内插保温层空心砌块的热工性能及其改进措施

　　 前言

　　建筑围护结构的质量对于建筑内部环境避免和减少热量、冷量、噪声以及各种外来作用与环境污染的影响非常重要；其热工性能的优劣对于室内外热量和冷量的传递起着举足轻重的作用。

　　由于实心粘土砖的生产破坏耕地、浪费资源、污染环境，空心砌块不仅省料，而且在砌块中增加了空气层，因相对静止的空气层具有较高的绝热指数，可以大幅度增加墙体砌块的静态热阻值，降低建筑物的热负荷，所以空心砌块墙体将成为我国未来建筑墙体的主要形式之一。

　　空心砌块热工性能的优劣将直接影响到整个建筑的节能状况，而对空心砌块的实验研究是了解和分析其热工性能的有效手段。

　　本文将通过对某种内插保温层空心砌块热阻的实验研究，分析砌块的热工性能，找出存在的不足，并提出改进方法，从而改善其热工性能，使该产品能满足夏热冬冷地区对建筑围护结构节能的要求。

　　1　物理模型

　　本文对某公司生产的内插挤塑聚苯乙烯保温板（XPS）隔热外墙砌块的热工性能进行了实验研究，该产品与传统多孔砌块相比，在不降低砌块抗压强度的情况下减少了热桥，降低了热损失；并采用在砌块中间插入绝热材料的方法，既保证了隔热的有效性，又提高了生产效率；采用该砌块型式也便于墙体施工与管、电布线。此种“隔热外墙砌块”的规格为388mm×190 mm×190 mm，骨料为普通混凝土，内插挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板(XPS板)。砌块上部四个孔洞的一端与外界相通，另一端封闭，封闭端混凝土厚度为8 mm；中部2个孔洞为通孔；下部的肋高为150mm，肋上插有XPS板。

　　2    砌块热阻测试

　　2．1  实验装置

　　本实验采用JW-I型墙体热阻测试装置，运用热流计法对试件进行测试。测试装置由3部分组成：试件架、冷箱和热箱，见图3。试件架用来安放待测材料，冷箱后半部为制冷机组、控温等部件。热箱除箱体外，配精密控温仪1台，12V直流电源1台，供均热风扇用。另配有建筑热工巡回检测仪，28支铜一康铜热电偶，2个热流计(片)等。各箱开口面积相等，开口长×高=1 m×1.05 m。

　　2．2   墙体试件

　　砌块的砌筑砂浆为水泥砂浆，其平均厚度为8 mm，墙体试件的上端用60 mm高的XPS绝热层填充上部多余空间。墙的厚度为212 mm，墙两面水泥砂浆抹灰层厚度为：热面10mm、冷面12 mm。箱体四周自带有密封措施，同时再在边框外用透明胶带密封，尽可能地减少漏风。

　　2．3    测试条件

　　利用热箱加热和冷箱冷却使墙体两侧环境空气的温差达到40℃。将所有铜-康铜热电偶与2个热流计的接线端分别接在建筑热工巡回检测仪上。28支热电偶中的26支用石膏固定并均布在墙面上；另外2支热电偶分别贴在热箱和冷箱易漏风的边缘处，用于检测箱体的密封性。至于热流计，由于可以认为墙体两个表面对应位置的热流密度相等，因此将2个热流计用黄油粘贴并用透明胶带固定，均布在墙的热面上。墙体周围的试件架可以看作近似绝热处理。由于墙体含湿量的大小会对其热工性能造成影响，墙体砌筑完成后，将其放置15d以上，使砌块充分干燥。

　　3　实验结果与分析

　　3．1　实验结果

　　尽管该实验是稳态实验，但由于各种因素的影响仍不可避免地会造成热流和温度的分布不均，因此，在墙面均布测点，以求平均值。当试件表面温度的波动不大于2％时，可以认为温度已经达到稳定状态。

　　3．2　结果分析

　　3．2．1　误差分析

　　(1)实验装置的误差

　　热箱内空气温度的波动不大于±0.5℃(这主要是由连接在热箱上的温控仪的控温精度引起的)，冷箱内空气温度的波动不大于±1℃(由于冷箱是由2台制冷机轮换运行制得冷量，因此，在1台制冷机结束工作、另l台制冷机开始工作时，使得冷箱内的制冷能力发生一个较小的波动，这样就造成箱内空气温度的波动)，造成温度的不稳定。尽管箱体热损失小于5％，但仍然会引起微弱的侧向导热。另外，箱体的开口面积误差不大于±2％。由于不能保证箱体边缘的绝对密封性，使得热箱内的热量向外流出，外界的热量向冷箱内部渗入，这也会影响实验的准确性。按实验装置说明书要求，需考虑减去在实验过程中5％的热损失，以确保实验的准确性。则实际热流密度值应为：q实际=q x 95%

　　3．2．2    热工性能分析

　　据所得的实验结果可以看出，尽管此砌块为空心砌块，并且内部插有隔热板，但其热工性能并不太尽如人意，其原因是多方面的。经过分析，总结出以下一些影响砌块热工性能的因素：

　　(1)固定XPS板的热桥

　　XPS的导热系数为0.029 W／(m·K)，普通混凝土的导热系数为1.47 W／(m·K)。可见由于XPS板优良的绝热性能，将在很大程度上提高砌块的热阻值；但是，砌块内用来插放XPS板的肋会成为热桥，在一定程度上削弱了XPS板的隔热效果。

　　(2)空气间层的隔热

　　砌块内的空气间层也是提高砌块热阻的重要结构。它之所以能起到隔热作用，是因为静止空气的导热系数非常小；而空气间层的厚度是空气运动状态的重要影响因素。这样，空气间层热阻的大小就与空气间层的厚度密切相关。当封闭空气间层的厚度达到20 mm后，随着间层厚度的增大，间层热阻的增量越来越小；特别当间层的厚度接近45 mm时，间层热阻已趋于一个常量。并且，孔洞过大不仅不能增加砌块的热阻，还在一定程度上减少了砌块的密度，降低了热惰性，影响了砌块的热工性能。因此，如果工艺条件允许，可以将大孔沿厚度方向分为较小的孔，这样，不仅提高了热阻，还从一定程度上避免了热惰性的过多减少。

　　(3)空气间层的错排程度

　　从图2可以看出，砌块中部和两边的3条沿厚度方向的长肋为热流的通过提供了阻力较小的途径。这样，热流就可以绕过热阻较大的空气间层而比较顺利地从肋上通过，使得空气间层的隔热性能没有得到很好地发挥。因此，在设计砌块内部结构时，应将各排空气间层相互错开，使沿厚度方向的肋变得曲折，从而延长了热流流过的路径，增大总体热阻。

　　4　改进措施

　　根据JGJ 134—2001《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，建筑外墙的传热系数应满足K≤1.5或1.0 W／(m2·K)。从实验结果来看，砌块的传热系数K砌块≈2.007 W／(m2·K)。可见，采用砌块砌筑的墙体的热工性能还难以达到国家标准的规定值。因此，应采取适当的措施以改善砌体的热工性能。

　　4．1  改进措施1

　　较为经济且方便的改进措施就是在墙的外表面用保温砂浆代替水泥砂浆抹灰。

　　保温砂浆是以水泥作胶结材料，以粒状轻质保温材料为骨料，加水拌合而成的具有隔热保温作用的建筑砂浆。在保温砂浆中，常以膨胀珍珠岩作为骨料。膨胀珍珠岩表观密度小，导热系数小，成本低，性能优良，是配制保温砂浆较为理想的骨料。
膨胀珍珠岩保温砂浆配比为：V(水泥)∶V(膨胀珍珠岩)=1∶12，其导热系数为0.0712 W／(m·K)。

　　若墙体内表面的水泥砂浆抹灰厚度为20 mm，以K≤1.5W／(m2·K)为标准，可以算得墙体外表面需要保温砂浆抹灰厚度约为9 mm。如果在墙体外表面用保温砂浆抹灰20 mm，则墙体的热工性能足以满足《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》的要求。因此，可以认为采用这种做法既经济、方便，又取得了较为显著的保温节能效果，是切实可行的。

　　4．2    改进措施2

　　根据实验结果的热工性能分析，对此砌块的内部构造进行改进，见图1(砌块内空气间层的两端均是贯通的)。

　　图1改进后砌块的规格尺寸

　　从图1可见，砌块的结构有如下改进：
　　(1)各排孔的交错排列，增加了砌块内部的热流路径长度，从而提高了导热热阻。
　　(2)消除了过厚空气间层的存在，并增加了一排孔，改善了砌块的热工性能。对改进的砌块进行热阻计算，得到其热阻为0.856 m·K／W，传热系数为1.168W／(m2·K)。可见砌块的热工性能已满足规范的要求；并且，这样的改进在工艺条件上并不难实现。此种改进措施同样是切实可行的。

　　5    结语

　　(1)相对于传统多孔砌块而言，本实验砌块的热工性能在一定程度上得到了提高；然而，若使用该种砌块砌筑墙体，墙两面用水泥砂浆抹灰，则墙体的热工性能还难以达到JGJ134—2001《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》的要求，必须采取措施以改善砌块墙体的热工性能。

　　(2)对砌块墙体热工性能的改善，可以分别从砌块的外部结构和内部构造着手。在砌块外部，可以增加保温砂浆厚度或者采用保温性能更好的保温隔热材料的方法；在砌块内部，可以通过改进砌块的构造提高其热工性能。