輕型木結(jié)構(gòu)墻體穩(wěn)態(tài)傳熱性能及其保溫材料影響比較

張曉鳳，楊茹元，劉芯彤，孫友富,2*

(1.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，南京 210037；2.南京林業(yè)大學林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037)

當前我國建筑行業(yè)正處于較為穩(wěn)定的發(fā)展階段，建筑數(shù)量也處于穩(wěn)定擴張期[1]。隨著建筑數(shù)量不斷增多，隨之而來的建筑住宅節(jié)能問題也日益突出。輕型木結(jié)構(gòu)建筑因其自重輕、成本低、取材方便，綠色環(huán)保和易于施工等特點，在中國建筑領域具有十分廣闊的發(fā)展前景。輕型木結(jié)構(gòu)墻體的特殊構(gòu)造導致墻體的傳熱過程更為復雜，墻骨柱是墻體傳熱和熱量損失的重要環(huán)節(jié)，因此，輕型木結(jié)構(gòu)建筑的保溫隔熱成為建筑設計師和住戶關(guān)注的重要問題。如何有效提升墻體的保溫隔熱性能是當前發(fā)展輕型木結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題之一[2-3]，也是對居住環(huán)境的有力保障，是建設綠色環(huán)保、低能耗建筑的關(guān)鍵。

目前，相關(guān)學者對墻體熱工的研究不再局限于單一的試驗法。Straube等[4]采用二維穩(wěn)態(tài)熱流模型分析法，研究了熱阻較高的墻體熱工性能和結(jié)構(gòu)構(gòu)件對墻體傳熱性能的影響，并對其進行了量化。Kosny等[5]對真空保溫板和氣凝膠保溫板2種保溫材料的保溫性能和經(jīng)濟性進行了分析，發(fā)現(xiàn)兩者的保溫性能和經(jīng)濟性能較普通保溫板更具優(yōu)勢，氣凝膠保溫板應用在建筑圍護結(jié)構(gòu)中具有可行性。王志強等[6]采用實驗室測量法對銀杏材空心刨花板的傳熱性能進行測試，研究表明此類刨花板板材導熱系數(shù)較低，熱量不易通過，且厚度較薄，占用空間小，可用于建筑外墻。與此同時，許多大型模擬分析軟件被應用于墻體傳熱性能研究中，部分學者采用ANSYS有限元軟件對各種復合墻體進行熱工性能研究，得到孔洞排數(shù)與孔洞長度是影響腹板開孔輕鋼龍骨墻體傳熱性能以及主要參數(shù)的結(jié)論，同時證明了模擬分析法具有可行性[7-8]。張穎璐等[9]研究分析了如何利用BECS計算機模擬軟件高效地進行建筑能耗模擬和節(jié)能設計，并以常州某住宅進行實例說明，有效改善了建筑熱工性能，降低建筑能耗。為促進不同時期輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體熱工性能的改善與提升，丁葉蔚等[10]實測南京地區(qū)A、B兩幢輕型木結(jié)構(gòu)建筑外墻材料導熱系數(shù)和4種不同組合外墻體，試驗表明，4種墻體傳熱系數(shù)均小于0.4 W/(m2·K)，達到嚴寒地區(qū)熱工性能設計標準，其中，A幢軟木外墻體建筑保溫性能優(yōu)于B幢防腐木外墻體建筑。馬艷秋等[11]通過試驗測定和數(shù)值模擬2種方法，研究了常用輕型木結(jié)構(gòu)墻體的平均傳熱系數(shù)及其在嚴寒和寒冷地區(qū)各氣候分區(qū)中節(jié)能設計的適用性。闕澤利等[12]和王菲彬等[13]采用SIPs結(jié)構(gòu)用于貴州傳統(tǒng)木構(gòu)民居改良，芯層選用的發(fā)泡聚苯乙烯板(EPS)具有價格低廉、輕質(zhì)、熱穩(wěn)定性好的特點。王雪花等[14-15]對SIP結(jié)構(gòu)的外覆保溫板開展研究，分別對木質(zhì)OSB、重組竹及竹簾膠合板為覆面材料(厚度12 mm)、EPS為芯層(厚度89 mm)的SIP保溫性能進行對比，試驗表明，OSB、重組竹、竹簾膠合板的導熱系數(shù)差異較大，但組合構(gòu)件SIP傳熱系數(shù)差異不大?？赡艿脑蛟谟贓PS具有良好的保溫隔熱性能[16-17]。

以上研究為本試驗提供了良好的研究基礎及可靠的試驗依據(jù)，然而實際工程調(diào)研發(fā)現(xiàn)，輕型木結(jié)構(gòu)墻體墻骨柱缺少保溫結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生冷熱橋，寒冷地區(qū)或者室內(nèi)外溫差較大地區(qū)冷熱橋效應尤其顯著?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)外墻保溫方式和工程做法與鋼筋混凝土墻體的比較尚未形成統(tǒng)一、有效的標準；新型材料具有更加優(yōu)良的保溫隔熱性能，且質(zhì)輕體積小，其優(yōu)越性對傳統(tǒng)保溫材料提出了挑戰(zhàn)。因此，針對上述3個方面開展輕型木結(jié)構(gòu)墻體穩(wěn)態(tài)傳熱性能及保溫材料影響比較研究，對提高墻體保溫能力及建筑節(jié)能具有重要意義。

1 材料與方法

選用氣凝膠隔熱氈、EPS保溫板、納米微珠保溫涂料，分別應用于墻骨柱表面層、墻體內(nèi)側(cè)、石膏板內(nèi)表面，并根據(jù)理論計算優(yōu)選12種不同構(gòu)造的墻體試件作為研究對象，通過試驗驗證保溫效果，從而改善墻體的傳熱系數(shù)。

1.1 試驗材料

墻體試驗材料規(guī)格參數(shù)及導熱系數(shù)見表1。此外，納米微珠保溫涂料以自交聯(lián)丙烯乳液作為成膜物質(zhì)，以二氧化硅、空心玻璃微珠和六鈦甲酸晶須等作為填充材料，并在多種助劑的作用下制備而成；其他材料包括石膏板自攻螺釘、普通圓釘?shù)取?/p>

表1 墻體材料規(guī)格參數(shù)及導熱系數(shù)Table 1 The specification and thermal conductivity of the wall materials

1.2 試驗方法

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點與材料特性對輕型木結(jié)構(gòu)墻體進行保溫措施提升設計，設計12種不同構(gòu)造的墻體(表2)。因基層墻體和保溫層是影響墻體傳熱性能最重要的環(huán)節(jié)，且本試驗重點分析保溫材料對輕型木結(jié)構(gòu)墻體傳熱性能的影響，為減少試驗誤差，暫不考慮抹面層及飾面層的作用。12種墻體所采用的OSB和石膏板厚度均為12 mm，所采用的保溫棉均為聚酯纖維棉。

表2 墻體保溫構(gòu)造設計Table 2 Wall insulation structure designs

根據(jù)試驗設備對試驗墻體的尺寸要求[18]，本試驗墻體尺寸規(guī)格確定為1 100 mm×900 mm，墻體框架鋪設如圖1所示。

注：1～9為溫度傳感器；a和b為熱流計。圖1 墻體框架(A)及熱流計和溫度傳感器布置圖(B)Fig.1 Wall frame (A)，heat flow meter and temperature sensor layout (B)

1.2.1 測試設備

采用浙江金華試驗機銷售有限公司制造的JTRG-B建筑熱工溫度與熱流自動測試系統(tǒng)進行測試。系統(tǒng)包括JTRG-B型建筑熱工溫度與熱流自動測試儀、JTRG-B型熱箱控制儀、噴墨打印機、系統(tǒng)軟件、數(shù)字式溫度傳感器、熱流計、Pt100鉑熱電阻和USB通訊電纜等。

1.2.2 試驗過程

木結(jié)構(gòu)墻體構(gòu)造較為特殊，中間層由墻骨柱和保溫棉共同組成，由于2種材料導熱系數(shù)和所占面積比例不同，導致其傳熱較為復雜。為讓試驗更加全面反映整個墻體的傳熱系數(shù)，也為能夠測試導熱系數(shù)較高的墻骨柱位置對墻體傳熱性能的影響，將溫度傳感器均勻分布在試件墻體兩側(cè)表面的同時，區(qū)別測試墻骨柱位置和保溫棉位置處的溫度和熱流密度?；谏鲜鲆?，熱流計和溫度傳感器的布置如圖1所示。

1.2.3 測試方法

本試驗采用標定熱箱法與熱流計法相結(jié)合的試驗方法——控溫箱-熱流計法。根據(jù)GB/T 13475—2008《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定標定和防護熱箱法》的要求，當智能檢測儀顯示溫度沒有升高或降低趨勢，且誤差在1%范圍內(nèi)波動時，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2.4 墻體傳熱系數(shù)和日傳熱量測試

根據(jù)測試與計算要求，將測試系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)之后測得的數(shù)據(jù)進行整理分析。依據(jù)GB/T 23483—2009《建筑物圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)及采暖供熱量檢測方法》和GB/T 13475—2008，圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)分析一般優(yōu)先采用算術(shù)平均法，根據(jù)經(jīng)驗公式(1)和(2)即可計算出墻體熱阻和傳熱系數(shù)：

(1)

K=1/(Ri+R+Re)

(2)

式中：R為熱阻，m2·K/W；Tij和T0j分別為墻體傳熱達到穩(wěn)態(tài)后熱面和冷面的第j次溫度測量值，℃；Ej為墻體傳熱達到穩(wěn)態(tài)后熱流計第j次的測量值，mV；C為熱流計的測試系數(shù)，取0.1；K為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ri和Re分別為墻體內(nèi)外表面的換熱阻，分別取0.11和 0.04 m2·K/W。

由于保溫棉與墻骨柱所占面積比例不相等，為保證試驗結(jié)果的準確性，采用面積加權(quán)法經(jīng)驗公式(3)進行計算：

Ka=Kw·Sw+Kc·Sc

(3)

式中：Ka、Kw和Kc分別為墻體、保溫棉位置和墻骨柱位置平均傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Sw和Sc分別為保溫棉和墻骨柱位置所占比例，本試驗分別取79%和20%(綜合考慮釘子所占比例及金屬對熱傳遞的影響取值)。

墻體日傳熱量是墻體在一天中傳遞的熱量，由墻體傳熱經(jīng)驗公式(4)[19-20]確定：

Qday=c/Rk

(4)

(5)

可得出墻體日傳熱量計算公式為:

(6)

2 結(jié)果與分析

2.1 墻體傳熱系數(shù)理論值與實測值比較

將墻體傳熱系數(shù)理論值與試驗測量值進行比較(表3)。從表3中可以看出，理論計算值與試驗測量值差異不大，各組誤差均在10%以內(nèi)，說明輕型木結(jié)構(gòu)墻體傳熱系數(shù)的理論計算值與試驗測量值較為吻合，可在試驗前采用理論計算值預估墻體的傳熱系數(shù)值，從而更好地對墻體傳熱性能進行設計。

表3 理論值與試驗測量值的比較Table 3 Comparison of calculated values and experimental measured values

2.2 墻骨柱墊層對墻體傳熱性能的影響

由表3分析可知，12種墻體墻骨柱處的熱流密度比保溫棉處的熱流密度高16.9%～54.1%，可見墻骨柱確實是熱流高度集中的位置。墻骨柱墊層是采用極小導熱系數(shù)的材料，通過阻礙墻骨柱熱量傳遞減少此處熱流密度，從而達到降低墻體傳熱系數(shù)的目的。

鋪設墊層的墻骨柱熱流密度較未鋪設墊層的低很多，經(jīng)計算，鋪設1層和2層墻骨柱墊層比沒有鋪設墊層的墻骨柱熱流密度分別低11.3%～15.1% 和2.1%～28.1%，由此可知，墻骨柱墊層能夠有效降低墻骨柱處的熱流密度，從而有效降低墻體傳熱系數(shù)。經(jīng)計算，鋪設1層和2層墻骨柱墊層比未鋪設墊層的墻體傳熱系數(shù)分別低3.8%～8.1%和11.5%～15.0%。這是因為此種保溫措施使墻骨柱位置不易發(fā)生冷橋和熱橋現(xiàn)象，墻體整面的熱流密度也隨之降低，從而降低墻體導熱系數(shù)。國內(nèi)外研究[21-22]表明，在荷載條件允許的前提下，減少墻骨柱數(shù)量可降低墻體傳熱系數(shù)，墻骨柱位置鋪設墊層則可在荷載較大、墻骨柱較多時減弱墻骨柱對墻體傳熱性能的不良影響。

2.3 內(nèi)保溫層對墻體傳熱性能的影響

內(nèi)保溫層措施借鑒鋼筋混凝土外墻保溫較為成熟的做法，根據(jù)木結(jié)構(gòu)建筑特點在外墻內(nèi)側(cè)加1層EPS保溫板夾層。由于EPS保溫板傳熱系數(shù)較低且具有一定的厚度，可達到阻礙熱量傳遞、改善墻體保溫性能的效果[18]。

設置內(nèi)保溫層的墻體比沒有內(nèi)保溫層的墻體平均熱流密度和傳熱系數(shù)均低較多。經(jīng)計算，前者比后者的平均熱流密度低23.8%～25.7%，傳熱系數(shù)低32.4%～35.1%，兩者的改善效果均較為理想。此外，由表3可知，有內(nèi)保溫層的墻體比沒有內(nèi)保溫層的墻體冷熱面溫差高2.5 ℃左右，由此可見，內(nèi)保溫層EPS對墻體傳熱性能的提升效果較為顯著。

2.4 保溫涂層對墻體傳熱性能的影響

保溫涂層采用低導熱系數(shù)的納米微珠保溫涂料，制作試件時涂刷在墻體內(nèi)側(cè)石膏板上，達到增加整面墻體熱阻，降低墻體傳熱系數(shù)的目的。納米微珠保溫涂料不僅導熱系數(shù)較低，而且能夠有效減弱熱輻射，集反射型與阻隔型于一體[23]。

由12種墻體傳熱系數(shù)試驗值比較可知，涂刷保溫涂層的墻體傳熱系數(shù)低于未涂刷保溫涂層的墻體，經(jīng)計算，前者比后者低5.9%～8.7%。實際工程中輕型木結(jié)構(gòu)建筑外墻多為外掛板裝飾，不宜涂刷涂料。因此，本試驗將涂料涂刷在墻體內(nèi)側(cè)，不對其熱阻修正值進行計算。此種改善措施施工簡單方便，環(huán)?？煽?，不占用建筑面積。

2.5 墻體日傳熱量

計算與分析以北京1月份溫度為例，室內(nèi)溫度為18 ℃，日平均氣溫為-4.1 ℃。根據(jù)試驗測得12種墻體的熱阻，得到墻體日傳熱量(圖2)。從圖2中可以看出，12種輕型木結(jié)構(gòu)墻體的日傳熱量最高為0.26 kW·h/m2，最低為0.13 kW·h/m2。經(jīng)計算，采取保溫隔熱改善措施的墻體日傳熱量比其他類型墻體低7.5%～50.0%，可見所采取的試驗方案對墻體保溫隔熱性能有良好提升。

圖2 墻體日傳熱量Fig.2 Daily heat transfer quantities of walls

2.6 墻體適用氣候分區(qū)判定

根據(jù)我國居住節(jié)能設計標準，不同地區(qū)對當?shù)亟ㄖ?jié)能設計標準有明確規(guī)定。根據(jù)JGJ26—2010《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》和DB23/1270—2008《黑龍江省居住建筑節(jié)能65%設計標準》規(guī)定，將我國嚴寒和寒冷地區(qū)分別分為3個區(qū)和2個區(qū)，其中，嚴寒地區(qū)分為嚴寒(A)區(qū)、嚴寒(B)區(qū)和嚴寒(C)區(qū)，寒冷地區(qū)分為寒冷(A)區(qū)和寒冷(B)區(qū)。12種墻體的傳熱系數(shù)和每個區(qū)域所對應的外墻圍護結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)值如圖3所示。由于我國木結(jié)構(gòu)建筑的層高限值一般在3層以下，此處僅考慮建筑小于或等于3層時外墻圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。

圖3 墻體傳熱系數(shù)與各區(qū)域傳熱系數(shù)極限值Fig.3 Heat transfer coefficients of walls and limited values of heat transfer coefficients in different regions

每個區(qū)域?qū)耐鈮o結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)限值和每個地區(qū)的適用墻體編號如表4所示。由表4可知，本試驗所測12種墻體傳熱系數(shù)范圍為0.25～0.40 W/(m2·K)，墻體熱工級別均為Ⅰt級。適用于嚴寒(A)區(qū)、嚴寒(B)區(qū)和嚴寒(C)區(qū)的墻體分別有5，6和9種。

表4 嚴寒地區(qū)墻體適用地區(qū)判定Table 4 Applications of different wall structures in different severe cold areas

3 結(jié) 論

本研究通過試驗對12種輕型木結(jié)構(gòu)墻體進行穩(wěn)態(tài)傳熱性能測試，并對試驗結(jié)果進行分析比較研究。

1)氣凝膠氈、EPS保溫板及納米微珠保溫涂層3種保溫材料具有各自的保溫特性。氣凝膠氈墻骨柱墊層隨厚度增加可減弱或消除輕型木結(jié)構(gòu)墻體冷熱橋；EPS內(nèi)保溫層構(gòu)造墻體蓄熱能力較好，改善熱傳遞效果顯著；納米微珠保溫涂層可反射與阻隔熱量，平衡室內(nèi)外溫差。

2)3種保溫材料均能降低墻體的傳熱系數(shù)，提高墻體整體保溫性能，但傳熱系數(shù)降低程度存在差異。通過比較分析可知：EPS內(nèi)保溫層傳熱系數(shù)降低百分比>氣凝膠氈墻骨柱墊層傳熱系數(shù)降低百分比>納米微珠保溫涂層傳熱系數(shù)降低百分比。理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果誤差在10%以內(nèi)，試驗可靠性較好。

3)所測12種墻體熱工級別均為Ⅰt級，傳熱系數(shù)均低于0.40 W/(m2·K)。其中，5種墻體適用于嚴寒(A)區(qū)、6種墻體適用于嚴寒(B)區(qū)、9種墻體適用于嚴寒(C)區(qū)。采用3種保溫材料改善保溫措施的墻體具有更加優(yōu)良的保溫性能，各氣候分區(qū)可根據(jù)節(jié)能標準合理選擇，充分發(fā)揮輕型木結(jié)構(gòu)建筑保溫隔熱、綠色節(jié)能的優(yōu)勢，為環(huán)境熱舒適提供有力保障[24]。