节能建筑材料的应用.pdf

第 30 卷第 9 期 西 南 大 学 学 报 自然科学版 2008 年 9 月 Vol130 No19Journal of Southwest University Natural Science Edition Sep 1 2008 文章编号 1673 9868 2008 09 0174 06 节能建筑材料的应用 廉 京 哲 延边大学 校区建设指挥部 吉林 延吉 133000 摘要 我国建筑能耗已占社会总能耗的 20 25 正逐步上升到 30 随着对节约建筑能源要求的不断提高 节能建筑材料的应用亦日益广泛 建筑节能材料的质量和性能及其发展是实现建筑节能的条件之一 因此对目前 主要使用的具有发展前景的建筑节能主墙体材料 外墙保温材料及门窗进行了分析 并总结了各自的性能及特点 旨在为建筑节能材料的选取提供的参考 关 键 词 建筑节能 节能材料 主墙体 外墙 门窗 中图分类号 TU5文献标识码 A 建筑能耗是建筑使用过程中所消耗的能量 是能源消耗中的重要部分 在社会总能耗中占着很大的比 例 目前我国建筑能耗已占社会总能耗的 20 25 正逐步上升到 30 1 目前我国的建筑节能状况与 发达国家相比有着明显差距 我国建筑能耗是气候条件相近的发达国家的数倍 如建筑采暖耗热量与气候 条件相近的发达国家相比较 外墙是发达国家的 4 5 倍 屋顶为 215 5 15 倍 门窗为 1 15 2 12 倍 总耗 能是 3 4 倍 2 发达国家从 20 世纪 70 年代开始推广建筑节能 取得了较为理想的效果 与发达国家比较 我国在建筑节能上的差距主要表现在建筑保温上的差距 我国北方住宅建筑 如果不采取保温节能措施 建筑物室内各部位能耗所占比重为 屋面热能损耗约为总能耗的 12 地面约为 5 门窗约为 40 外 墙最大 约为 43 我国建筑节能目标是到 2010年 全国新建建筑争取 1 3以上能达到绿色建筑和节能建 筑标准 全国城镇建筑的总耗能要实现节能 50 到 2020 年 全社会建筑的总能耗达到节能65 建筑节 能材料的质量和性能及其发展是建筑节能目标顺利实现的前提条件之一 而建筑节能材料的发展和质量的 提高将会进一步促进建筑节能的发展 在实现建筑节能的各个环节中首先应发展节能建筑材料 因此对目 前主流使用的 具有广阔发展前景的建筑节能材料的现状进行了分析 1 建筑节能主墙体材料 1 11 加气混凝土 是以粉煤灰或硅砂为主要原材料 加入水泥为胶结料 石灰 增钙 石膏等通过发泡成型 经高温蒸 压养护 切割 自然养护而成 硅砂加气混凝土可通过防锈处理的钢筋增强 经高温 高压蒸汽养护而制成 加气混凝土板材 块材 同类有发泡自养混凝土 据报道 加气混凝土自保温节能体系具有良好的保温隔 热和抗裂抗渗性能 3 达到了规范中节能指标的要求 具有很好的应用前景 加气混凝土砌块的制造能耗 低于烧结粘土砖的能耗 与相关材料相比 加气混凝土砌块密度小 不仅单位原材料用量少 具有节土的 优点 而且降低了运输能耗 加气混凝土砌块的传热系数小 具有的保温功能减少了建筑物使用空调系统 和采暖系统的能耗 同时加气混凝土砌块不仅可以用于民用建筑的外墙围护 内墙隔断 屋面 楼层 而且 收稿日期 2008 04 06 作者简介 廉京哲 1969 男 吉林延吉人 工程师 主要从事建筑材料及建筑施工管理的研究 可以用于工业厂房屋面和外墙 也可以作为4 层以下混合结构建筑的承重墙体 更是各类钢结构建筑的内 外墙最佳材料 因此加气混凝土砌块不仅可以代替烧结实心砖用于砌筑墙体 而且可以作为保温材料用于 节能建筑 是实现建筑节能经济有效的措施 4 粉煤灰加气混凝土产品自 20 世纪 70 年代起出现 但由于 墙体粉刷的空鼓 剥落和施工难度大等问题 给推广应用带来影响 国内经过多年研究 已成功研究并生 产推出专门用于该墙材的界面剂 增加底层与粉刷层粘结的砂浆添加剂等 为推广提供了技术保证 按5外 墙外保工程技术规程6 JGJ144 规定 加气混凝土不适应机械固定 EPS 钢丝网架板外墙外保温系统施工 1 12 模网混凝土 模网混凝土是由蛇皮网 加劲肋 折钩拉筋构成开敞式空间网架结构 向网架内浇混凝土制成 可广 泛应用于工业及民用建筑 水工建筑物 市政工程以及基础工程等 常用的建筑模网主要有钢筋网 钢丝 网 钢板网及纤维网等 但以各种建筑模网本身材质及规格尺寸不同而用于不同场合 如钢筋网主要用于 工厂预制各种规格混凝土大板 墙板 楼板等 纤维板主要是低碱玻璃 GRC 墙板 钢丝网主要用于非承重 构件 如泰伯板等 钢板网的最大特点是将钢板拉制成连续孔径为 7 15 mm 9 15 mm 的类蛇皮网孔 然后 在工厂制成三维空间网架 运抵现场组装浇注混凝土 构成模网混凝土 由钢板网构成的混凝土由于网本 身渗滤效应及环箍效应 显著提高力学性能 如抗压强度和抗震性能等 由高强钢丝焊接的三维空间钢丝 网架中填充阻燃型聚苯乙烯泡沫塑料芯板制成的网架板 既有木结构的灵活性 又有混凝土结构的高强度 和耐久性 5 具有轻质 节能 保温 隔热 隔音等多种优良性能 而且便于运输 组装方便 施工速度快 并能有效地减轻建筑物负荷 增大使用面积 是理想的轻质节能承重墙体材料网 1 13 混凝土多孔砖 混凝土多孔砖是以水泥为胶结材料 以砂 石等为主要集料 可以利用工业废渣 加水搅拌成型 养 护制成的一种多排小孔混凝土砖 主规格为 240 mm 115 mm 90 mm 空洞率为 30 以上 混凝土多孔 砖砌体房屋伸缩缝最大间距应对应国标规定强度值乘以 0 18 后采用 弹性模量 线膨胀系数 收缩率 摩 擦系数分别按 GB 50003 20015砌体结构设计规范6的混凝土砌块砌体采用 混凝土多孔砖砌体的重力密 度按 1 450 kg m 3 采用 地面以下或防潮层以下砌体应采用强度等级不小于 MU15 的混凝土实心砖 混凝 土多孔砖不应浇水砌筑 6 2004 年国家正式颁布5混凝土多孔产品标准6 JC 943 2004 混凝土多孔砖是 混合结构体系理想的承重墙材 现行5砌体结构设计规范6 GB 50003 5多孔砖砌体结构技术规范6 JGJ 137 5建筑抗震设计规范6 CB 50011 等相关规范 标准 可满足混凝土多孔砖建筑应用的设计与施工 混凝土多孔砖已成为承重结构体系的主导墙材在浙江 江西 上海 安徽省的黄山市等广泛应用 1 14 混凝土空心砖 是以水泥为胶结料 砂 石或轻集料为主要集料 粉煤灰为掺合料 经加水搅拌成型 自然养护而制成 的用于非承重墙体的 孔洞率不低于 40 的混凝土空心砖 混凝土空心砖有二 三 四排孔 容重等级为 800 1 400 kg m3 强度等级为MU 3 1 5 MU 7 15 MU 5 10 MU10 砖的相对含水率 40 干燥收缩率 为 0 1060 对于利用废渣类集料的混凝土空心砖 要求其碳化系数不低于 0 18 软化系数不小于 0 175 该 产品可制作多种规格以适应建筑工程应用需要 也可利用轻集料 废渣制成设计需要的低容重等级的轻质 墙材 可供框架填充墙外墙使用 7 混凝土空心砖采用矩形条孔既有利于孔洞布置 提高孔洞率 又有利 于保温隔热性能 混凝土空心砖孔洞的排列方式采用交错排列 延长了空心砖的热流路线 明显地提高了 墙体热阻 混凝土空心砖的孔壁厚度已接近工艺最小要求 孔洞空气层厚度为 27 15 mm 为使热阻值最大 的最佳值 将保温隔热性能好的轻质材料掺入混凝土空心砖中 提高墙体保温隔热性能效果更好 1 15 纳士塔 RASTRA 空心墙板承重墙体 纳士塔板是由聚苯乙烯 水泥 添加剂和水制成的隔热吸声水泥聚苯乙烯空心板构件经粘合组装成 的墙体 其内部构成为纵横上下左右相互贯通的孔槽 孔槽浇灌混凝土或穿插钢筋后再浇注混凝土 在 墙内形成刚性骨架 8 纳士塔板重量是同体积混凝土的 1 6 1 7 可减少对基础的荷载 节约建筑物基 础的投资 在同样的地基承载能力下 可增加建筑物的层数 纳士塔板无钢筋混凝土墙体的平均抗压强度 为2018 MPa 5 层楼以下的均不需要配筋 配钢筋混凝土墙体的平均抗压强度为 32 35 MPa 配钢筋混凝 175第 9 期 廉京哲 节能建筑材料的应用 土墙体柱的平均抗压强度为 36 40 MPa 纳士塔板导热系数只有 0 1083 W m K 保温隔热性能好 2 建筑节能外墙保温材料 2 11 岩 棉 岩棉是以精选的天然岩石如优质玄武岩 辉绿岩等为基本原料 经高温熔融 采用高速离心设备或其 他方法将高温熔体甩拉成非连续性纤维 岩棉纤维细长柔软 纤维长可达 200 mm 纤维直径为 4 7Lm 绝热 绝冷性能优良且具有良好的隔声性能 不燃 耐腐 不蛀 经憎水剂处理后其制品几乎不吸水 它的 缺点是密度低 性脆 抗压强度不高 耐长期潮湿性比较差 手感不好 施工时有刺痒感 目前 通过提高 生产技术 产品性能已有很大改进 虽可直接应用 但更多仍用于制造复合制品 岩棉外墙外保温是选用 岩棉板作为保温层 将其设置在外墙结构层的外侧 以达到墙体保温效果的一种建筑物保温系统 岩棉外 墙外保温系统在欧洲上世纪 70 年代末 80 年代初首先开始采用 经过 30 多年的发展和实践经验证明 岩棉 外墙外保温系统凭借其高透气性 高防火性能 高隔音吸声性能 得到越来越广泛的应用 9 它不仅用于 新建建筑的保温隔热 也广泛地用于既有建筑的节能改造 采用岩棉外墙外保温系统后 墙体的传热系数 下降 在冬季减少墙体热损失 在同等供热条件下 保温后比保温前室内空气温度及墙体内表面温度均有 所提高 到夏季 岩棉外墙外保温系统能减少太阳辐射的热传导 有效地降低太阳辐射和室外气温的综合 作用 使室内空气温度和墙体内表面温度得以降低 岩棉作为开放式多孔状结构的保温材料 孔隙率大 具有良好的透湿性 与 EPS XPS 等闭孔结构的建筑保温材料相比 外墙外保温用岩棉板的湿阻因子 U 一 般小于 1 而 EPS 板的湿阻因子 U 一般大于 40 XPS 板的湿阻因子 U 大于 200 2 12 聚苯乙烯泡沫塑料 聚苯乙烯泡沫塑料是以聚苯乙烯树脂为主要原料 经发泡剂发泡制成的内部具有无数封闭微孔的材 料 它的表观密度小 导热系数小 吸水率低 保温 隔热 吸声 防震性能好 耐酸碱 机械强度高 而且 尺寸精度高 结构均匀 因此在外墙保温中其占有率很高 但是 聚苯乙烯在高温下易软化变形 安全使用 温度为 70 e 最高使用温度为 90 e 防火性能差 不能应用于防火要求较高部位的外墙内保温 为了克 服单纯使用聚苯乙烯泡沫塑料的缺点 正致力于开发出新的聚苯乙烯复合保温材料 如水泥聚苯乙烯板 等 聚苯乙烯泡沫塑料板是以聚苯乙烯树脂为基料 加入一定剂量的含低沸点液体发泡剂 催化剂 稳定 剂等辅助材料 对可发性聚苯乙烯珠粒经加热预发泡后 在模具中加热而制得的一种具有微细密闭孔结构 的硬质聚苯乙烯泡沫塑料保温板 它的导热系数小 为01027 W m K 保温性能好 符合节能标准 经 在建筑中使用历经数个冬季的考验 均未见有返霜 结露现象 10 2 13 硬质聚氨酯泡沫塑料 硬质聚氨酯泡沫塑料是以聚合物多元醇 聚醚或聚酯 和异氰酸酯为主体材料 在催化剂 稳定剂 发泡 剂等助剂的作用下 经混合后发泡反应而制成各类软质 半软半硬 硬质的塑料 是具有优越的绝热性能的新 型高分子合成材料 是由聚氨醋形成封闭性微孔骨架 泡孔内充填着导热系数很低的发泡剂蒸汽的泡沫体 它 是具有容重小 导热系数低 不透水和耐腐蚀的优良隔热 防水材料 硬质聚氨酯泡沫塑料具有很低的导热 系数 其原因是泡沫在制造过程中形成的均匀致密的封闭泡孔中充填了发泡剂汽化产生的蒸汽 而其导热 系数为 0 10174 W m K 是空气导热系数的 3 倍 新制成的泡沫制品在当容重力为 30 kg m 3左右时 在室温下的导热系数为 0 10174 W m K 按硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数 01023 W m K 水泥 珍珠岩块的导热系数 0 112 W m K 计算 60 mm 厚硬质聚氨酯泡沫塑料的保温效果相当于 310 mm 厚 的水泥珍珠岩 这还是基于保温层处于设计状态下的对比 而实际上传统保温材料的吸水 吸湿性很强 难以保持干燥状态 从而使保温效果逐年降低 而硬质聚氨酯泡沫塑料硬泡不吸水 不吸湿 其优良的保 温隔热性能可保持 30 年不变 在实际应用中证明 当硬质聚氨酯泡沫塑料厚度为 80 mm 时 可保证在严 寒酷暑季节楼房顶层的室温与次顶层的室温温差不会超过 1 e 11 2 14 水泥聚苯板 块 水泥聚苯板是近年开发的轻质高强保温材料 是采用聚苯乙烯泡沫颗粒 水泥 发泡剂等搅拌浇注成型 176西南大学学报 自然科学版 投稿网址 http xbgjxt1 swu1edu1cn 第 30 卷 的一种新型保温板材 这种材料容量轻 强度高 破损少 施工方便 有韧性 抗冲击 还具有耐水 抗冻性 能 保温性能优良 实测表明 以 240 mm 砖墙复合 50 70 mm 厚水泥聚苯板 其热工性能可超过 620 mm 砖墙保温效果 但这种材料的容量 强度和导热系数之间存在着相互制约的关系 配比中各成分量的变化 对板材的性能都有显著的影响 由于板材的收缩变形 有些板材上墙后仍在收缩 板缝处理难度较大 如 果能较好地解决板缝裂缝问题 大面积推广应用前景看好 3 建筑节能门窗 3 11 门窗框扇材料 3 11 1 1 塑钢型材门窗框扇 塑钢型材框扇是以聚氯乙烯 PVC 树脂为主要原料 加上一定比例的高分子改性剂 发泡剂 热稳定 剂 紫外线吸收剂和增塑剂等挤出成型 然后通过切割 焊接或螺接的方式制成 再配装上密封胶条 毛 条 五金件等 超过一定长度的型材空腔内需要用钢衬 加强筋或细钢条 增强 本框扇比重轻 导热系数 低 保温性能好 耐腐蚀 隔声 防震 阻燃性能优良 但 PVC 塑料线膨胀系数高 窗体尺寸不稳定 影响 气密性 PVC 塑料冷脆性高 不耐高温 使得该类门窗材料在严寒和高温地区使用受到限制 而且PVC 塑 料刚性差 弯曲模量低 不适用于大尺寸窗及高风压场合 12 3 11 1 2 塑铝型材门窗框扇 塑铝型材框扇是在铝合金型材内注入一条聚酰胺塑料隔板 从而在铝合金型材内外侧之间形成有效隔 热层 使通过框或扇型材散失热量的途径被阻隔而达到高能效隔热目的 13 此种节能框扇由于聚酰胺塑料 隔板将铝合金型材隔断 形成冷桥 从而在一定程度上降低了窗体的导热系数 因而具有较好的保温性能 而且铝合金型材弯曲模量高 刚性好 适宜大尺寸窗及高风压场合使用 铝合金型材耐寒热性能好 使得 塑铝框扇可用在严寒和高温地区 而且在冬季温差 50 e 时门窗也不会产生结露现象 并且隔音性能保持 在39 dB 以上 但铝合金型材线膨胀系数较高 窗体尺寸不稳定 对窗户的气密性能有一定影响 铝合金型 材耐腐蚀性能差 适用环境范围受到限制 而且目前该类型材价格较高 较难普及 3 11 1 3 玻璃钢型材框扇 玻璃钢门窗是以玻璃纤维及其制品为增强材料 以不饱和聚酯树脂为基体材料 通过拉挤工艺生产出 空腹型材 经过切割 组装 喷涂等工序制成门窗框 再装配上毛条 橡胶条及五金件制成的门窗 玻璃钢 型材导热系数低 用玻璃钢型材制成的窗框热阻值远大于其他材料窗框的热阻值 具有低的线膨胀系数 且和玻璃及建筑主体的线膨胀系数相近 窗体尺寸稳定 门窗的气密性能好 玻璃钢窗体保温性能好 玻 璃钢型材对热辐射和太阳辐射具有隔断性 隔热性能好 而且弯曲模量较高 刚性较好 适宜较大尺寸窗 或较高风压场合使用 玻璃钢型材耐寒热 使得玻璃钢门窗可以广泛应用在严寒和高温地区 而且玻璃钢 型材重量轻 比强度高 隔音性能好 可随意着色 使用寿命长比普通 PVC 寿命长 是国家重点鼓励发展 的节能产品 3 12 建筑节能玻璃 3 12 1 1 热反射镀膜玻璃 热反射玻璃是节能涂抹型玻璃最早开发的品种 它是在平板玻璃表面镀覆单层或多层金属及金属氧化 物薄膜而成 该薄膜对光学有较好的控制性能 尤其是对阳光中红外光的反射具有节能意义 对太阳光有 良好的反射和吸收能力 可明显减少太阳光的辐射能向室内的传递 保持稳定室内温度 因此可以节约能 源 14 在夏季光照强的地区 热反射玻璃的隔热作用十分明显 可有效衰减进入室内的太阳热辐射 但不 适用于寒冷地区 因为这些地区需要阳光进入室内采暖 15 3 12 1 2 低辐射镀膜玻璃 低辐射镀膜玻璃又称 Low E 玻璃 在建筑上的广泛应用是 20世纪 90 年代在欧美发达国家开始的 它 具有反射远红外的性能 按生产方法 可分为在线 Low E 玻璃和离线 Low E 玻璃 在线 Low E 玻璃的特 点是可以直接在空气中使用 可以钢化 热弯 可以长期保存 它的缺点是热学性能比较差 比离线溅射法 177第 9 期 廉京哲 节能建筑材料的应用 生产的Low E 玻璃的 U 值差近一半 窗玻璃的绝热性能指标U 值和玻璃的辐射率有直接关系 U 值越低 通过玻璃的传热量越低 窗玻璃的传热性能越好 低辐射镀膜玻璃可以阻挡高温场向低温场的热流辐射 既可以防止夏季热能入室 也可以防止冬季热能泄露 16 由于低辐射玻璃所具有的双向节能效果 无论在 寒带 热带或是温带都可以用做节能窗玻璃或幕墙玻璃 3 12 1 3 吸热玻璃 吸热玻璃从 20 世纪 80 年代起开始逐步推广使用 其节能原理是通过吸收阳光中的红外线使透过玻璃 的热能衰减 在我国城乡到处可以见到吸热玻璃的应用 但是大多数使用者并非出于节能目的 而仅仅关 注了玻璃的色彩效果 造成最重要的节能功能没有很好发挥 近年美国PPG 公司对吸热玻璃做了进一步研 发 提高吸热玻璃的红外吸收率 同时降低了它的可见光吸收率使这种 超吸热玻璃0具有更高的可见光透 过率和红外吸收率 在提高节能效果的同时降低了色污染的负面影响 目前对太阳能吸收率可达到 60 左 右 可见光透过率在 70 左右比普通吸热玻璃提高近一半 上述 3 种活动节能机理都是基于阻挡热能辐射 流动的思路 还有一类节能玻璃是基于降低热传导的思路 如中空玻璃 真空玻璃等双层玻璃品种 利用 两层玻璃间的空气或真空 降低结构的传热系数达到保温的目的 3 12 1 4 泡沫玻璃 泡沫玻璃是以废弃玻璃或者富含玻璃相的物质为主要原料 添加适当的发泡剂 改性剂和促进剂等 通过超细粉碎和均匀混合形成混合料 再经溶化 发泡 退火形成的一种有无数均匀封闭气泡的多孔玻璃 材料 它具有密度小 导热系数小 阻燃 耐腐蚀 绝热和隔声性能好等特点 因而它是石化和冷库的隔热 保温材料 高层建筑的隔热材料 同时也是良好的环境吸声材料 泡沫玻璃作为外墙体外保温隔热材料 可以有效减小墙体厚度 减轻建筑结构质量 扩大使用面积 17 3 12 1 5 中空玻璃及复合玻璃 中空玻璃是由 2 片或 3 片玻璃与空气层组合而成 具有优良的保温隔热与隔声特性 在国外建筑中已 大量应用 而在国内由于材料价格高导致造价高 进而限制了应用 当在密封的两片玻璃之间形成真空时 从而使玻璃与玻璃之间的传导热接近于零 即为真空玻璃 真空玻璃是目前节能效果最好的玻璃 同时真 空玻璃的单片一般至少有一片是低辐射玻璃 低辐射玻璃可以减少辐射传热 这样通过结合真空玻璃和低 辐射玻璃优点 其对流 辐射和传导都很少 节能效果非常好 比普通中空玻璃节约能源 18 是目前节 能效果理想的玻璃材料 但目前国内尚未形成规模生产能力 18 邹高禄 19 分析了中国过去 20 年间国内生产总值 GDP 增长对建筑业增长的影响 发现中国建筑业与 GDP 之间有长期稳定的均衡增长关系 因此长远来看 建筑业会随着整体经济增长而发展壮大 而许秀川 等 20 报道 重庆市第二产业的能源消费随其增加值增长 长期趋于不断上升 总之 建筑节能关系整个社会的可持续发展 大力推广节能建筑对于合理利用有限的资源和能源 降 低大气污染 改善人居环境有着重要的意义 建筑节能与节能建筑材料密切联系 因此应密切关注国外新 型节能建材的发展动向 加强新型节能建筑材料的开发和利用 使建筑节能效果不断提高 满足更加严格 的建筑节能要求 从而真正实现建筑节能 参考文献 1 赵修建 从功能建筑玻璃到建筑节能及其它 J 功能材料信息 2007 4 3 8 13 2 郭 宏 敏 芳 建筑节能与外墙保温技术 J 山西建筑 2007 33 22 6 7 3 陈 东 加气混凝土自保温节能体系的研究与实践 J 福建建筑 2007 6 58 60 4 陈凯宇 李绍宏 几种新型墙体材料的节能探讨 J 山西建筑 2007 33 16 253 254 5 Rossignolo J A Marcos V C Durability of Polymer Modified Lightweight Aggregate Concrete J Cement and Concrete Composites 2004 26 5 375 380 6 张发生 陈光辉 混凝土多孔砖砌体试验分析及应用技术研究 J 墙材革新与建筑节能 2006 9 51 53 7 章茂林 新型墙材及保温材料在民用建筑节能中的应用 J 建材研究与应用 2007 4 161 166 8 张良纯 绿色多功能建筑体系技术一一纳士塔建筑体系 J 上海建材 2005 3 20 21 178西南大学学报 自然科学版 投稿网址 http xbgjxt1 swu1edu1cn 第 30 卷 9 王佳庆 岩棉外墙外保温技术研究 J 保温材料与节能技术 2007 3 11 15 10 孙莉颖 巧用聚苯乙烯泡沫塑料作建筑隔热保温材料 J 广东橡胶 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