来源：被动房网
1 引言
近年来随着国家经济的发展和人民生活水平的提高，建筑能耗和建筑舒适度问题逐渐被人们所重视。国内相关研究[1]表明2015年我国建筑能源消费占全国能源消费总量的19.93%，而且以每年一个百分点的速度在增加。为响应国家节能减排战略方针，起源于德国的被动式低能耗建筑已成为我国建筑的重要发展方向。但是目前国内对于被动式低能耗建筑的研究尚处于发展阶段，相关理论的不成熟和不完善及工程经验的不足导致国内被动式低能耗建筑外保温系统在设计和施工过程中忽略一些影响因素。
本文以寒冷地区为例，对被动式低能耗建筑岩棉外保温系统在温度作用下的传热、变形及受力状况进行了分析。
2 岩棉外保温系统的介绍
根据设计要求，寒冷地区被动式低能耗建筑岩棉外保温系统中岩棉层厚度约为250mm~300mm，该系统的构造见表1，各构造层的材料参数[2]见表2。
表1 岩棉外保温系统构造
表2 岩棉外保温系统的性能参数
3 岩棉外保温系统的传热分析
3.1规范方法
建筑围护结构保温设计一般按一维稳态传热计算。一定厚度的单层匀质材料，当宽与高的尺寸比厚度大得多时，则通过平壁的热流可视为只有沿厚度一个方向，即一维传热，当平壁的内、外表面温度保持稳态时，则通过平壁的传热情况亦不会随时间变化，这种传热称一维稳态传热。
《民用建筑热工设计规范》（GB50176-2016）[2]规定在稳态传热条件下单一匀质材料的热阻应按下式计算：
根据公式(1)，可计算该系统的围护结构各构造层的热阻，见表3。
多层匀质材料层组成的围护结构平壁的热阻按下式计算：
表3 保温系统各构造层热阻
则该围护结构平壁的热阻为：
R=0.01+0.01+6.67+0.01+0.11+0.02=6.83
围护结构平壁的传热阻按下式计算：
传热系数物理意义是指在稳态传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度（K，℃），1小时通过1平方米面积传递的热量。传热系数越大说明在同等温度条件下通过结构的热量越多。
3.2 软件模拟
按表2中的参数对该外保温系统建立有限元模型，划分网格、施加载荷并进行传热计算。本文选取冬季和夏季两种工况进行分析，见表4。分析模型的总高度为一个层高（3m），如图1所示。
表4 岩棉外保温系统的室内外条件（℃）
图1 岩棉外保温系统的计算模型
在夏季和冬季温度作用下，外保温系统的温度场分布如图2所示，温度沿墙体厚度的变化曲线如图3所示。
图2 外保温系统的温度场分布（℃）
图3 沿墙体厚度温度变化曲线
在夏季和冬季温度作用下，该保温系统稳态传热条件下的热流密度如图4所示。
图4 外保温系统的热流密度（W/mm2）
根据图4显示的热流密度，按式(6)可计算夏季和冬季工况下围护结构的传热系数，见表5。
表5 传热系数计算结果对比
软件计算结果与规范计算结果的误差仅为1.7%，说明采用软件计算的方法精度满足要求。
4 岩棉外保温系统的温度效应分析
按上述软件模拟的方法分别对在楼层处设置伸缩缝和不设置伸缩缝的围护结构在冬季和夏季温度作用下进行热力耦合计算，计算结果如图5、图6所示。
夏季和冬季温度作用下保温系统外侧饰面层和找平层由于热胀冷缩会产生拉伸（冬季）和压缩（夏季）应力，其在有无伸缩缝状态下的最大拉伸应力和最大压缩应力见表6。
图5 夏季温度作用下外保温系统的S22应力（MPa）
图6 冬季温度作用下外保温系统S22应力（MPa）
表6 温度作用下找平层和饰面层的S22应力（MPa）
表6说明在水平方向设置伸缩缝可有效减小温度作用下外侧饰面层和找平层的拉伸和压缩应力，而不设置伸缩缝会导致岩棉外保温系统的安全和质量存在隐患。
设置伸缩缝后外保温系统在伸缩缝部位不再连续，在冬季温度作用下伸缩缝上下保温系统有翘曲的趋势，如图6(b)所示，该翘曲会引起伸缩缝上下保温系统的角部与混凝土墙体粘结部位的应力集中，当应力超过岩棉条（带）的材料自身抗拉强度或粘结砂浆的粘结强度时，该部位岩棉条（带）会产生拉裂或粘结砂浆开裂甚至粘结失效。而在夏季温度作用下，伸缩缝上下保温系统单元中部会产生外鼓的趋势，如图5(b)所示，外鼓会影响外保温系统的的平整度和安全性，甚至粘结失效。因此保温系统施工过程中应在水平方向合理设置伸缩缝，并在相应位置合理设置锚栓，一方面削弱温度应力，另一方面可避免产生过大的翘曲、外鼓甚至空鼓、脱落。此外对于建筑物的山墙部位，由于其保温系统面积较大，在温度荷载作用下，保温系统内部温度应力会较高，因此除了合理设置水平伸缩缝外，尚应沿竖直方向合理设置伸缩缝，以削减温度效应产生的水平方向的温度应力。
5 结论
（1）本文分别按照规范方法和软件模拟的方法计算了被动式低能耗建筑岩棉外保温系统的传热系数并对计算结果进行了对比，根据对比结果分析了软件模拟的可行性。
（2）采用软件模拟的方法分析了该系统在夏季和冬季温度作用下的应力和变形趋势。
（3）设置伸缩缝可有效降低岩棉外保温系统饰面层和找平层的温度应力，减少饰面层不规则裂缝的产生，因此在岩棉外保温系统面积较大部位宜沿水平和竖直方向合理设置伸缩缝，并采取锚栓锚固的控制措施，以提高保温系统的安全性。
参考文献：
[1]侯恩哲.《中国建筑能耗研究报告(2017)》概述[J].建筑节能,2017(12):131.
[2]民用建筑热工设计规范GB50176-2016[S].
作者
河北三楷深发科技股份有限公司 刘立朋 马国栋
河北省城乡规划设计研究院 张军英
石家庄市建筑节能与墙材革新管理中心 刘永健
