寒冷地区农宅外墙外保温复合墙体节能分析★

裴俊华，马云龙，刘维珩，侯 斌

（1.甘肃林业职业技术学院，甘肃 天水 741020； 2.甘肃建投土木工程建设集团有限责任公司，甘肃 兰州 700070）

近年来，随着经济社会的快速发展以及城乡一体化的迅速推进，我国的经济建设以及建筑业飞速发展，由此也带来了能源消耗的持续增长，国家能源安全和可持续发展面临较大挑战。建筑消耗了社会40%的能源，并产生36%的温室气体［1］。在此背景下，建筑业的节能减排已成为我国甚至全球可持续发展道路上关注的重点问题［2］。并且随着经济的发展和城乡一体化进程的快速推进，按照2020年末统计数据，全国住宅存量约607亿m2，城市218亿m2，镇157亿m2，农村232亿m2［3］，村镇建筑面积超过全国住宅存量的一半以上。伴随着城镇化水平的不断提高和乡村振兴战略的实施，村镇建筑面积及其能耗所占的比重也将会越来越大。

我国是人口大国，也是农业大国，村镇住宅建筑面积占比大于全国范围住房总面积的50%，人民生活水平不断提高，农村人均住宅面积不断增加，村镇住宅品质不断提升，也迫切需要提高村镇住宅的节能水平［4］。现阶段已建成的一部分农宅其保温隔热效果较差，导致建筑能耗较高，居住舒适性也较差。随着 “十四五” 建筑节能与绿色建筑发展规划的提出，对农宅进行节能设计与建造的观念越来越深入人心，这对于减少农宅建筑能耗损失、促进美丽乡村建设具有十分重要的现实意义。因此，对现有的材料进行开发并且研制新型的绿色建筑材料，分析影响材料保温性能的影响规律，进而进行相应的节能设计，对于实现减少建筑能耗和节能减排目的具有十分重要的意义。

1 农宅外墙保温构造的主要形式

住宅的外围护结构是建筑节能的重要组成部分，建筑围护结构保温主要包括墙体、门窗、屋面等结构，其中外墙传热能耗约占建筑传热总能耗的30%［5］，所以应着重对外墙采取更加合理的保温措施。

保温节能墙体的原理是利用导热系数较低的材料，将其和墙体构筑在一起形成保温复合型墙体。根据保温层材料所处位置的不同，可以将保温复合墙体分为三类，即外墙外保温型复合墙体、外墙内保温型复合墙体和外墙夹芯保温型复合墙体（见图1）。

图1 保温复合墙体的主要类型

目前农宅对于保温材料的选取多为流行的聚苯板，其保温效果明显，且耐腐蚀、防潮、高抗压。以甘肃天水地区农村建筑常用的240和370墙体为例，经过调研，发现其主要构造形式有以下几种，如表1所示［6］。

表1 墙体保温构造层次

外墙外保温构造形式相比另外两种保温形式而言具有技术合理、施工简单、性价比高、适用范围广的优势，是目前外墙外保温型复合墙体主要的选择形式。本文首先对外墙外保温复合墙体的技术特点进行了概述，其次根据传热学的知识，结合具体实例，对外墙外保温型复合墙体进行相应节能分析，得到苯板厚度对传热系数的影响规律。

2 外保温复合墙体的技术特点

2.1 有效提高了主体结构的耐久性

对于外墙外保温型复合墙体，通过将保温层设置在外墙面，阻隔了外墙面和空气以及水分的直接接触，外墙面被保温层得以充分地保护，减少了外墙面以及主体结构中钢筋结构发生化学反应的机率，避免了外墙面和主体结构因为受到环境因素影响而造成的腐蚀破坏。另外由于外墙外保温型复合墙体将保温层设置在建筑物结构外侧，这种构造可以减轻由于如湿度、温度变化等环境因素所导致的结构变形而产生的应力。目前外墙外保温复合型墙体由于其自身的优越性已经得到了广泛的应用，事实证明对于墙体和屋面产生的变形与其对应的保温隔热材料有关，如果选择适当的保温材料以及合理的材料厚度，可大大减小墙体和屋面由于温度变化而产生的变形，顶层的横墙斜裂缝以及其他常见裂缝也可以得到有效的消除。因此，外墙外保温复合型墙体既可减少围护结构因为环境因素引起的应力，并且可以对主体结构起到保护作用，从而有效地提高主体结构的耐久性。

2.2 环境舒适度得到改善

通过对外墙面采取外保温措施后，减小了室内热量的耗散，导致了外墙复合墙体中内部的实体墙热容量变高，当热量通过墙面耗散时，内部墙体可以吸收大部分热量并且得以储存。当室内由于外界环境导致温度变化或者室内有热源产生热量，室内受到的热作用不稳定时，由于墙体热容量变高，室内温度增加时会吸收热量，室内温度降低时会释放热量，这一功能将会使室温保持一个相对稳定的状态。另外在不同的季节和室外太阳辐射强度不同的时刻，外墙外保温层也可以起到不同程度的调节作用，当太阳辐射较强以及室外温度过高时，外保温层可以适当地减小辐射量并且降低室外过高温度对室内环境的影响。由此可见，外墙外保温系统可使建筑物冬暖夏凉，提升居住舒适度。

2.3 墙体潮湿情况得到改善

墙体进行外保温设计后，由于外墙面被保温层材料覆盖保护，而内部墙体的蒸汽渗透率较高，水汽在墙体内部不会发生冷凝现象，所以和内保温不同的是此时不需设置隔汽层，一般情况下，内保温须设置隔汽层，将水汽隔离开内墙面，防止墙体潮湿，外保温则解决了这个问题，所以在施工方面比内保温设计更简洁方便。另外，外保温墙体不易产生结露现象，这是由于当室内水蒸气压强大于室外水蒸气压强时，水蒸气被气压由室内压向室外，墙体是水蒸气通过的介质材料，在墙体材料内部的水蒸气超过相应的饱和蒸汽压力时，就会产生结露现象，但是由于没有设置隔热层，此时墙体由传热体变为蓄热体，墙体的内表面蓄热系数较大使得水蒸气通过墙体介质材料时的气压均小于饱和蒸汽压，并且由于保温层有一定的透气性以及太阳辐射的作用，进一步避免了结露现象的产生。

2.4 避免墙体产生热桥和内部结露

热桥效应是指由于楼层和墙角处存在混凝土圈梁和构造柱，当室内外温差较大时，由于混凝土材料的导热性能要强于墙体其他材料，这就造成了墙体保温层受热不均匀，产生热桥效应。热桥效应的危害较大，会造成室内房屋墙体结露、发霉、滴水，会导致房间内的热量大量向外流失，造成较大的供热能源的浪费。外墙的作用不仅要承担主体结构的重量，起到稳定结构的作用，外墙也起到阻隔热量流失的作用。为了起到较好的保温作用，选取较厚的外墙厚度才可以减少室内热量的耗散，起到保温隔热的效果。若选用保温性能较好的保温材料后，墙体的厚度可以适当地减少。当保温形式采用内保温时，墙体厚度越薄，为了起到正常的保温效果时，保温层就会设置较厚，热桥效应就会趋于明显。在寒冷地区冬季室外温度较低时，热桥会造成额外的热损失，而外保温型复合墙体则避免这样的问题，热桥效应由于采用外保温复合墙体而得到了避免。所以在当保温材料厚度相同的情况下，采取外保温复合墙体形式要比内保温复合墙体形式的热量损耗减少约20%，进而实现节约能源目的。

2.5 便于旧建筑节能改造

目前，国内许多既有村镇住宅，依旧处于无外墙保温层设置状态，部分建筑外墙保温效果差，耗能量大，冬季室内墙体结露、发霉，居住环境差。而外墙外保温措施可很好地用于已有建筑的墙体改造，与内保温相比，采用外保温方式对既有建筑进行节能改造，屋内居民无须临时搬迁，不影响用户的室内活动和正常生活，而且一般还能够统一提升建筑立面效果；同时，外保温可减少保温材料的用量，增加了房屋的室内使用面积，且避免了房屋装修过程中内保温层易遭破坏的现象。

3 外保温复合墙体的节能计算

外墙体是建筑物围护结构最重要的组成部分，外墙墙体不仅要抵御室外随着昼夜和四季变化的气温，还要保证室内相对稳定、平衡的温度和湿度。因此，墙板保温性能在一定程度上就决定了建筑系统整体的节能和保温性能。

3.1 复合墙体传热系数的计算

根据传热学的知识可以得到复合墙体传热系数计算公式如式（1）所示：

其中，K为传热系数；Rl=1/αl为内表面换热热阻；Re=1/αe为外表面换热热阻；αl，αe分别为内外壁与空气的对流换热系数；Ri=δi/λi为第i层材料的热阻；δi为第i层的厚度；λi为第i层的导热系数。

针对甘肃省天水市寒冷地区农村住宅，墙体尺寸为240 mm/370 mm厚度的黏土砖，外层铺设相应厚度的EPS苯板。内外壁对空气的对流换热系数分别取为αl=8.7 W/（m2·K），αe=23.3 W/（m2·K）。外墙节能分析时主体构造部分见表2。

表2 外墙复合墙体各部分量值

3.2 苯板厚度设计

在外墙外保温构造中，保温材料EPS苯板的作用至关重要，当苯板的厚度增加时，可以实现墙体传热系数减小的目的，从而达到保温效果。为了分析苯板厚度对传热系数的影响规律，图2，图3分别绘制了240 mm和370 mm砖墙厚下的传热系数随EPS苯板厚度的变化曲线。对比图2，图3可知370 mm墙厚的传热系数要小于240 mm墙厚的传热系数，这说明了370 mm厚的复合墙体的保温隔热效果要优于240 mm墙厚的保温隔热效果。并且从图2，图3均可以看出随着EPS苯板厚度的增加，传热系数在随之变小，当EPS苯板厚度大于130 mm厚时，减小的幅度变小。这说明了实际工程中复合墙体的保温隔热效果随着EPS苯板厚度的增加而增加，当EPS苯板厚度增加到一定程度时，传热系数的变化并不明显，即在实际工程中盲目的增加苯板的厚度实际上对墙体的保温效果变化影响并不明显。

图2 240 mm厚砖墙复合墙体传热系数变化曲线

图3 370 mm厚砖墙复合墙体传热系数变化曲线

为了确定不同墙厚下EPS苯板厚度的适宜值，图4，图5分别绘制了240 mm和370 mm砖墙厚下的传热系数变化率随EPS苯板厚度的变化曲线。从图4，图5均可以看出随着EPS苯板厚度的增加，传热系数变化率随之减小并且逐渐趋近于0。对于240 mm和370 mm墙厚，当EPS苯板厚度分别大于150 mm和130 mm时，传热系数变化率分别趋近于0，这说明了继续增大苯板的厚度对保温效果的增加意义不大。综上所述，为了能起到良好的保温隔热效果并且避免不必要的经济损失，在设置保温层时EPS苯板的厚度不宜设置过厚。

图4 240 mm厚砖墙复合墙体传热系数变化率曲线

图5 370 mm厚砖墙复合墙体传热系数变化率曲线

4 外保温复合墙体构造做法

按照外墙所需节能效果，以达到对应传热系数为标准，可有多重材料组合，故而外墙外保温系统种类多样，农宅外墙常用外墙外保温系统一般为粘贴保温板法。该法的保温材料一般为：有机保温材料多选用模塑聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS板）、挤塑聚苯板（XPS板）以及硬泡聚氨酯板（PUR板），无机保温材料可选择岩棉板或玻璃棉板等。

按保温材料的不同，粘贴保温板外保温主要做法有：将聚苯板粘贴、钉挂在外墙外表面，覆以玻纤网布后用聚合物水泥砂浆罩面；将岩棉板粘贴并钉挂在外墙外表面后，覆以钢丝网做聚合物水泥砂浆罩面，也可以把玻璃棉毡钉挂在墙外再覆以外挂板；固定件宜采用尼龙或不锈钢钉，以避免锈蚀，粘贴保温板外保温系统构造如图6所示。

图6 粘贴保温板外保温系统构造

5 结论

本文对外保温复合墙体的技术特点进行了概述，然后基于传热学的相关知识，结合具体实例对农宅外保温复合墙体材料的节能性能进行了分析，研究结果表明：

1）外保温复合墙体具有技术合理以及施工简单的优越性，是主要的墙体保温隔热措施。

2）外保温复合墙体可以提升建筑空间的舒适度以及结构的耐久性，还可以改善墙体的潮湿情况以及避免热桥现象的发生。

3）对寒冷地区农宅进行外保温墙体设计时，应该根据实际情况选择适当的EPS苯板的厚度，并且考虑到适宜的经济成本，EPS苯板不宜设置过厚。

4）不同材质的粘贴保温板法外保温复合墙体构造做法可为寒冷地区农宅外墙建造提供参考。