深圳地区气候条件下外墙外保温技术的可行性研究.doc

深圳地区气候条件下外墙外保温技术的可行性研究胡达明1，2 叶青1 丁力行2 卜增文1(1.深圳市建筑科学研究院研发中心、深圳市建筑节能重点实验室，深圳 518055；2.中南大学土木建筑学院，长沙 410075)摘要：通过分析深圳建筑节能形势，论述了外保温技术在深圳地区推广的必要性。并基于深圳气候特点，重点针对气温、降雨和风环境进行比较分析，进而提出在该地区推广外保温技术所要考虑的问题，并给出了相应的改进措施。关键词：外保温 复合墙体 气候条件 可行性Research on the Feasibility of Exterior Thermal Insulation System in Shenzen Based on Meteorological ConditionsHu Da-ming1,2，Ye Qing1，Ding Li-xing2，Bu Zeng-wen1(1. Shenzhen Institute of Building Research, Shenzhen Key Laboratory for Building Energy Efficiency, Shenzhen 518055, China；2. Central South University, Changsha 410075,China)Abstract After analyzed the situation of building energy efficiency in Shenzen, the necessity of adoption Exterior Thermal Insulation System was discussed. Then put forward some problems about the adoption of Exterior Thermal Insulation System according to the meteorological conditions including temperature, precipitation, and wind in this particular region. And then followed with some suggestions when applying this technology.Keywords Exterior Thermal Insulation System, compound wall, meteorological conditions, feasibility深圳是全国最早改革开放的地区，目前深圳综合经济实力已经跃居全国大中城市前列，成为我国重要的区域性经济中心城市。虽然深圳市经济比较发达，但是深圳市的建筑能耗状况仍不容乐观。其现代住宅建筑、公共建筑、商业建筑的大量增加和空调的普遍应用，使建筑能耗大大增加。深圳市空调电耗占全市用电量的1/3，深圳的电力供应紧张局面已成为制约经济高速发展的重要因素，严重影响深圳市的投资环境和市民生活。1. 围护结构节能现状为了更好地贯彻国家有关建筑节能的方针，改善居住建筑热环境，提高空调的能源利用效率，实现节约能源，保护环境，实现提高人民生活质量的现代化目标。在2003年10月，夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准和深圳市居住建筑节能设计规范同时颁布，并从2004年10月开始，在新设计和改建的居住建筑中强制执行。2005年4月4日，公共建筑节能设计标准颁布，并于7月1日开始实施。在居住建筑节能两个标准中，对建筑围护结构的传热系数都有明确的要求，前者要求外墙体传热系数K1.5W/m2K，后者要求虽然放宽为K2.0 W/m2K，但是增加了对窗户遮阳系数的要求。而前不久颁布实施的公共建筑节能设计标准也对建筑外墙传热系数作出了明确的规定：K1.5W/m2K。深圳绝大多数建筑的围护结构热工性能差，传热系数与气候接近的工业发达国家地区相比，外墙为他们的3.54.5倍，提高外墙热工性能已经刻不容缓。深圳市住宅建筑的外墙构造一般为：内喷涂+1015mm水泥砂浆+主体部分+1520mm防水水泥砂浆+贴外墙面砖或外喷涂，总厚度在200mm左右，无保温层。框架剪力墙的墙体为100%的钢筋混凝土；短肢剪力墙的墙体承重墙为钢筋混凝土，非承重墙为加气混凝土砌块或砖墙。其外墙的传热系数K多集中在2.32.8W/m2K范围内。对于深圳传统的墙体材料，如普通的240厚黏土实心砖K2.2 W/m2K左右，而且已经禁用；190厚普通混凝土空心砌块K2.8W/m2K左右；至于钢筋混凝土墙，其传热系数就更大了，远远达不到节能标准的要求。所以这些传统建筑墙体材料如果单独使用，无法满足节能规范的需要。因此，寻找到满足深圳市建筑节能规范和标准要求的新型节能墙体材料或节能做法已成当务之急。2. 外保温复合墙体深圳市现有的墙体材料中，200mm厚蒸压加气混凝土砌块是比较理想的节能墙体材料，其传热系数K1.2W/m2K，但是由于其防水性能和强度较差，作为外墙材料使用存在一定的风险，所以使用受到一定的限制。陶粒混凝土双排孔砌块和煤渣硅酸盐混凝土三排孔砌块具有较好的热工性能，但由于资源和自身的缺陷等因素在深圳很少生产。因此，外保温复合节能墙体成了较理想的选择。外墙外保温复合墙体是由绝热材料与传统墙体材料或某些新型墙体材料复合构成。绝热材料主要是聚苯乙烯泡沫塑料、岩棉、玻璃棉、矿棉、膨胀珍珠岩等。目前，常见的外墙外保温技术主要有三大类型：EPS板无固定件保温系统、XPS板锚固件保温系统和聚苯颗粒外保温系统。三种系统各有特点，在我国都有大量的工程应用实例，在北方地区，各种做法都有相应的构造图集和技术规程做指导，技术已经比较成熟。与单一材料节能墙体相比，复合节能墙体由于采用了高效绝热材料而具有更好的热工性能。而且，在保温成本增加不多的情况下，可以灵活增加保温层的厚度，可以满足不同的节能要求。另外，外墙外保温复合墙体除了具有非常好的热工性能，还兼有防水、装饰的效果，从而进一步降低了外保温复合墙体的综合造价，具有较好的经济性。所以，外墙外保温技术可能是解决深圳地区围护结构节能的关键技术。2. 可行性分析虽然外墙外保温复合墙体在我国北方地区有过近20年的使用历史，夏热冬冷地区也推广使用，积累了一定的成功经验。但是深圳与以上两个地区相比，存在气候、建筑风格、经济水平等的差异。深圳地区外墙外保温技术还刚刚起步，在某些地方已经建设了少量的外保温项目。由于深圳目前还缺乏本地区相应的外保温复合墙体有关标准和规范类文件，外保温设计与施工只能照搬其它地区的经验，施工质量无法保障，因此外保温设计与施工中也不乏失败案例，严重阻碍了外保温技术的推广。故在深圳地区引进和推广外保温技术不能照搬北方经验，必须立足本地条件，尤其是气候条件，发展具有地方特色外墙外保温技术。2.1 气候条件外墙外保温的做法与气候条件紧密相关，直接影响外保温系统的保温性能和安全性能。在北京、上海地区近年出台了大量配套的规范类文件，如各种保温构造图集、施工方法以及验收规范等。在这样的条件下，北京、上海地区外墙外保温技术得到了较好的普及，为当地建筑节能的实现奠定了良好的基础，同时外墙外保温技术也日趋成熟。由于经济发展水平比较接近，北京、上海两地的成功经验完全可以借鉴，所以有必要对深圳、北京、上海三地的气候条件做对比分析。1） 深圳地处北回归线以南，东经114，北纬22，属亚热带海洋性气候，气候温和，雨量充沛，日照时间长。夏无酷暑，时间长达6个月。春秋冬三季气候温暖，无寒冷之忧。2） 上海地处中纬，濒江临海，属亚热带季风气候。冬夏寒暑交替，四季分明，气候宜人。呈现了季风性、海洋性和局地性气候特征。3） 北京地区处于东亚大陆东岸，位于北纬39，东经116。北京地区地处暖温带半湿润地区，气候受蒙古高压的影响，属大陆性季风气候。在气候条件中气温、降雨和风环境对外墙外保温系统有显著影响，外保温系统能否在当地特殊气候条件保持其热工性能和安全性能，很大程度上取决于以上三个气候因素。图1 气温特征比较1-年平均气温;2-最冷月平均;3-最热月平均;4极端最低温;5极端最高温2.2 气温条件深圳、上海和北京三地的气温特征见图1。从气温来看，深圳可谓得天独厚，其主要表现在以下两个方面：1）最冷月平均气温和最热月平均气温相差不超过15，温度变化区间很小，相比之下上海超过23，而北京甚至将近30。这就决定了外保温技术如果在深圳使用，这就在一定程度上放宽了其对耐候性指标的要求。2）极端最低气温不低于0，这表明在深圳地区使用外保温技术将不需要考虑系统的耐冻融性能。由于存在以上两个有利条件，外保温技术在上海、北京地区成功的经验，深圳地区完全可以借鉴，气温条件的差异不会对外保温技术在深圳的推广有制约作用。2.3 降雨条件南方的降雨量多，特别是深圳处于沿海地区，受台风、暴雨袭击，外墙渗漏较为普遍。据有关统计，深圳有2400多栋楼宇存在不同程度的渗漏，这是深圳建筑业中存在的严重而又难以解决的问题。建筑防水在保证建筑物正常使用寿命等方面起着不容忽视的作用，虽然强制性国家标准屋面工程技术规范已经发布实施，但国家尚未有针对外墙防水的技术规范出台。虽然其它地区也存在类似的问题，但是由于降水量相对较少，问题没有深圳地区这么严重。深圳、上海和北京三地区的降雨条件见表1。降雨量比较 表1地区深圳上海北京年降雨量1924.7mm1149mm644mm深圳、上海、北京三地降雨大致成321递减。深圳地区降雨量较大，而且主要集中在雨季，所以外墙防水防潮是必须予以重视。墙体渗漏必须具有3项要素：水、裂缝和通过裂缝的水的迁移力。这里水通常就是雨水；裂缝可分为荷载裂缝和变形裂缝；迁移力是指蒸发、扩散、凝结、毛细吸引、水压力(包括动、静)和重力等。传统外墙由于其结构和施工特点，防水问题不容易解决。对基层抹灰水泥砂浆而言，水泥凝结硬化后形成的固体水化物存在孔隙和毛细管，具有渗透性；勾缝砂浆在凝结硬化过程中存在塑性收缩、自生收缝及温度收缩，气孔、针眼不可避免地存在；雨水在风力、重力、毛细孔力的作用下，通过勾缝砂浆的裂缝、气孔、针眼进入不是很饱满的水泥粘体中，再进入不防水的水泥砂浆基层，通过新型墙体材料渗透到室内。在保证施工质量的前提下，外保温系统能够取得很好的防水效果。一方面外保温系统采用的抹面胶浆是良好的防水材料，同时，表面装饰采用防水涂料，而且在窗、墙洞口等特殊节点有严密的防水处理，系统本身具有较高的防水性能；另一方面，外保温系统能够大大降低体墙温度变化范围，减少温度应力产生裂缝的可能性；此外，外保温系统属于柔性系统，外表面不容易产生裂缝，进一步降低了外墙渗漏的可能性。可见，引进外墙外保温技术是解决外墙渗漏问题的途径之一。2.3 风环境在于深圳地区，台风是常见的灾害性天气，极端风速超过40米/秒，对外保温系统来讲，能否经得住台风考验，这直接影响外保温系统能否在深圳市推广。深圳、上海和北京三地区的风环境见表2。风环境比较 表2地区风环境深圳年平均风速2.7米/秒；夏秋两季有台风，直接袭击市区约两年一次，1979年8月2日台风极大风速超过40米/秒。上海年均风速3.1米/秒；1956年8月2日强台风过境之时出现最大风速30米/秒。北京年平均在2.5米/秒左右。图2 六层圆形建筑风压云图三地年平均风速相仿，而台风则体现三地的风环境特征。虽然北京和上海出现过大风或台风等灾害性天气，但是比较深圳地区可以看出，不论是风速还是出现频率，都存在较大差异。由于梯度风的作用，建筑越高，风速越大，特别是在台风时产生的负风压，有可能将保温板吸落。因此，深圳地区的风环境成为发展外保温的一个极为不利的条件。为了分析台风对外保温系统的影响，采用CFD软件对典型建筑风环境进行模拟分析。选定风环境模拟模型分别为圆形建筑、方形建筑（分为迎风向和避风向），高度分别区2层、6层、30层，在极端风速（40米/秒）下，进行模拟，其中对六层建筑模拟结果如图2、3、4。图3 六层方形建筑风压云图（迎风向）图4 六层方形建筑风压云图（避风向）通过CFD模拟可知，当气流遇到建筑物时，在建筑物表面产生压力或吸力。风荷载的大小主要与近地风的性质、风速、风向有关，同时也与建筑物本身的高度、形状有关。风荷载图5 极限风速下建筑负风压（KPa）作用于建筑物的压力分布是不均匀的，迎风面所受的为推力，为正风压；侧风面和背风面所受为吸力，为负风压，台风对外保温系统产生的破坏作用主要体现在风压上面。风环境模拟得到极限条件下典型建筑形式负风压如图5。当建筑在230层左右的高度时，负风压作用在-9kPa0kPa之间。而且方形建筑取迎风向时，建筑侧向负风压值最大超过8kPa。根据有关标准，目前外保温系统的性能要求为拉伸强度不小于0.1Mpa，所以在深圳地区如果外保温系统拉伸强度如果不小于0.109Mpa，即可满足安全性能要求。由于外保温系统抗拉强度主要由粘结胶浆和锚固件承担，故根据负风压值计算可知，建筑在两层以下时，用于系统的粘结胶浆和锚固件的量增加3即可满足要求；当建筑在六层以下时，增加5可满足要求；当建筑高度在30层以下时，增加10可以满足安全要求。3. 结论1） 深圳