夏热冬冷地区外墙保温体系的耐候性分析

摘要：对外墙外保温体系在长期经受热雨循环和热冷循环下因耐候性不足而破坏的情况进行了分析，从外墙外保温体系与温度变化的关系，通过全面分析计算环境温度和太阳辐射强度，分析外保温墙体和夹芯保温墙体在各种环境条件下的温度场分布，从而明晰这2种墙体的结构层和保温层在对应环境下的工作性及耐久性。

关键词：外墙外保温；温度；太阳辐射；耐候性

Abstract: This paper analyzes the damage situation of the external wall insulation system which is in long-term withstand hot rain circulation and heat cold circulation because of weathering resistance lack, from relation of the external wall thermal insulation system and the temperature change, through a comprehensive analysis of ambient temperature and solar radiation intensity calculation, we analyze the temperature field distribution of the external insulation wall and sandwich thermal insulation wall in various environments, so as to make the work and durability of the two wall structure layer and insulation layer in the corresponding environments.

Key words: exterior wall external thermal insulation; temperature; solar radiation; weather resistance

中图分类号：TU74 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）

夏热冬冷地区，大体为长江的中下游地区，气候特性表现为夏季闷热，冬季湿冷，年降水量大，日照偏少。春末夏初多阴雨，常有大雨或暴雨出现。由于气候、温度、湿度、空气污染等不利因素的影响，对建筑墙体及外饰面要求较高。在北方，因受严厉地冻融和干湿循环，宜采用涂料外饰墙面，而在南方，尤其在夏热冬冷地区，因冻融不太严重，湿度、酸度和粉尘较高，面砖外饰墙面更为当地人喜好。面砖外饰墙面工程的安全性，一直是比较敏感的问题，对材料、设计、施工、验收对外墙饰面砖工程都有相应的要求。

1、外墙保温体系的基本构造及热工性能

1.1 外墙保温体系的基本构造。外墙外保温体系是由承载墙体（基层墙体）和保温节能墙体（保温轻体）复合组成。基层墙体分为砌体材料结构、钢筋混凝土剪力墙结构和框架填充墙结构，砌体材料有空心黏土砖、烧结黏土空心砖、页岩砖、煤矸石砖、普通混凝土小型砌块和轻集料混凝土小型空心砌块等。夹芯保温复合墙体由结构层（内叶墙）、保温层、保护层（外叶墙，有时也作为结构层）组成（有时还需要根据具体情况设置空气层）。目前，在我国该墙体有2种复合型式：多孔砖夹芯墙体和混凝土砌块夹芯墙体。

1.2 外墙保温体系的热工性能

在设计中选择外墙保温材料及方法时应考虑：采用热阻高，也就是导热率低的高效保温材料；保温材料的吸湿率低，粘结性能好，加工方便，密度小，易于安装；保温材料便于就地取材，价格合理；保温材料具备阻燃性，或采取必要的防火措施；保温材料具备适应温度效应的能力，即使是在室外较恶劣的气候条件下，也不应使外保温体系产生不可逆的损害或变形；保温材料具有一定的机械强度，以抵抗外来撞击；保温材料具有稳定的化学、物理性能，以确保其正常使用年限不少于25年。要满足外墙保温工程施工简便，减少施工的费用。根据国家的规定，外墙体的热工性能要遵循GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》规定外保温和夹芯保温墙体的热工性能见表1。

表1 两种保温墙体各构造层材料的热工参数

2、温度对墙体保温的影响分析

2.1 温度关系模型分析与确立

计算在大气温度及太阳辐射、空气对流等复杂边界条件下，保温墙体内部温度分布场是对保温墙体进行应力及耐久性分析的基础。首先建立典型保温墙体在外界大气温度变化等条件下的温度场计算模型，以湖南北部的某城市各个季节典型天气条件下4个朝向墙体结构为研究对象，为了研究方便，取各个季节典型天气状态的日最高温度（ ）和最低温度（ ）的数值，并利用式下列的公式模拟大气温度的日周期变化：建立的时间变化模型：

式中： 为室外大气温度与时间及日最高、最低温度的函数；t为当地的具体时间。对于建筑物的热环境来说，太阳辐射是一项非常重要的外部影响因素，在实际的分析和计算中要综合的考虑当地太阳的辐射在夏季东西南北垂直墙面上的太阳辐射强度与时间关系，确定太阳辐射的影响。

2.2 非稳态环境（自然环境）下墙体耐候性分析

对一年四季东西南北四面墙在室外太阳辐射及气温变化下的温度场进行全面计算。根据室外综合温度计算公式：

式中： 为室外气温，根据的当地的温度为准， 为太阳辐射强度，也是根据当地时间的太阳辐射取值， 为外表面太阳辐射的吸收率，取0.50 W/（m2•K）， 为外表面换热系数，取19 W/（m2•K）。再根据围护结构内部温度分布计算公式：

可以计算出墙体内部水随外界温度变化关系，夏季空气对流及太阳辐射对室内环境和墙体工作性能的影响最显著，在这里应该重点分析外界温度对墙体耐候性的分析和计算，受环境温度变化的影响，外保温和夹芯保温墙体的EPS保温层温度变化最为剧烈，而外保温要比夹芯保温更为剧烈。外保温砖结构层温度变化趋势基本稳定，但夹芯保温墙体的内叶墙和外叶墙之间有着很大的温度变化差。

2.3 近似稳态环境（人工环境）下的墙体耐候性分析

由于夏季有很多的建筑采用空调以及湖南北部地区冬季室内集中供暖，所以也需要计算和分析出近似稳定导热环境下的墙体温度场分布。外墙体的温度分布如图所示：

以湖南北部地区为例，夏季空调建筑室内取27℃，室外取38℃；冬季采暖建筑室内取18℃，室外取-3℃，可以计算分析出墙体保温随时间变化的关系。通过计算和分析可以得出，近似稳态环境条件下，EPS保温层的温度变化较剧烈，但相比较外保温的保温层温度变化幅度更大。外保温30 mm砖结构层温度变化趋势稳定，夹芯保温内叶墙与外叶墙之间有明显的温度变化差，这种温度的变化对墙体的耐候性影响也比较大。随着温度的升高，聚合物中的不同组分之间发生了形变和迁移，使得砂浆的热稳定性降低，因此高温对结构产生了一定的影响，尤其表现在抗折强度的降低方面。而在低温下，EPS聚合物的稳定性较好，聚合物膜较好地发挥了粘结作用，而温、湿度的变化会影响结构内部的稳定性。

2.4 分析的结果

2.4.1无论在非稳态环境条件下还是近似稳态环境条件下，两种墙体的EPS保温层温度变化较显著，相比较外保温更剧烈。这种变化会引起一定的温度应力对保温层材料长期的保温工作性能不利，所以夹芯保温墙体保温层的保温工作性及耐久性优于外保温墙体。

2.4.2外保温墙体结构层温度变化趋势稳定，但夹芯保温墙体的内叶墙与外叶墙之间存在明显的温度变化差，会造成较大的温度应力，这对墙体结构的稳定性和长期工作性能有一定的负面影响，在结构的安全设计中必须予以考虑。

2.4.3冬季两种墙体的保温层长时间在负温下工作，有可能会引起保温层的凝霜、结露，对保温层的工作性和耐久性造成不利影响。

3、EPS外墙外保温耐候性的工程应用

3.1建筑设计。以湘潭的某板式住宅楼为例，该工程为9层承重砌块建筑，屋面为双坡钢筋混凝土闷顶，建筑层高2.8m，南北布置。该工程主体结构采用190系列普通混凝土小型空心砌块砌筑，其热导率为1.02W/（m2•K）。本建筑体形简单，凹凸面少，因此，能有效地控制建筑体型，建筑体型系数为2.9。在满足建筑采光要求的基础上，合理控制外墙窗地比，其南北向最大窗地比0.32。同时，夏季迎风面与背风面风压差值大，利于形成“穿堂风”，在多方面占据节能优势。

3.2护结构的保温隔热措施。护结构的保温隔热措施。外墙墙体采用EPS外保温体系进行建筑节能设计；屋面隔热构造采用局部退台保温隔热闷顶屋面，全现浇钢筋混凝土结构，外贴平瓦，对建筑有较好的保温隔热作用。采用集中供暖系统，分户空调设计。冬季采暖平均室内计算温度14℃，夏季空调平均室内计算温度19℃。

3.3结果分析。外墙主体部位热阻R=1.32（m2•K）/W，热惰性指标D=1.97，传热系数K=0.68 W/（m2•K），外墙平均传热系数Km=0.69 W/（m2•K），均符合规范要求。节能率为58%以上，达到规范规定的50%要求，节能效果明显。

4、小结

在节能建筑中，节能指标一般是通过对建筑物采取综合的保温节能措施，运用先进合理的节能技术来实现的。而外墙外保温技术以其构造合理、消除热桥节能效率高、热稳定性好、增大使用面积等优点成为我国目前建筑围护结构节能的主导技术，在冬冷夏热地区已经得到广泛的应用，但是其节能有效性、耐久性和安全性问题值得关注，本文就两种保温墙体的耐候性进行探讨，在实际的施工中要根据具体的情况进行分析。

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作者简介：冯敬（1974-）男，湖南岳阳人，湖南理工学院土建学院建筑及城市规划专业教研室主任，国家一级注册建筑师，国家注册城市规划师。主要研究方向：建筑设计及城市规划理论