降低建筑能耗對(duì)于社會(huì)綠色可持續(xù)發(fā)展有重要意義。在此背景下德國(guó) Feist 教授提出的被動(dòng)式低能耗建筑理念，對(duì)于降低建筑能耗、減輕環(huán)境污染具有極大的積極作用。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，被動(dòng)式低能耗建筑采暖 / 制冷需求為 15W/(m²a)，相較傳統(tǒng)建筑其能耗明顯降低 [2]。
降低建筑能耗關(guān)鍵在于降低建筑與環(huán)境之間的熱量耗散，而外墻處熱量耗散在建筑整體熱量耗散中占比最大，改善外墻的保溫措施可以明顯提高建筑節(jié)能效果。目前外墻保溫多采用多孔材料，是指多孔固體骨架構(gòu)成的孔隙空間中充滿單相或多相介質(zhì)，固體骨架遍及多孔介質(zhì)所占據(jù)的體積空間，孔隙空間相互連通，其內(nèi)的介質(zhì)可以是氣相流體、液相流體或氣液兩相流體 [1, 3]。其孔隙處水分的蒸發(fā)-冷凝過(guò)程，會(huì)對(duì)材料的保溫性能產(chǎn)生明顯影響，并可能對(duì)材料造成結(jié)構(gòu)性破壞，故需要對(duì)保溫材料內(nèi)部冷凝問(wèn)題進(jìn)行研究。
本文以成都、北京、哈爾濱代表三種典型的冬冷氣候條件，研究單層巖棉條結(jié)構(gòu)和巖棉條-石墨聚苯板雙層結(jié)構(gòu)作為被動(dòng)式低能耗建筑外保溫結(jié)構(gòu)時(shí)，在三種典型氣候條件下的冬季內(nèi)部冷凝問(wèn)題，保溫層厚度根據(jù)《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則 ( 試行 )》中對(duì)外墻傳熱系數(shù)的要求確定，為巖棉條和石墨聚苯板作為被動(dòng)式低能耗建筑外墻保溫材料提供設(shè)計(jì)參考依據(jù)。
一、分析方法及設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)
1 保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)部冷凝問(wèn)題分析方法
根據(jù)傅里葉定律計(jì)算第三類邊界條件下一維無(wú)熱源熱傳導(dǎo)過(guò)程中各交界面溫度公式如下：
其中 q 為熱流強(qiáng)度，Tin、Tout 分別為室內(nèi)室外溫度，hin、hout 分別為室內(nèi)外墻壁處換熱系數(shù)，n 為外墻保溫板層數(shù)，從 1 開始計(jì)數(shù)，δi 為第 i 層保溫板厚度，λi為第 i 層保溫板導(dǎo)熱系數(shù)，ai 為第 i 層保溫板導(dǎo)熱系數(shù)的修正系數(shù)，Tj 為第 j 界面溫度，從 1 開始計(jì)數(shù)。
根據(jù)各界面溫度計(jì)算結(jié)果可進(jìn)一步獲得該界面處飽和蒸汽壓 ps，即為該溫度下所能蘊(yùn)含的水蒸氣最大量。
根據(jù) Galser 提出的穩(wěn)態(tài)蒸汽滲透模型 [4,5] 計(jì)算水蒸氣一維無(wú)源滲流過(guò)程中各界面的水蒸氣壓力公式如下：
其中 Pin、Pout 分別為室內(nèi)室外水蒸氣分壓力，可根據(jù)室內(nèi)外溫度及相對(duì)濕度計(jì)算得到，μi 為第 i 層保溫板水蒸氣滲透系數(shù)，Pj 為第 j 界面水蒸氣分壓力。
如果界面處水蒸氣分壓力計(jì)算值大于該界面處飽和水蒸氣分壓力，則表明該界面處水蒸氣出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象時(shí)，根據(jù)公式 (4)、公式 (5) 計(jì)算冷凝界面的冷凝強(qiáng)度和保溫層材料重量濕度增量。
其中 ωj 為 j 界面的冷凝強(qiáng)度，Pj-1、Pj+1 分別為 j-1、j+1 界面的實(shí)際水蒸氣分壓力，Pj.s 為 j 界面飽和蒸汽壓，δj-1、δj 分別為 j-1、j 層保溫板厚度，μj-1、μj 分別為j-1、j 層保溫板水蒸氣滲透系數(shù)，?ω 為保溫層材料重量濕度增量，Z 為采暖期天數(shù)，ρi 為保溫材料密度。
2 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)
通過(guò)分析方法可知，設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中需要確定室內(nèi)外溫度、相對(duì)濕度、內(nèi)外墻面換熱系數(shù)，可根據(jù)GB50176-2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[5] 附錄 A 選取三個(gè)城市的冬季室外氣象參數(shù)，根據(jù)附錄 B 選取墻面換熱系數(shù)；依據(jù)《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則 ( 試行 )( 居住建筑 )》[6] 的規(guī)定，選取三個(gè)城市的外墻傳熱系數(shù)，作為設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層厚度的依據(jù)，具體內(nèi)容見(jiàn)表1。
表 1 三個(gè)典型城市冬季室內(nèi)外氣象參數(shù)和熱工設(shè)計(jì)參數(shù)
3 材料物理性質(zhì)
本研究中所選取的材料種類及其物理性質(zhì)見(jiàn)表 2，其中巖棉條和石墨聚苯板的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，是圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫的關(guān)鍵材料；但是巖棉條蒸汽滲透系數(shù)較高，不利于防止水蒸氣滲透，石墨聚苯板水蒸氣滲透系數(shù)較低，有利于防止水蒸氣滲透。
表 2 保溫材料基本物理性質(zhì)
二、計(jì)算與分析1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)具體構(gòu)造及熱工性能
圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造中，非關(guān)鍵保溫材料厚度依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[7] 和國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集 16J908-8《被動(dòng)式低能耗建筑 - 嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑》[8] 確定，其中鋼筋混凝土厚度200mm，聚合物抗裂砂漿厚度 5mm。
依據(jù)《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則(試行)(居住建筑 )》[6] 中對(duì)外墻傳熱系數(shù)的要求設(shè)計(jì)關(guān)鍵保溫材料的厚度。對(duì)于單層巖棉條結(jié)構(gòu)，僅需計(jì)算巖棉條厚度；對(duì)于巖棉條-石墨聚苯板雙層結(jié)構(gòu)，按照 GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[9] 的要求，巖棉條厚度設(shè)為50mm，僅需計(jì)算石墨聚苯板的厚度。
設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果如表 3 所示，進(jìn)而可計(jì)算出各層材料的熱阻、蒸汽滲透阻及圍護(hù)結(jié)構(gòu)總熱阻、總蒸汽滲透阻，如表 4 所示。可見(jiàn)，在寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)，由單層巖棉條結(jié)構(gòu)構(gòu)成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，巖棉條的厚度均已超過(guò) 300mm；而石墨聚苯板的加入有利于減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)總厚度，在三種典型氣候區(qū)，由巖棉條-石墨聚苯板雙層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，關(guān)鍵保溫材料總厚度均小于 300mm。
表 3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及分層熱阻和蒸汽滲透阻
表 4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)總厚度、總熱阻及總蒸汽滲透阻
為了便于分析說(shuō)明，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)界面由內(nèi)向外依次編號(hào)，如圖 1 所示。
圖 1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)界面劃分示意圖
圖 2 單層巖棉條結(jié)構(gòu)飽和蒸汽壓及實(shí)際蒸汽壓分布
2 飽和蒸汽壓和實(shí)際蒸汽壓分布
根據(jù)冬季室內(nèi)外溫度Tin、Tout 和公式（1）、公式（2），確定兩種圍護(hù)結(jié)構(gòu)各界面溫度Tw，通過(guò)查 GB50176-2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[5] 附錄 B8 可得各界面飽和水蒸氣分壓力 Ps。再根據(jù)冬季室內(nèi)外相對(duì)濕度 fin、fout確定冬季室內(nèi)外實(shí)際水蒸氣分壓力，進(jìn)而通過(guò)公式（3）得到兩種圍護(hù)結(jié)構(gòu)各界面實(shí)際水蒸氣分壓力 Pj。將 Tw、Ps 和 Pj 的計(jì)算結(jié)果繪制成圖表，如圖 2 和圖 3 所示。
三、結(jié)論
（1）在外墻傳熱系數(shù)相同的情況下，石墨聚苯板的加入有利于減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)總厚度；
（2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的排序?qū)?nèi)部冷凝現(xiàn)象有明顯影響，最容易出現(xiàn)冷凝的界面位于關(guān)鍵保溫材料低溫側(cè)，故應(yīng)在保溫材料前加入蒸汽滲透阻高的材料，有利于降低冷凝現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性；
（3）在滿足被動(dòng)式低能耗建筑外墻傳熱系數(shù)要求的情況下，由單層巖棉條結(jié)構(gòu)和巖棉條-石墨聚苯板雙層結(jié)構(gòu)構(gòu)建的被動(dòng)式低能耗建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在三種典型氣候區(qū)冬季時(shí)，均未出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象；
圖 3 巖棉條 - 石墨聚苯板雙層結(jié)構(gòu)飽和蒸汽壓及實(shí)際蒸汽壓分布
（4）從內(nèi)部冷凝角度分析，單層巖棉條結(jié)構(gòu)和巖棉條-石墨聚苯板雙層結(jié)構(gòu)均可作為被動(dòng)式低能耗建筑的外墻保溫結(jié)構(gòu)。
參考文獻(xiàn)
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[8] 16J908-8 被動(dòng)式低能耗建筑 - 嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑 [S].
[9] GB50016-2014 建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范 [S].
來(lái)源：被動(dòng)房網(wǎng)
