污泥燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚墻體熱工性能研究

黃榜彪，李治，黃秉章，祁偉偉，潘佳玉，廖天權(quán)，張貝

（1.廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州　545006；2.廣西榮泰設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，廣西 柳州　545006）

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污泥燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚墻體熱工性能研究

黃榜彪1，李治1，黃秉章2，祁偉偉1，潘佳玉1，廖天權(quán)1，張貝1

（1.廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州545006；2.廣西榮泰設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，廣西 柳州545006）

摘要：為了研究污泥燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚墻體熱工性能以及不同孔型的磚體和不同墻體構(gòu)造的磚墻傳熱系數(shù)差異。通過(guò)熱線(xiàn)法測(cè)定污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚導(dǎo)熱系數(shù)以及通過(guò)防護(hù)熱箱法對(duì)6面污泥燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚墻體進(jìn)行傳熱系數(shù)檢測(cè)。分析結(jié)果表明，矩形孔磚墻體熱工性能比圓形孔磚墻體熱工性能好，兩面抹灰的墻體比素磚墻體熱工性能好，一面抹灰，另外一面貼聚苯乙烯塑料板的墻體比兩面抹灰的墻體熱工性能好，保溫層導(dǎo)熱系數(shù)越小，對(duì)整個(gè)墻體的保溫貢獻(xiàn)越大。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出矩形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚傳熱系數(shù)小，保溫性能好，建議推廣使用。

關(guān)鍵詞：污泥燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚；熱工性能；孔型；導(dǎo)熱系數(shù)；傳熱系數(shù)

建筑節(jié)能很重要的一部分是依靠性能優(yōu)質(zhì)的墻體保溫材料，然而新型墻體材料在建筑中的應(yīng)用對(duì)建筑物節(jié)能有什么程度的影響，需要使用一套與之相適應(yīng)的檢測(cè)方法和體系。當(dāng)前判斷建筑的節(jié)能程度主要依靠墻體熱工性能的檢測(cè)技術(shù)，出具一份建筑節(jié)能檢測(cè)報(bào)告，才能判定建筑物是否達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求。而墻體結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)是墻體熱工性能的主要方面，是影響建筑是否達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的重要影響因素之一。

本課題組長(zhǎng)期從事污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚的研發(fā)及推廣，并且近年來(lái)已經(jīng)完成了有關(guān)力學(xué)性能試驗(yàn)，但是對(duì)污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚的保溫隔熱性能等有關(guān)研究不夠深入，而且污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚并未全面推廣進(jìn)入市場(chǎng)，阻礙了污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)度。本文對(duì)污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚單磚導(dǎo)熱系數(shù)以及墻體傳熱系數(shù)的研究，可為污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚產(chǎn)品的推廣應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)［1-3］。

1　單磚導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

1.1熱線(xiàn)法測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)

使用熱線(xiàn)法測(cè)試材料導(dǎo)熱系數(shù)是一種非穩(wěn)態(tài)方法。原理是在溫度均勻的磚體中放置一根電阻絲為“熱線(xiàn)”，通電后電阻絲以恒定功率加熱磚體，電阻絲附近的磚體材料的溫度將會(huì)隨時(shí)間變化。依據(jù)磚體溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系，即可確定磚體的導(dǎo)熱系數(shù)［4］。

1.2計(jì)算原理

根據(jù)熱線(xiàn)法的試驗(yàn)原理，并作了一些數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)，使用計(jì)算機(jī)模擬數(shù)學(xué)模型進(jìn)行測(cè)試。利用儀器提供的熱電偶信號(hào)輸入，可以模擬熱線(xiàn)法的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行測(cè)試。從測(cè)得的熱線(xiàn)溫度上升曲線(xiàn)上，按一定時(shí)間間隔依次讀取熱線(xiàn)的溫升θi。按式（1）計(jì)算修正熱線(xiàn)與試樣熱容量差異后的熱線(xiàn)溫升θi

式中：θi、θi——熱線(xiàn)的測(cè)量值溫升和修正后溫升，℃；

D——熱線(xiàn)的直徑，m；

L——熱線(xiàn)長(zhǎng)度，m；

P——熱線(xiàn)加熱功率，W；

ρh、ρs——熱線(xiàn)和試樣的密度，kg/m3；

cph、cps——熱線(xiàn)和試樣的比熱容，J（/kg·K）。

ti——測(cè)θi時(shí)的加熱時(shí)間，s。

熱線(xiàn)的加熱功率按式（2）計(jì)算：

式中：I——熱線(xiàn)加熱電流，A；

V——熱線(xiàn)段的加熱電壓，V。

以時(shí)間的對(duì)數(shù)ln t為橫坐標(biāo)，以溫升θi為縱坐標(biāo)，繪出ln t-θi曲線(xiàn)，確定其線(xiàn)性區(qū)域。推薦在ln t-θi曲線(xiàn)的線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)，等距選取4～5個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合直線(xiàn)方程，求出其斜率A。亦可取直線(xiàn)區(qū)域兩端測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算A，但ti應(yīng)等于60～90 s。

按式（4）計(jì)算試件的導(dǎo)熱系數(shù)：

1.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本次試驗(yàn)所選用的磚型為圓形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚以及矩形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚，尺寸分別如圖1和圖2所示。

圖1　圓形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚尺寸

圖2　矩形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚尺寸

通過(guò)熱線(xiàn)法測(cè)得圓形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.461W/（m·K），矩形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.321 W/（m·K）。矩形孔污泥燒結(jié)磚的導(dǎo)熱系數(shù)小于圓形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚的導(dǎo)熱系數(shù)，這是由于矩形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚傳熱路徑比圓形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚復(fù)雜，阻礙了多孔磚的傳熱，說(shuō)明矩形孔的設(shè)計(jì)比圓形孔能更加有效地提高多孔磚的熱工性能。

2　墻體熱工性能測(cè)試

2.1防護(hù)熱箱法檢測(cè)墻體傳熱系數(shù)的原理

防護(hù)熱箱法檢測(cè)是根據(jù)一維穩(wěn)態(tài)傳熱原理，分別在墻體的兩側(cè)建立所需的風(fēng)速、溫度以及輻射條件，這些條件分別由熱箱和冷箱提供，墻體傳熱穩(wěn)定后，測(cè)量箱體內(nèi)空氣溫度、墻體表面溫度以及箱體導(dǎo)流屏表面溫度及輸入到計(jì)量箱的功率，再通過(guò)計(jì)算求得墻體的傳熱系數(shù)。防護(hù)熱箱設(shè)備檢測(cè)墻體傳熱系數(shù)檢測(cè)設(shè)備如圖3所示。

圖3　防護(hù)箱檢測(cè)設(shè)備

裝置分為計(jì)量箱、防護(hù)箱、冷箱和試件框。檢測(cè)時(shí)將墻體砌筑在試件框內(nèi)，兩側(cè)分別安放冷箱和熱箱，熱箱側(cè)布局為計(jì)量箱安裝在防護(hù)熱箱內(nèi)。冷熱箱分別設(shè)定檢測(cè)條件，使箱體內(nèi)保持穩(wěn)定的空氣溫度、氣流速度和輻射條件。測(cè)量輸入防護(hù)熱箱的功率Qp，減去通過(guò)計(jì)量箱壁流失的熱量Q2和墻體不平衡熱流量Q3，就可得到冷熱箱的傳熱功率Q1。通過(guò)使計(jì)量箱的溫度與防護(hù)箱內(nèi)相同，使墻體內(nèi)的不平衡熱流量Q3以及通過(guò)計(jì)量箱壁損失的熱流量Q2均達(dá)到最小，可忽略。依據(jù)下列公式計(jì)算被測(cè)墻體的傳熱阻和傳熱系數(shù)［5-6］：

式中：U——墻體的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

A——熱箱的開(kāi)口面積，m2；

Ta——試件附近的空氣溫度，K；

Tr'——所有與試件進(jìn)行輻射換熱的表面的輻射平均溫度，K；

Ts——試件的表面溫度，K；

Tni——試件熱側(cè)環(huán)境溫度，K；

Tne——試件冷側(cè)環(huán)境溫度，K；

Tm——適合的平均輻射絕對(duì)溫度，K；

σ——斯蒂芬常數(shù)，取5.67×10-8W/（m2·K4）；

ε——輻射率；

ε1——導(dǎo)流屏的輻射率；

ε2——試件表面的輻射率；

hr——輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

2.2測(cè)試內(nèi)容

本次試驗(yàn)共砌筑6面墻體試件，W-1、W-2、W-3采用圓形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚砌筑，W-4、W-5、W-6采用矩形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚砌筑。砌筑方式采用一順一丁，如圖4所示。不同附加層墻體試件的構(gòu)造如圖5所示，附加層即墻體表面保溫或隔熱層。

圖4　試件砌筑的正面和側(cè)面

圖5　墻體試件的構(gòu)造

傳熱系數(shù)測(cè)試步驟如下：

（1）溫度傳感器的布置

將墻體表面污漬、外凸的砂漿清理干凈。先布置墻體冷面的溫度傳感器，其布置示意如圖6所示。

圖6　溫度傳感器布置示意

（2）操作界面的設(shè)置

試件安裝完畢后，打開(kāi)計(jì)算機(jī)，進(jìn)入“穩(wěn)態(tài)熱傳遞檢測(cè)系統(tǒng)”軟件，點(diǎn)擊系統(tǒng)傳感器檢測(cè)按鈕，可觀測(cè)溫度傳感器的數(shù)量和運(yùn)行情況，設(shè)定防護(hù)箱和計(jì)量箱的溫度30℃，冷箱溫度為10℃；計(jì)量面積為默認(rèn)值，不需變更；設(shè)置穩(wěn)定時(shí)間為360 min，平衡時(shí)間為360min，數(shù)據(jù)采集間隔為30min，采集次數(shù)8次。

2.3測(cè)試結(jié)果分析（見(jiàn)表1）

表1　各試件的傳熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果

由表1可見(jiàn)，污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚墻體的傳熱系數(shù)較小，符合廣西地方標(biāo)準(zhǔn)DB 45/221—2007《廣西壯族自治區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，在節(jié)能上存在很大的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于W-1、W-2、W-3試件，砌筑試件的基層都是圓形孔磚，由于附加層不同（見(jiàn)圖5），導(dǎo)致了傳熱系數(shù)有較大的差異。這說(shuō)明給墻體設(shè)置保溫層能改善墻體的熱工性能。對(duì)于W-4、W-5、W-6同樣如此。

對(duì)于W-1、W-4，W-2、W-5，W-3、W-6，雖然墻體外部構(gòu)造相同，但是由于砌筑材料不同，墻體傳熱系數(shù)也有較大差別，表明不同孔型的磚對(duì)墻體傳熱系數(shù)影響較大，從本次試驗(yàn)中可以得出，矩形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚墻體的熱工性能比圓形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚墻體的熱工性能好。

從表1可以看出，每面墻體達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，墻體冷熱表面溫差變化不大，主要的差別在于輸入計(jì)量箱的功率。墻體的熱工性能越差，輸入計(jì)量箱的功率越大。也就說(shuō)明節(jié)能性能越好的墻體，維持特定的環(huán)境時(shí)耗電量少。

2.4墻體傳熱系數(shù)理論計(jì)算

依據(jù)GB 50176—93《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》以及傳熱學(xué)基本原理，在平行于熱流方向，按幾層不同材料組成的平壁結(jié)構(gòu)的熱阻公式計(jì)算［7］：

式中：δj——平行熱流方向上各層材料的厚度，m；

λj——平行熱流方向上各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

Ri——內(nèi)表面換熱阻，冬季取0.04m2·K/W；

Re——外表面換熱阻，冬季取0.11m2·K/W。

在垂直于熱流方向上，按照幾種材料組成的組合壁平均熱阻計(jì)算公式：

式中：R——平均熱阻，m·2K/W；

F0——垂直熱流方向的總傳熱面積，m2；

F1、F2、...、Fn——按平行于熱流方向劃分的各個(gè)傳熱通道的面積，m2；

R0，1、R0，2、...R0，n——各個(gè)傳熱部位的熱阻，m2·K/W；

φ——修正系數(shù)，按表2取值。

以上計(jì)算中，空氣間層的熱阻值也按表2取值。

表2　修正系數(shù)取值

墻壁傳熱阻R0=R+Ri+Re，傳熱系數(shù)K=1/R0。

根據(jù)以上原理，以試件W-6墻體傳熱過(guò)程為例，求解墻體的傳熱系數(shù)。計(jì)算單元選取墻體中的1個(gè)計(jì)算單元及上下左右灰縫各5mm，如圖7所示，對(duì)1個(gè)計(jì)算單元?jiǎng)澐謧鳠嵬ǖ?，劃分結(jié)果如圖8所示。

圖7　墻體的計(jì)算單元平面和立面

圖8　墻體計(jì)算單元通道劃分

計(jì)算參數(shù)如下：污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚的尺寸為240mm×115 mm×90mm，干密度為1100 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)為0.7W/（m·K）；混合砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)為λ2=0.870W/（m·K）。試件W-5理論計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3　試件W-5理論計(jì)算表

污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚導(dǎo)熱系數(shù)為0.7W/（m·K），混合砂漿導(dǎo)熱系數(shù)為0.87W/（m·K），13mm空氣層的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為0.089 W/（m·K），16mm空氣層的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為0.099W/（m·K），23mm空氣層的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為0.141W/（m·K），39mm空氣層的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為0.218W/（m·K）。=0.559，所以取φ=0.96。

用這種方法可計(jì)算W-1～W-6的傳熱系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　各試件傳熱系數(shù)理論計(jì)算值

2.5誤差分析

由表1與表4可知，墻體傳熱系數(shù)測(cè)試值和理論計(jì)算值有一定的誤差，主要有以下原因：

（1）在理論計(jì)算中，墻體的傳熱系數(shù)是由墻體總熱阻求得。墻體的總熱阻是由墻體本身的熱阻以及內(nèi)外墻體表面的換熱熱阻組成，由于墻體表面換熱熱阻受到墻體材料表面輻射特性、表面粗糙程度、周?chē)諝饬鲃?dòng)、墻體外表面與周?chē)諝忾g的溫差等因素的影響，是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程。通常我們采用的理論計(jì)算方法，把墻體的穩(wěn)態(tài)傳熱看成一個(gè)穩(wěn)定的過(guò)程，不受外界影響，其材料的導(dǎo)熱系數(shù)、空氣層的熱阻以及內(nèi)外表面的換熱系數(shù)都不隨外界因素改變而改變，是一種理想化的計(jì)算模型。理論計(jì)算是按照面積將傳熱各部分的熱阻進(jìn)行加權(quán)平均，這種方法存在很大的局限性，并不能完全反映出穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程中的熱流分布、溫度分布等具體情況，不能反映結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)對(duì)其傳熱過(guò)程的影響等。在實(shí)際測(cè)試中，墻體表面的粗糙程度、周?chē)諝獾牧鲃?dòng)特點(diǎn)及墻體冷表面的冷凝水都會(huì)改變墻體表面換熱熱阻，從而影響冷熱表面的換熱系數(shù)。

（2）在測(cè)試過(guò)程中，每次組裝試件后，合并箱體時(shí)箱體的密封程度不一樣，可能會(huì)造成熱量損失，加熱器產(chǎn)生的一部分熱量用來(lái)彌補(bǔ)熱量損失，導(dǎo)致加熱功率變大，測(cè)量結(jié)果也會(huì)變大。

（3）墻體熱傳遞不僅包括吸熱、放熱，墻體結(jié)構(gòu)還存在蓄熱功能，因此溫度在時(shí)間上存在延遲現(xiàn)象。在墻體熱工性能測(cè)試中，墻體的熱惰性會(huì)影響到動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，使測(cè)得的數(shù)據(jù)滯后于時(shí)間點(diǎn)，就是說(shuō)，同一時(shí)刻所測(cè)得墻體的溫度值和加熱功率，實(shí)際在時(shí)間上并不一致，在相同時(shí)刻流出墻體冷表面的熱量與流入墻體熱表面的熱量也不一致，對(duì)數(shù)據(jù)的精確度產(chǎn)生影響［8］。

3　結(jié)論

（1）防護(hù)熱箱法測(cè)試墻體傳熱系數(shù)時(shí)，由于熱源的存在和密封良好，墻體能較快達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。測(cè)得的數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值相差不大，是一種較為理想的測(cè)試墻體熱工性能的方法。

（2）提高墻體本身的熱阻是減小墻體傳熱系數(shù)，改善墻體節(jié)能性最根本的方法。工程中，可通過(guò)構(gòu)造保溫層、增加墻體厚度等方法增大墻體結(jié)構(gòu)的熱阻。

（3）矩形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚導(dǎo)熱系數(shù)小于圓形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚導(dǎo)熱系數(shù)。矩形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚墻體的傳熱系數(shù)要比相同構(gòu)造的圓形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚的傳熱系數(shù)小。在節(jié)能上存在很大的優(yōu)勢(shì)，建議推廣使用矩形孔污泥燒結(jié)頁(yè)巖磚。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TU551

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-702X（2016）05-0030-05

基金項(xiàng)目：廣西千億元產(chǎn)業(yè)重大科技攻關(guān)項(xiàng)目

收稿日期：2015-11-17

作者簡(jiǎn)介：黃榜彪，男，1964年生，廣西桂平人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾滦徒ㄖ牧稀?/p>

Sludge in sintering shale porous brick wall thermal performance study

HUANG Bangbiao1，LI Zhi1，HUANG Bingzhang2，QIWeiwei1，PAN Jiayu1，LIAO Tianquan1，ZHANG Bei1
（1.College of Civil and Architectural Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China；2.Guangxi Rong Tai Design Company，Liuzhou 545006，China）

Abstract：In order to study the sludge sintered porous brick wall thermal properties and difference in heat transfer coefficient of brick wall with different hole pattern bricks and different wall structures，the thermal conductivity of sludge sintered shale brick was determined with the hotline method，and the heat transfer coefficient of six sludge sintered shale brick wall surfaces was detected through protection hot box method.Analysis results show that the thermal performance of rectangular hole porous brick wall is better than that of the round hole perforated brick wall，the thermal performance of wall with two sides plastered is better than that of the plain brick wall，the thermal performance of wall with one side plastered and the other side stuck a polystyrene plastic panel is better than that of the wall with two side p lastered.The smaller the coefficient of thermal conductivity of the thermal insulation layer，the greater is the contribution to the whole wall heat preservation.We can conclude from the test data that the rectangle hole sludge sintered shale brick has small heat transfer coefficient and good heat preservation performance，which is recommended for wide application.

Keywords：sludge sintered shale porous brick，the thermal performance，hole pattern，coefficient of thermal conductivity，heat transfer coefficient