相变储能内外墙复合保温系统在新农村建设中的应用

时间:2015-01-30 08:42来源:北京虹霞正升涂料有限责任公司 作者:刘成楼，隗功祥
0 前 言

继中央推出家电下乡政策之后，2010年又推出建材下乡举措，这对加快建设具有民族特色、地方特点、传统风貌与现代风格、先进科技水平相结合的新农村住宅及小城镇具有巨大推动作用。在新农村建设过程中，所用建材必须符合节省资源、节能减排、生态环保这一基本国策要求，同时还应具有安全性、耐久性、经济性及实用性。

黄河以北地区的环境特点是冬季干冷、夏季闷热，冬季最低气温在-15 ℃以下，夏季最高气温在35 ℃以上。为了改善居住、工作环境，冬季需供热采暖，夏季需空调制冷。由于既有建筑围护结构的热工性能很差，远不能满足GB50176-93《民用建筑热工设计规范》要求，故此耗能量很高，仅外墙的耗能量就占建筑总耗能量的35%左右。为了实现国家关于建筑节能50%和65%的指标要求，必须对既有建筑和新建筑采用高效保温节能材料进行改造和施工，降低围护结构(墙体、屋顶、门窗)的传热耗热量，才能既改善室内热环境，又能达到节能降耗之目的，营造一个冬暖夏凉的宜居室内环境。

多年来，笔者研发的系列相变贮能保温隔热材料，已在大中城市的既有建筑节能改造和新建工程中广泛采用，取得了良好的节能效果。根据农村住宅墙体结构，通过热工性能参数计算，将研发的相变贮能保温隔热材料进行科学合理地组合搭配，使其具备节能、环保、安全不燃、经济实用等特点，为新农村建设提供一站式服务“套餐”。该复合保温隔热系统同样适用于城市建筑。
 

1 目前农村住宅外墙结构及热工性能

在我国北方寒冷地区，农村既有住宅有90%以上是采用240 mm厚烧结实心黏土砖砌筑的，不足10%的住宅外墙用实心砖和土坯混建。由于这些墙体热工性能很差，致使室内夏热冬冷，居住热环境很差。为了节省土地资源，国家出台了限制、淘汰生产烧结实心黏土砖政策，代之兴起的是烧结多孔砖和混凝土多孔砖，目前新农村建设中大多采用烧结多孔黏土砖。根据寒冷地区居住建筑节能设计标准要求，当外墙的热惰性指标D值≥3.0时，外墙热工参数传热系数K值应≤0.7 W/(m2·K)。按此标准要求，目前农村住宅外墙的热工性能还存在不少差距。烧结实心黏土砖和烧结多孔黏土砖外墙的热工性能见表1。

由表1可见，同为240 mm厚的砖砌外墙，多孔砖墙的导热系数比实心砖墙减小、热阻值增大，说明多孔砖比实心砖的保温隔热性好;实心砖墙的热惰性指标D值为3.53，多孔砖墙的D值为4.47，虽然热惰性指标后者优于前者，但是都能满足寒冷地区居住建筑节能设计规范中关于D值的要求;实心砖墙的传热系数K值为2.24 W/(m2·K)，是标准限定值0.7 W/(m2·K)的3.2倍，多孔砖墙的K值为1.77 W/(m2·K)，是标准限定值的2.5倍，虽然多孔砖墙的传热系数比实心砖墙小0.47 W/(m2·K)，但仍不能满足寒冷地区住宅的外墙节能规范中关于K值的要求，因此，必须对既有住宅和新建住宅的外墙进行保温隔热处理。
 

2 保温系统的选择

农村住宅绝大部分是单层平、瓦房，少部分是2层小楼，由于农事活动、庭院劳作活动频繁，外墙外表面遭受意外损坏的几率较大。因此，对保温材料的要求除具有较好的保温性能外，更需要有安全稳固性、耐冲击性、耐火阻燃性、耐候耐久性等。目前市场上常用的EPS/XPS板薄抹灰外保温系统和聚苯颗粒保温浆料均不适宜采用，因为EPS泡沫板尺寸稳定性差，易收缩开裂渗水，材料易燃、强度太低、且施工工艺繁琐;聚苯颗粒保温浆料虽然在阻燃性和强度方面有所改善，但仍不能满足耐火和强度要求，且只有施工厚度达到75 mm时才能满足寒冷地区住宅外墙热工性能中K值的要求。

新兴起的无机保温砂浆，包括玻化微珠保温砂浆、玻化微珠+EPS颗粒保温砂浆、玻化微珠+空心玻璃微珠保温砂浆等，虽然其导热系数比EPS颗粒保温砂浆略高，但是其强度较高、安全不燃、使用寿命长久，且原料来源广泛、价格便宜、施工简便、绿色环保，非常适宜作新农村建设外墙的保温材料。本研究将笔者近年来研制的石膏基相变贮能保温砂浆、水泥基相贮能保温砂浆、相变贮能抗裂抹面砂浆、相变贮能柔性(或弹性)腻子、太阳热反射隔热外墙涂料等节能材料进行科学整合，制订了一套相变贮能内外墙复合保温隔热系统，其结构如图1所示。

3 相变贮能内外墙复合保温系统的特点

3.1 相变材料在保温体系中的作用

相变材料是指在一定的温度范围内，利用材料本身相态或结构变化，向环境自动吸收或释放潜热，从而达到调控温度的一类物质，石蜡就是一种有机相变材料。为了防止石蜡在固/液相变时发生渗漏而产生体积变化，需要对石蜡进行改性处理，本研究是将不同熔点的石蜡熔融成液体，再吸附到无机多孔材料中，制备成定型相变材料。将适量定型相变材料分别加入无机保温砂浆、抹面砂浆、柔(弹)性腻子中，制备成相变贮能系列保温节能材料。将其用于外墙时，夏季当环境温度大于石蜡相变温度时，定型相变料吸收太阳辐射热和墙体蓄热，并将热能贮存起来，从而降低墙体表面温度、延缓最高温度峰值的上升，减少太阳辐射热向室内传导，节省空调制冷耗电量，同时也避免了因墙面温差过大而引起涂层开裂。将相变贮能保温砂浆用于内墙时，不仅冬季可减少室内热量向外传递，夏季可减少室外热量向室内传导，春秋季节昼夜温差大，又可利用相变材料的相变潜热，白天对太阳辐射热能进行贮存，夜间再将热能释放出来，从而减少室内温度的波动，提高居住环境的舒适度，同时也能有效地利用天然能源。

3.2 石膏基相变贮能保温砂浆的特点

石膏基相变贮能保温砂浆是由脱硫建筑石膏等复合胶结材料、轻集料、定型相变材料和外加剂组成，是一种替代粉刷石膏打底料的内墙抹面材料，涂层兼具找平层、保温隔热、调温控温和微调湿功能，是一种智能型环保节能材料。其物理性能见表2。

3.3 水泥基相变贮能保温砂浆的特点

水泥基相变贮能保温砂浆是由水泥、粉煤灰、石灰、硅灰、可再分散胶粉及外加剂组成的胶粉，与以玻化微珠、空心玻璃微珠或EPS颗粒、定型相变材料组成的轻集料，按一定比例混合配制的，是一种智能型无机外墙保温隔热材料，具有施工简便、无空腔、整体性好、抗压强度高、安全稳固性优良、防火性达到A级、保温、抗裂、防水性优异等特点。在水泥基胶粉和定型相变材料用量不变的条件下，轻集料分别采用玻化微珠(Ⅰ型)、玻化微珠+空心玻璃微珠(Ⅱ型)、玻化微珠+EPS颗粒(Ⅲ型)，并且与普通EPS颗粒保温浆料(Ⅳ型)相比较，其性能指标见表3。

3.4 保护层的特点

保护层包括相变贮能抹面砂浆+网格布、相变柔(弹)性腻子、封底漆及太阳热反射隔热饰面涂料。

(1)相变贮能抹面砂浆:它是在普通外保温抹面砂浆中掺入适量定型相变材料制备而成。其物理性能指标，如拉伸黏结强度、抗压强度、抗折强度、柔韧性、吸水量、透水性等完全符合DBJ01-63-202及JG149-2003标准规定的要求，同时还有一般相变材料的调温控温功能。
(2)相变贮能柔(弹)性腻子:它是在普通外墙柔(弹)性腻子中掺入适量定型相变材料制备而成。其物理性能指标，如施工性、打磨性、干燥性、初期干燥抗裂性、耐水性、耐碱性、吸水量、黏结强度、柔韧性和低温贮存稳定性等完全符合JG/158-2004《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统》中规定的柔性抗裂腻子要求指标，同时还有一般相变贮能材料的调温控温功能。

(3)太阳热反射隔热外墙涂料是一种集阻隔型隔热、辐射型隔热、反射型隔热为一体的功能涂料，涂层具有高反射率、高辐射率、低导热系数、低蓄热系数等热工性能，夏季能降低外墙面层的温度，与普通外墙涂料相比，降温幅度可达15 ℃;冬季又能阻止室内热量向外散发，有显著的节能效果。根据《建筑用反射隔热涂料》国家标准报批稿中规范性附录A要求，根据涂料使用地域气候不同，计算出等效热阻值，带入到建筑墙体热工计算中去。等效涂料热阻(Re)按式(1)计算:

Re=(1/ε-1)×(R+0.15) (1)

式中:

Re——反射隔热涂料等效涂料热阻，m2·K/W;

R ——涂料基层墙体热阻，m2·K/W;

ε——反射隔热涂料的年传热修正值。

通过大量试验、计算结果证明:当涂料的太阳反射率和半球发射率均≥0.80时，等效涂料的热阻可以达到0.18 m2·K/W左右，对外墙保温隔热系统结构的热工性能有显著贡献。

由上述材料组成的相变贮能内外墙复合保温系统，既能充分发挥各层材料的功能作用，又能达到优势互补和叠加增效效果。
 

4 相变贮能内外墙复合保温系统的热工性能

目前，我国采用的外墙保温系统，一般是通过节能标准或规范给出的墙体节能单项指标，即热惰性指标D和传热系数K，由热工计算来决定墙体材料、保温材料施工厚度的。复合墙体D值决定K值的取值大小，K、D值的大小直接影响到建筑能耗。复合保温墙体的热工性能计算，按如下公式进行。
(1)材料的热阻(热绝缘系数)按式(2)计算:

式中:ai——内表面换热系数，取0.11 m2·K/W;

ae——外表面换热系数，取0.05 m2·K/W;

di——第i层材料厚度，m;

λi——第i层材料导热系数，W/(m·K)。

按照上述复合墙体的热工计算方法，对用于新农村建筑外墙的相变贮能内外复合保温系统(以下简称A)进行热工计算，并与EPS板薄抹灰外保温系统(简称B)、聚苯颗粒浆料保温系统(简称C)作对比，计算结果见表4。

从表4的数据中可以看出，从复合墙体的总热阻值来看，保温系统B与C几乎相等，就是说5 mm厚EPS板与75 mm厚EPS颗粒保温浆料的热阻值相同;A复合墙体的总热阻为1.384 m2·K/W，比B、C复合墙体的总热阻值偏小，主要原因是无机保温砂浆的导热系数较大，70 mm厚的Ⅱ型无机保温砂浆，其热阻值仅相当于5 mm厚EPS板的75%[1.04/(0.23+0.55)]，就是说，只有当无机保温砂浆Ⅱ型的施工厚度≥100 mm时，其热阻值才能相当于5 mm厚EPS板，因此，在寒冷地区单独应用无机保温砂浆作外墙保温层是不可行的。本研究采用热反射隔热涂料的等效热阻进行补偿，研制的反射隔热涂料的等效热阻为≥0.18 m2·K/W。通过热工计算，当石膏基无机保温砂浆内墙为20 mm、水泥基保温砂浆Ⅱ型外墙为50 mm厚度时，在热反射隔热涂料作饰面层的条件下，设计的相变贮能外墙复合保温系统可满足寒冷地区居住建筑节能设计中关于D值、K值的要求，适宜用作新农村建设中采用240 mm多孔砖墙新建住宅的外墙保温工程。对于既有建筑240 mm实心砖墙的保温改造工程，则宜采用相变贮能保温砂浆Ⅲ型(轻集料为玻化微珠+EPS颗粒)，这是因为实心砖墙体的热阻值较小，必须采用热阻值较大的外墙保温砂浆补偿，才能满足规范中传热系数K值的要求。其热工计算结果见表5。

该保温系统也适用于城市既有建筑中实心砖墙住宅楼房保温改造工程。
 

5 结 语

(1)地处我国寒冷地区的农村既有住宅和新建房屋，墙体的传热系数过大，夏热冬冷，居住环境恶劣，不符合国家关于建筑节能规范要求，必须对新旧住宅的外墙进行保温隔热改造、处理。

(2)用于新农村建设的保温隔热系统，除应具有较高保温性外，还应具有安全稳固性、耐燃性、耐久性、强度高、耐冲击、经济实用等特点。相变贮能内外墙复合保温系统除具备上述要求外，还具有自动调温、控温及微调湿作用，能改善室内热环境，提高居住舒适度。新建住宅保温系统由内向外的结构是:20mm厚石膏基相变贮能保温砂浆→240 mm多孔砖墙体→水泥基相变贮能保温砂浆(Ⅱ型)→相变贮能抹面砂浆+网格布→相变贮能柔(弹)性腻子→封底漆→太阳热反射隔热涂料。既有住宅因墙体是240 mm实心砖，热阻较小，可将外墙保温砂浆改为相变贮能保温砂浆Ⅲ型。

通过对用相变贮能内外墙复合保温系统施工的复合墙体进行热工计算，其热惰性指标D值墙体为多孔砖时为5.85，实心砖时为5.14，传热系数K值前者为0.72W/(m2·K)，后者为0.737 W/(m2·K)，基本符合寒冷地区居住建筑节能设计规范中关于D≥3.0，K≤0.7W/(m2·K)的要求。