郁崗　霍唐軍　王立剛

摘 要：木塑結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體穩(wěn)態(tài)熱量傳遞性質(zhì)是評(píng)價(jià)其節(jié)能保溫的重要指標(biāo)。為了研究影響木塑結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體傳熱系數(shù)的因素，提高墻體保溫性能的方法，制備了11種不同構(gòu)造的木塑結(jié)構(gòu)墻體。采用熱箱-熱流計(jì)法檢測(cè)穩(wěn)態(tài)時(shí)墻體的有效傳熱系數(shù)，并對(duì)墻體傳熱系數(shù)理論計(jì)算值進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。結(jié)果表明：墻體材料的熱物理特性、墻骨柱類(lèi)型和內(nèi)外墻板面板對(duì)傳熱系數(shù)都有影響，所有采用木塑結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體有效傳熱系數(shù)在0.273-0.359W/（m2·K）之間，滿(mǎn)足嚴(yán)寒地區(qū)熱工級(jí)別It（K≤0.4W/（m2·K））。墻體熱阻的理論計(jì)算值與試驗(yàn)檢測(cè)值的線(xiàn)性相關(guān)度達(dá)到0.987。

關(guān)鍵詞：木塑結(jié)構(gòu)；復(fù)合墻體；隔熱性能；傳熱系數(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.097

木塑結(jié)構(gòu)建筑具有獨(dú)特的綠色環(huán)保、節(jié)能、抗震、結(jié)構(gòu)安全、健康舒適等優(yōu)勢(shì)，為人們創(chuàng)造了良好的居住環(huán)境[1]。創(chuàng)新理念木塑結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體是以木塑復(fù)合材為骨架材料，采用內(nèi)外覆面板，并由保溫、防潮、滿(mǎn)足荷載等多層材料構(gòu)成。作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，復(fù)合墻體的穩(wěn)態(tài)熱量傳遞性質(zhì)對(duì)建筑物保溫及能源消耗影響顯著[2]。

隨著木塑結(jié)構(gòu)建筑在不同氣候區(qū)的推廣使用，及其新材料的不斷涌現(xiàn)，木塑結(jié)構(gòu)墻體保溫及穩(wěn)態(tài)熱量傳遞性質(zhì)成為研究的重點(diǎn)之一。[3]研究木塑結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體保溫及穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)，有利于揭示熱量傳遞機(jī)理，分析影響墻體傳熱系數(shù)的因素，驗(yàn)證復(fù)合墻體的保溫性能是否達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，為新型墻體材料和結(jié)構(gòu)體系的開(kāi)發(fā)研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文采用國(guó)產(chǎn)鍍鋅輕鋼、加拿大SPF規(guī)格材、國(guó)產(chǎn)木塑復(fù)合材、國(guó)產(chǎn)OSB定向刨花板、國(guó)產(chǎn)紙面防火石膏板、國(guó)產(chǎn)塑料（PVC）、國(guó)產(chǎn)玻璃纖維棉等材料，進(jìn)行了木塑結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用不同墻體材料的墻骨柱和覆面板的組合方式制備了11種新型試驗(yàn)復(fù)合墻體。采用熱箱-熱流計(jì)法對(duì)各墻體進(jìn)行保溫性能的檢測(cè)與評(píng)價(jià)，探討了木塑結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體的保溫與穩(wěn)態(tài)熱量傳遞性質(zhì)以及各材料和墻體結(jié)構(gòu)方式對(duì)墻體傳熱系數(shù)的影響，并與傳熱系數(shù)理論計(jì)算值進(jìn)行了比較研究，以期為今后預(yù)制復(fù)合墻體的保溫及傳熱性質(zhì)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)[4]。

1 試驗(yàn)材料與墻體構(gòu)成

木塑結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體墻骨柱選用截面尺寸均為38×89mm的國(guó)產(chǎn)鍍鋅輕鋼、加拿大SPF規(guī)格材和國(guó)產(chǎn)木塑復(fù)合材。外墻覆面板采用厚度為12mm的國(guó)產(chǎn)OSB定向刨花板。內(nèi)墻覆面板采用10厚紙面防火石膏板。外墻掛板采用8厚塑料（PVC）掛板，20厚木塑（PE）外墻板和50厚木塑（PE）外墻板，墻體保溫層選用89厚玻璃纖維棉作為保溫材料。參考加拿大輕型木結(jié)構(gòu)住宅墻體的設(shè)計(jì)形式，結(jié)合中國(guó)GB 50005- 2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]以及GB/T50361-2005《木骨架組合墻體技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定[6]，木塑結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圖1所示。木塑墻體主要材料與連接方式，如表1.1所示。

木塑結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體構(gòu)造如表1.2所示。G1墻骨柱類(lèi)型采用國(guó)產(chǎn)鍍鋅輕鋼，S1-S5墻骨柱類(lèi)型采用SPF規(guī)格材和W1-W5墻骨柱類(lèi)型采用木塑復(fù)合材。S1-S5和W1-W5在墻板形式上依次增加8厚木塑（PVC）內(nèi)墻板、20厚塑料（PVC）外墻板、20厚木塑（PE）外墻板、50厚木塑（PE）外墻板。

2 實(shí)驗(yàn)方法與計(jì)算模型

2.1 導(dǎo)熱系數(shù)檢測(cè)方法

選取塑料（PVC）、SPF規(guī)格材、木塑（PVC）、木塑（PE）、紙面防火石膏板、OSB定向刨花板和鋪設(shè)擠壓度與試驗(yàn)相同的玻璃纖維棉，采用ISOET model 2104 熱特性分析儀進(jìn)行測(cè)試。儀器接觸傳感器量程0.3-2 W/（m·K），用于測(cè)量塊材的熱物理特性；針式插入式傳感器量程1-2 W/（m·K），用于測(cè)量松散材料的熱物理特性。塊狀材試件尺寸不大于儀器接觸式探頭，松散材料插入針式探頭進(jìn)行測(cè)試。鑒于含水率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定有很大影響，對(duì)試驗(yàn)材材料中的木塑復(fù)合材、SPF規(guī)格材和OSB定向刨花板在80℃烘箱中處理24小時(shí)，然后在室溫下放置24小時(shí)，減少含水率對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量的影響。測(cè)試過(guò)程中溫度波動(dòng)范圍不超過(guò)2℃。平均15～20min測(cè)完一個(gè)材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.2 傳熱系數(shù)檢測(cè)方法

按照GB/T 13475-2008《絕熱 穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測(cè)定 標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》[7]進(jìn)行熱箱檢測(cè)。熱箱結(jié)構(gòu)由冷箱、熱箱和試件框3部分組成。冷熱箱內(nèi)均設(shè)置攪拌風(fēng)扇、均熱板以及測(cè)溫、控溫傳感器，使內(nèi)部環(huán)境溫度分布盡量均勻。通過(guò)冷、熱箱的溫度控制，為墻體冷、熱表面提供恒定溫差，使墻體能夠穩(wěn)態(tài)傳熱。采用建筑熱工溫度與傳熱系數(shù)K值巡檢儀采集記錄溫度和熱流密度數(shù)據(jù)。

當(dāng)熱流通過(guò)墻體結(jié)構(gòu)時(shí)，由于墻體熱阻的存在，在厚度方向的溫度梯度為衰減過(guò)程，在墻體兩側(cè)形成穩(wěn)定的溫差。在墻體受熱表面的墻骨柱上和墻骨柱之間位置貼上3個(gè)熱流板，在熱流板周?chē)獗砻娌贾?個(gè)T型熱電偶，并在冷面相應(yīng)處布置9個(gè)T型熱電偶。將測(cè)試信號(hào)輸入傳熱系數(shù)K值巡檢儀中，在墻體傳熱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)10小時(shí)后，讀取溫度和熱流值，并儲(chǔ)存記錄。通過(guò)公式計(jì)算得到傳熱系數(shù)K值。

2.3 墻體傳熱數(shù)值計(jì)算模型

復(fù)合墻體傳熱數(shù)值計(jì)算是基于一維穩(wěn)態(tài)傳熱原理，在試件兩側(cè)的箱體（冷箱和熱箱）內(nèi)分別建立所需的溫度、風(fēng)速和輻射條件，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，測(cè)量空氣溫度、試件和箱體內(nèi)壁的表面溫度及熱流密度，就可計(jì)算出試件的熱傳遞性質(zhì)。計(jì)算公式如下：

式中：Th為熱面測(cè)點(diǎn)平均溫度，單位是℃；

TC為冷面測(cè)點(diǎn)平均溫度，單位是℃；

q為熱流密度，單位是W/ m2；

Ri和Re為內(nèi)外表面換熱阻，單位是（m2·K）/W；

R為墻體換熱阻，單位是（m2·K）/W；

K為墻體傳熱系數(shù)，單位是W /（ m2·K）。

3 結(jié)果與討論

3.1 木塑建筑墻體材料的熱物理特性

如表1.3所示，比較實(shí)驗(yàn)測(cè)得的幾種建筑墻體材料的熱物理性能參數(shù)值發(fā)現(xiàn)：輕鋼材料的導(dǎo)熱系數(shù)最高。輕鋼>木塑（PE）>塑料（PVC）>木塑（PVC）>SPF規(guī)格材。導(dǎo)熱系數(shù)越小，其熱工性能越優(yōu)。木塑（PE）與常用建筑墻體覆面板（紙面防火石膏板、OSB定向刨花板等）相比，導(dǎo)熱系數(shù)接近。熱工性能方面，保溫隔熱材料分為：絕熱材料λ

3.2 墻骨柱類(lèi)型對(duì)墻體隔熱性能影響

11種木塑結(jié)構(gòu)墻體的組成材料和構(gòu)造方式不同，墻體保溫性能存在差異。根據(jù)公式（1，2）計(jì)算出各復(fù)合墻體的熱阻值和傳熱系數(shù) ，如表1.4所示。

G1、S2、W2墻體除墻骨柱類(lèi)型不同外，其他建筑構(gòu)造保持一致，以木塑復(fù)合材為墻骨柱的墻體的保溫性能優(yōu)于以SPF規(guī)格材為墻骨柱的墻體，傳熱系數(shù)從0.368W/（m2·K）降低到0.349W/（m2·K），下降5.16%。且大大優(yōu)于以輕鋼作為墻骨柱的墻體，傳熱系數(shù)相比0.955 W/（m2·K），下降63.5%。造成這種現(xiàn)象的原因是鍍鋅輕鋼是熱的良好導(dǎo)體，不利于隔熱；其次，雖然木塑的導(dǎo)熱系數(shù)高于SPF規(guī)格材，但50厚木塑墻板經(jīng)過(guò)“目”型截面處理，中間多了幾層空氣層，空氣是熱的不良導(dǎo)體，改造后的木塑墻骨柱獲得比SPF規(guī)格材更好的熱工性能，從而將墻體的總傳熱系數(shù)進(jìn)一步降低。因此，采用合理截面形式能使采用木塑復(fù)合材為墻骨柱的墻體獲得比采用SPF規(guī)格材為墻骨柱的墻體更優(yōu)的保溫隔熱性能。此外，木塑結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體總有效傳熱系數(shù)<0.4 W/（m2·K），滿(mǎn)足墻體熱工級(jí)別中It級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，適用于嚴(yán)寒地區(qū)[9]。

3.3 墻面板對(duì)墻體隔熱性能影響

如圖2所示，以“目”型木塑材作為墻骨柱的墻體的總傳熱系數(shù)大小值比較：W5

3.4 理論計(jì)算與試驗(yàn)檢測(cè)比較

根據(jù)GB50176-93民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算方法，按照多層結(jié)構(gòu)非均質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式的平均熱阻計(jì)算公式，將各層材料的熱阻進(jìn)行累加得到每一塊墻體熱阻。傳熱系數(shù)計(jì)算如下：

式中：R為墻體熱阻，單位是（m2·K）/W；

SS為墻骨柱所占?jí)w面積比例，本試件所占比例為21.2%；

K1為墻骨柱處傳熱系數(shù)，單位是W /（ m2·K）；

KS為保溫棉處傳熱系數(shù)，單位是W /（ m2·K）；

如表1.5-1.6和圖3所示，由于復(fù)合墻體各層之間空隙而增加的熱阻和材料的非均質(zhì)性特性等原因，使理論計(jì)算的傳熱系數(shù)與試驗(yàn)檢測(cè)的傳熱系數(shù)存在一定誤差，兩者的誤差在16%以?xún)?nèi)，但兩者的相關(guān)系數(shù)是0.987，具有很高的一致性。因此，在試驗(yàn)檢測(cè)不方便時(shí)可通過(guò)材料導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算得到木塑結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體的傳熱系數(shù)。

4 結(jié)論

通過(guò)上述研究與分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）木塑集成木構(gòu)墻體采用的木塑復(fù)合材導(dǎo)熱系數(shù)較低，其中墻體內(nèi)飾面板用木塑（PVC）導(dǎo)熱系數(shù)為0.080W/（m·K），外墻面板用木塑（PE）的導(dǎo)熱系數(shù)為0.338W/（m·K）。內(nèi)飾面板用木塑（PVC）為板狀塊材，是一種裝飾、熱絕緣材料，達(dá)到保溫材料要求，接近高效保溫材料。木塑（PE）的導(dǎo)熱系數(shù)相比輕鋼材料具有很大的隔熱優(yōu)勢(shì)。采用木塑復(fù)合材作為外墻掛板、內(nèi)墻飾面、墻骨柱等在建筑熱工性能方面優(yōu)勢(shì)明顯。

（2）采用合理截面形式能使采用木塑復(fù)合材為墻骨柱的墻體獲得比采用SPF規(guī)格材和鍍鋅輕鋼為墻骨柱的墻體更優(yōu)的保溫隔熱性能。木塑結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體總有效傳熱系數(shù)U<0.4 W/（m2·K），滿(mǎn)足墻體熱工級(jí)別中It級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，適用于嚴(yán)寒地區(qū)。

（3）外墻掛板采用“目”型截面構(gòu)造和木塑材料本身優(yōu)良的熱工性能使得采用50mm厚木塑外墻掛板的墻體具有最佳的保溫隔熱性能。木塑（PVC）內(nèi)墻飾面板在起到內(nèi)部裝飾作用的同時(shí)也能起到很好的隔熱作用。合理的將木塑復(fù)合材運(yùn)用于內(nèi)外墻板材料，采用合理的結(jié)構(gòu)形式能有效提高墻體熱工性能。

（4）復(fù)合墻體理論計(jì)算值與試驗(yàn)檢測(cè)值的誤差在16%以?xún)?nèi)，兩者相關(guān)系數(shù)為0.987，具有高度一致性?？赏ㄟ^(guò)材料導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算得到木塑結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體的傳熱系數(shù)。

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