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2018

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行業資訊 ｜ 預制混凝土夾心保溫外牆闆熱橋影響解讀（一）

作(zuò)者：

近幾年來，預制混凝土夾心保溫外牆闆（以下簡稱夾心保溫外牆闆）技(jì )術開始在國(guó)内興起并迅速普及，保溫拉接件是制作(zuò)夾心保溫外牆闆的關鍵産(chǎn)品。拉結件在與内、外葉牆闆混凝土共同工(gōng)作(zuò)時，除了要求具(jù)有(yǒu)足夠的承載能(néng)力和耐久性能(néng)以外，還需要具(jù)有(yǒu)很(hěn)低的導熱系數，以降低外牆闆熱橋的影響。常用(yòng)的保溫拉接件有(yǒu) GFRP 拉結件和金屬拉結件兩類，它們對外牆闆的熱橋影響也有(yǒu)很(hěn)大的差異。

 

經常有(yǒu)技(jì )術人員提出“拉結件的截面積很(hěn)小(xiǎo)，因此熱橋影響可(kě)以忽略不計”和“南方地區(qū)不需要夾心保溫外牆”的觀點，這是真的嗎？筆(bǐ)者結合美國(guó)的研究資料，以及國(guó)内的相關檢測報告，分(fēn)析金屬和非金屬保溫拉結件熱橋對外牆闆損失率問題，以及怎樣從技(jì )術上消除熱橋，實現本質(zhì)上的節能(néng)。

 

01熱量傳遞和熱橋的基本概念

 

1. 熱傳導的方式

 

熱傳導有(yǒu)傳導、對流、輻射（包含反射）三種方式。在建築中(zhōng)，室内外的能(néng)量交換過程，主要通過建築的外圍護表面完成，并且三種方式同時存在，這就對建築外圍護提出了一定的技(jì )術要求，如屋頂、外牆、門窗的密閉性、隔熱性、熱輻射性等。随着城市建築越來越高，外牆和門窗所占的建築表面積超過了 80%，而外牆所占比例又(yòu)很(hěn)大，成為(wèi)建築熱量交換的主要媒介，且主要以傳導方式為(wèi)主，因此，提高建築外牆的熱阻值（或降低外牆的熱傳導系數）可(kě)以阻止和減緩建築室内外的熱交換。

人類在室内生活工(gōng)作(zuò)的适合溫度為(wèi)16℃~25℃左右，當夏天溫度較高和冬季溫度較低時，為(wèi)了保持室内的舒适性，往往需要輸入能(néng)量進行制冷和供暖來調節溫濕度。如果外牆的保溫或隔熱性能(néng)不好，就會提高建築能(néng)耗。據統計，我國(guó)建築消耗了社會能(néng)源的45%左右，節能(néng)空間很(hěn)大，提高牆體(tǐ)的熱阻對于建築節能(néng)意義重大。

 

2. 牆體(tǐ)傳熱性能(néng)熱工(gōng)指标之間的關系

 

在民(mín)用(yòng)建築的外牆節能(néng)中(zhōng)，牆體(tǐ)的傳熱系數是衡量保溫隔熱性能(néng)的關鍵指标之一，不同的材料具(jù)有(yǒu)不同的導熱系數，材料導熱系數越低表示在材料中(zhōng)熱量傳遞越緩慢，一般來說外牆都是由多(duō)層不同的材料構成，因此牆體(tǐ)的傳熱性能(néng)用(yòng)傳熱系數或者熱阻值指标來衡量（傳熱系數 K 與熱阻值 R 成反比），R 值越高（K 值越低）代表保溫隔熱性能(néng)越好。相反地，R 值越低（K 值越高）代表保溫隔熱性能(néng)越差，建築工(gōng)程在外牆節能(néng)上的投入，可(kě)以理(lǐ)解為(wèi)花(huā)錢提高牆體(tǐ)的熱阻，是為(wèi)了創造長(cháng)期的節能(néng)效益；在各層牆體(tǐ)所用(yòng)材料和構造的厚度确定以後，牆體(tǐ)的傳熱系數和熱阻值可(kě)以通過計算獲得，其傳熱性能(néng)指标也可(kě)以通過實驗進行檢測。

 

3. 熱橋的概念

 

在實際工(gōng)程中(zhōng)，由于建築構造的要求，牆體(tǐ)由多(duō)種不同材料的層片組成，如承重層、保溫層、裝(zhuāng)飾層組合成為(wèi)一道牆體(tǐ)，多(duō)層構造之間需要通過拉結件（或稱為(wèi)“連接器”）進行連接。如果室外懸挑陽台和空調闆等需要伸入到室内才能(néng)獲得受力的支撐，就會穿過牆體(tǐ)的保溫層，穿過的部位就成為(wèi)聯通室内外的“橋”，盡管保溫層隔絕了大部分(fēn)的室内外構造，提高了牆體(tǐ)的熱阻，但是這些“橋”就成為(wèi)了室内外熱量交換的熱橋。局部的熱橋就像一個裝(zhuāng)水的玻璃杯上被開了孔洞一樣，會使水流幹，隻是牆體(tǐ)中(zhōng)熱橋的存在所導緻的能(néng)量流失過程難于直接觀察，也難以分(fēn)析計算和檢測，因此很(hěn)容易被人忽視，事實上對牆體(tǐ)的熱工(gōng)性能(néng)影響很(hěn)大。

熱橋的存在不但會降低牆體(tǐ)的熱阻，導緻長(cháng)期的能(néng)耗損失，同時在一定溫差和濕度條件下，會導緻室内空氣中(zhōng)的水分(fēn)冷凝結露，甚至結霜，導緻黴菌生長(cháng)，不利于影響室内環境健康，因此在建築設計時，應該重視外牆熱橋的治理(lǐ)。

 

02拉結件的導熱性能(néng)對夾心保溫外牆闆熱工(gōng)性能(néng)的影響研究

 

到底熱橋對于夾心保溫外牆闆的熱工(gōng)性能(néng)有(yǒu)多(duō)大影響？這是很(hěn)多(duō)工(gōng)程師普遍關心的問題，筆(bǐ)者收集了兩組試驗檢測資料，通過對比也許可(kě)以給我們一些啓發。一組是來自中(zhōng)國(guó)建科(kē)學(xué)研究院國(guó)家建築工(gōng)程質(zhì)量監督檢驗中(zhōng)心的兩份檢測報告，檢測報告的編号分(fēn)别為(wèi)“BETC-JN1-2007-161”和“BETC-JN1-2017-00141”，這兩份報告為(wèi)分(fēn)别采用(yòng)美國(guó)Thermomass的GFRP拉結件和國(guó)内某企業不鏽鋼拉接件的夾心保溫外牆闆熱阻值測試值；另一組檢測試驗來自于美國(guó)Oak Ridge國(guó)家實驗室建築技(jì )術中(zhōng)心對于不同拉結件和熱橋的夾心保溫外牆闆進行試驗研究，報告日期為(wèi)2001年10月26日。

 

1.GFRP拉結件和不鏽鋼拉結件夾心保溫外牆闆熱阻值檢驗結果

 

北京萬科(kē)是國(guó)内首家在裝(zhuāng)配式建築中(zhōng)采用(yòng)夾心保溫外牆闆的企業，為(wèi)了保證項目滿足節能(néng)要求（北京的節能(néng)标準50%），拉結件供應商(shāng)在中(zhōng)國(guó)建築科(kē)學(xué)研究院國(guó)家建築工(gōng)程質(zhì)量監督檢驗中(zhōng)心對夾心保溫外牆闆的熱工(gōng)性能(néng)進行檢驗，并取得了編号為(wèi) BETC-JN1-2007-161的檢驗報告（圖1），該檢驗采用(yòng)1000mmx980mm的試驗牆闆，牆身構造為(wèi)60mm厚鋼筋混凝土 +50mm厚 XPS保溫 +60mm厚鋼筋混凝土。

 

兩層牆闆混凝土之間用(yòng)6隻MS50型Thermomass的GFRP保溫拉接件連接，牆身構造如（圖2）。根據編号“BETC-JN1-2007-161”報告的檢驗結果，其檢驗結論為(wèi)“砌體(tǐ)熱阻=1.7（m 2 .K/W），傳熱系數 =0.54（W/m 2 .K）”。

 

國(guó)内某企業采用(yòng) 4 隻直徑 8mm 的不鏽鋼保溫拉接件，制作(zuò)了相同的夾心保溫外牆闆，同樣在中(zhōng)國(guó)建築科(kē)學(xué)研究院國(guó)家建築工(gōng)程質(zhì)量監督檢驗中(zhōng)心檢驗，取得編号 BETC-JN1-2017-00141（圖 3）的檢驗報告，該檢驗采用(yòng) 980mmx980mmx300mm 的夾心保溫外牆闆，構造為(wèi)200mm 厚鋼筋混凝土 +50mm 厚 XPS 保溫闆 +50mm 厚鋼筋混凝土”，兩層牆闆混凝土之間用(yòng) 4 隻直徑 8mm 的不鏽鋼（金屬）拉結件連接。

 

 

根據“BETC-JN1-2017-00141”檢驗報告，檢驗結論為(wèi)“所送檢驗品傳熱系數為(wèi)0.70（W/m 2 .K）”。該報告沒有(yǒu)給出牆闆的熱阻值。

 

2. 對金屬和GFRP材料拉結件熱橋損失率的分(fēn)析

 

衆所周知，GFRP是由玻璃纖維和高分(fēn)子樹脂制成的複合材料，其導熱性能(néng)介于玻璃和塑料之間，導熱系數為(wèi)0.4W/m.K左右，不鏽鋼材料的導熱系數為(wèi)17W/m.K左右，兩者的熱導率相差 40 倍左右，因此不鏽鋼拉結件的傳熱會明顯高于 GFRP 拉結件，其熱橋效應不容忽視。

 

普通鋼材的導熱系數更是高達50W/m.K左右，因此更不能(néng)用(yòng)作(zuò)制造保溫拉接件的材料。

 

 

對比兩個實驗報告的測試數據（表一）可(kě)以發現，雖然采用(yòng)不鏽鋼拉接件的牆闆比GFRP 拉結件的牆闆混凝土厚度增加了 80mm，且拉結件的截面積少了 1/3，但是由于不鏽鋼的熱導率很(hěn)高，牆闆的傳熱系數比 GFRP 夾心保溫外牆闆增大了 29.6%，差異非常之大。

這就意味着，盡管不鏽鋼拉接件的截面積隻有(yǒu)夾心保溫外牆闆面積的 0.02%，但是由于不鏽鋼熱橋的存在，牆闆的熱工(gōng)性能(néng)下降了30%之多(duō)，這似乎很(hěn)難讓人理(lǐ)解。大多(duō)數的人都會認為(wèi)：保溫材料隻是被拉結件占去了不到 0.02% 的面積，熱橋的損失應該也是在 0.02% 左右，那麽前面實驗報告的結論應該怎麽解釋？其實道理(lǐ)很(hěn)簡單，用(yòng)保溫材料來隔絕熱量交換，類似于我們用(yòng)杯子盛水一樣，熱橋就相當于在底部開了“小(xiǎo)孔”，由于水流損失是持續的，即使小(xiǎo)孔的面積不到杯子表面積的 1%，也可(kě)以讓杯子裏面的水流光。而且牆闆混凝土的表面積很(hěn)大，擴大了熱橋與空氣進行熱交換的面積，進一步加速了熱量的流失，東北諺語“針尖大的洞，鬥大的風”說的就是這一現象。

從這一檢測結果對比情況看，如果在夾心保溫外牆闆的各層構造厚度基本相同的情況下，采用(yòng)不鏽鋼保溫拉結件，比 GFRP 的熱工(gōng)性能(néng)下降了 30%，在國(guó)内對建築節能(néng)要求越來越高的情況下，這 30% 的節能(néng)差距不容小(xiǎo)觑。

 

3. 美國(guó)試驗研究的簡介

 

美國(guó) Oak Ridge 國(guó)家實驗室建築技(jì )術中(zhōng)心在 2001 年對不同構造的夾心保溫外牆闆進行了熱工(gōng)性能(néng)檢測，用(yòng)于研究牆體(tǐ)熱性能(néng)受連接牆體(tǐ)兩層混凝土的金屬或者纖維複合連接器影響，并發布了研究報告（圖 5）。該試驗研究一共制作(zuò)了5塊夾心保溫外牆闆，對其中(zhōng)的5塊測試牆闆進行了穩态檢測，并對3塊牆闆進行了動态檢測，形成了系列檢測數據，簡述如下。

 

 

（1）牆闆的構造和連接情況簡介

 

根據 Oak Ridge 國(guó)家實驗室建築技(jì )術中(zhōng)心的試驗報告，在一系列的對比試驗檢測中(zhōng)，共使用(yòng)了 5 塊測試牆闆試件，1 # ~4 # 測試牆闆均由兩層混凝土層中(zhōng)間夾一層絕熱闆組成。兩個混凝土層分(fēn)别由 GFRP 拉結件、金屬拉結件或混凝土肋穿過保溫層進行連接，測試牆闆的尺寸均為(wèi) 2590mmx2970mm，測試用(yòng)熱箱的尺寸為(wèi)2440mmx2440mm。

 

其中(zhōng) 1 # ~4 # 測試牆闆包括兩個 3 英寸（約 76mm）厚的混凝土層，中(zhōng)間夾一個 2 英寸（約 50mm）厚的擠塑混凝土絕熱闆，6# 測試牆闆的保溫層由 2 英寸和 6 英寸的混凝土組成，保溫由 6 英寸厚的黑色聚苯顆粒保溫闆（EPS）和 1/2 英寸厚的藍色擠塑苯闆（XPS）組成，并且在藍色擠塑闆的兩個表面均附加了粘合聚苯烯膜（防潮層）。

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