徐 明 黃俁劼 葉 琦 王 正 龔迎春 梁堅(jiān)坤
(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所,北京 100091;2.北京市科學(xué)技術(shù)研究院城市安全與環(huán)境科學(xué)研究所,北京 100054;3.南京林業(yè)大學(xué),江蘇 南京 210007;4.凱里學(xué)院,貴州 凱里 556000)
在國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)下,國(guó)務(wù)院印發(fā)2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知明確提出了節(jié)能降碳增效行動(dòng),加強(qiáng)木竹建材等低碳建材產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用。現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑是節(jié)能、固碳、減排的綠色建筑[1],與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)建筑相比,在節(jié)能減排、保溫性能、抗震抗風(fēng)性、節(jié)能性、設(shè)計(jì)靈活性等方面都有一定的優(yōu)勢(shì)。目前,建筑節(jié)能設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的重要內(nèi)容[2-3],所有建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)必須通過(guò)節(jié)能專(zhuān)項(xiàng)審查才能進(jìn)行后續(xù)的施工建造?,F(xiàn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都將墻體的平均傳熱系數(shù)作為判定墻體是否滿(mǎn)足節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的主要指標(biāo)。因此,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)墻體的平均傳熱系數(shù)是墻體節(jié)能設(shè)計(jì)的主要工作,是完成整個(gè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)工作的重要內(nèi)容[4-6]。
建筑的能耗與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能是居住者重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容[7-9]。外墻在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中占比最大,也是能量損失最多的部位[10-13]。Zoltan等[14]通過(guò)建立有限元模型對(duì)比北美與北歐的輕型木結(jié)構(gòu)墻體的保溫性能,發(fā)現(xiàn)兩者墻體保溫性能基本一致,但北歐墻體對(duì)濕氣的抵抗能力更好。馬艷秋等[15]采用試驗(yàn)測(cè)定和數(shù)值模擬兩種方法,研究輕型木結(jié)構(gòu)墻體的平均傳熱系數(shù),結(jié)果表明:采用30 mm厚的膨脹聚苯乙烯泡沫塑料板外保溫的墻體適用于嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)所有層數(shù)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)。雷舒堯等[16]采用建筑能耗模擬軟件EnergyPlus,對(duì)南京一高層民宅進(jìn)行全年能耗動(dòng)態(tài)模擬,結(jié)果顯示:外墻傳熱系數(shù)是對(duì)建筑全年總能耗影響最為顯著的參數(shù)之一。夏鋒等[17]利用熱流計(jì)法對(duì)上海一裝配式住宅外墻綜合傳熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試并對(duì)其全年能耗進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)僅考慮傳熱系數(shù)的情況下,該建筑全年能耗顯著降低。Milad等[18]采用紅外熱成像技術(shù),對(duì)加拿大木結(jié)構(gòu)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱性能進(jìn)行定量評(píng)估,該方法可不受墻體邊界條件影響,測(cè)試結(jié)果更為準(zhǔn)確。Havvi T等[19]和Awad等[20]對(duì)多種木龍骨的保溫性能進(jìn)行了研究,研究表明熱量更多從墻骨柱處流出,三種木龍骨保溫性能差異不大,均在0.10W/(m2·K)左右。此外,一些學(xué)者還對(duì)其他木質(zhì)材料的保溫性能展開(kāi)了研究,Bederina等[21]人的研究表明,木質(zhì)纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著纖維含量的增加而近似呈現(xiàn)線(xiàn)性下降的趨勢(shì)。而王俊松等[22]基于有限元模型分別以材料的導(dǎo)熱系數(shù)、龍骨間距、龍骨厚度及墻內(nèi)釘間距為參數(shù)對(duì)3種輕型竹木墻體的熱工性能進(jìn)行了模擬分析,認(rèn)為輕型竹墻與木墻的傳熱系數(shù)相近。
目前,關(guān)于已投入使用建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體保溫性能的研究主要集中在數(shù)值模擬,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究較少。如何準(zhǔn)確地確定已有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù),是評(píng)價(jià)建筑節(jié)能和舒適性的最主要指標(biāo),也是建筑結(jié)構(gòu)體系建筑推廣和應(yīng)用的基礎(chǔ)和保證。本研究以國(guó)內(nèi)首棟六層梁柱框架-輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻結(jié)構(gòu)——山東鼎馳木業(yè)有限公司研發(fā)大樓為研究對(duì)象,對(duì)其圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)進(jìn)行研究。選取一樓質(zhì)檢部辦公室南側(cè)外墻A與二樓倉(cāng)庫(kù)北側(cè)外墻B為試驗(yàn)對(duì)象,并將熱流計(jì)分別呈橫向與縱向排列,以探求輕型木結(jié)構(gòu)墻體在膠合木框架體系中的不同部位的保溫隔熱性能。參照標(biāo)準(zhǔn)GB 50176—2016計(jì)算墻體理論傳熱系數(shù)并采用Abaqus軟件模擬墻體傳熱系數(shù),與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。并基于數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)墻體內(nèi)部溫度與熱流密度分布展開(kāi)分析探究墻體內(nèi)部溫度及熱流分布規(guī)律,為未來(lái)中高層木結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能的設(shè)計(jì)工作提供參考。
輕型木結(jié)構(gòu)墻體作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要組成部分[23],主要由石膏板、定向刨花板(OSB)、墻骨柱、保溫棉、飾面材料等組成。本研究中的墻體構(gòu)造如圖1所示。
圖1 輕型木結(jié)構(gòu)墻體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of light timber structure wall
內(nèi)墻面選用防火石膏板,厚度為15 mm;墻骨柱為加拿大進(jìn)口SPF(Spruce-Pine-Fir )規(guī)格材,截面尺寸為184 mm(厚度)×38 mm(寬度),間距為406 mm;保溫層選用普通巖棉,填充在墻骨柱的空隙間,以提升墻體保溫隔熱性能;墻骨柱兩側(cè)覆OSB板將保溫棉密封在墻內(nèi),同時(shí)進(jìn)一步提高墻體的剛度與抗側(cè)性能,厚度為9 mm;外側(cè)OSB板外再鋪設(shè)一層防水透氣膜,一方面防止外部環(huán)境中的水分進(jìn)入墻體內(nèi)部,導(dǎo)致木構(gòu)件霉變,另一方面墻體內(nèi)部的水蒸氣可以正常排出到外部,保持墻體內(nèi)部干燥;鋪設(shè)25 mm(厚度)×38 mm(寬度)木龍骨,間距為200 mm,為防水透氣膜排出的水蒸氣預(yù)留空間,同時(shí)可以用于水泥壓力板的安裝固定,水泥壓力板厚度為10 mm;最外層為真石漆面層,涂刷于水泥壓力板上。墻體各層材料均用螺釘或槍釘連接。
2.1.1 測(cè)試對(duì)象
本試驗(yàn)所測(cè)墻體A與墻體B構(gòu)造均如圖1所示。其中,墻體A為一層質(zhì)檢部南側(cè)外墻,質(zhì)檢部室內(nèi)面積為18.15 m2,墻體B為二層倉(cāng)庫(kù)北側(cè)外墻,倉(cāng)庫(kù)室內(nèi)面積為75.24 m2。
2.1.2 測(cè)試儀器
HT-1傳熱系數(shù)測(cè)定儀1 臺(tái);熱流計(jì)傳感器3片,測(cè)試范圍0~200 mV;溫度傳感器14個(gè),精度±0.1℃;建筑熱工數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)軟件一套;揚(yáng)子NSB-60 立式取暖器,碳素纖維加熱方式,最高功率1 000 W。
2.2.1 測(cè)試方法
參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T23483—2009 《建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)及采暖供熱量檢測(cè)方法》 與JGJ/T357—2015 《圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》,采用熱流計(jì)法對(duì)墻體傳熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定,將整個(gè)房間作為熱箱,通過(guò)熱流計(jì)采集熱流數(shù)據(jù),測(cè)試示意圖如圖2所示。
圖2 傳熱系數(shù)測(cè)定示意圖Fig.2 Schematic diagram of heat transfer coeきcient
2.2.2 測(cè)試流程
1)將熱流計(jì)與溫度傳感器用鋁箔紙膠帶等間距分別粘貼于墻體內(nèi)外表面,盡量保證其在墻體的投影區(qū)域重合。熱流計(jì)測(cè)點(diǎn)布置如圖3 所示,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置如圖4 所示。
圖3 熱流計(jì)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Layout of measuring points of heat flow meter
圖4 二層倉(cāng)庫(kù)北側(cè)外墻現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圖Fig.4 Site test of the North exterior wall of the warehouse on the second floor
2)采用主動(dòng)制熱措施,提升室內(nèi)溫度,使室內(nèi)外溫差不低于10 ℃,且內(nèi)外墻體表面溫差大于8K,以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確合理。因墻體A位于南側(cè),白天受陽(yáng)光照射時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度高,墻體外表面溫度與空氣溫度較高,故用電暖器提升室內(nèi)空氣與墻體內(nèi)表面溫度。墻體B位于北側(cè)且墻體受遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)的保護(hù),白天受太陽(yáng)照射時(shí)間短、強(qiáng)度低,墻體外表面與空氣溫度較低,故用空調(diào)提升室內(nèi)空氣與墻體內(nèi)表面溫度。
3)開(kāi)啟HT-1 傳熱系數(shù)測(cè)定儀采集數(shù)據(jù),采集完成后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。參照式(1)計(jì)算墻體熱阻R,式(2)計(jì)算墻體傳熱系數(shù)K。
式中:R為墻體熱阻,m2·K/W;Ti為墻體內(nèi)表面溫度,K;Te為墻體外表面溫度,K;C為熱流計(jì)標(biāo)定系數(shù),W/(m2·mV);E為電動(dòng)勢(shì),mV;K為墻體傳熱系數(shù),W/(m2·K);Ri為墻體內(nèi)表面換熱阻,m2·K/W;Re為墻體外表面換熱阻, m2·K/W。
參考標(biāo)準(zhǔn)GB50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[24]對(duì)墻體A、B的理論傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,理論計(jì)算公式如下:
式中:fa,fb,……fq為與熱流平行方向各部分面積占總面積的百分比;Roua,Roub,……Rouq為與熱流平行方向各部分的傳熱阻,m2·K/W;Raj,Rbj,……Rqj為與熱流垂直方向第j層各部分的熱阻,m2·K/W。
采用Abaqus軟件對(duì)建立穩(wěn)態(tài)傳熱條件下的墻體構(gòu)造模型,代入墻體各材料熱工參數(shù),對(duì)墻體內(nèi)部溫度分布及熱量流動(dòng)進(jìn)行分析。數(shù)值模擬技術(shù)的模擬結(jié)果建立在劃分的每一個(gè)網(wǎng)格上,對(duì)墻體內(nèi)表面每一個(gè)網(wǎng)格的熱流密度取均值,代入公式(7),即可得到墻體傳熱系數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果。
式中:q為墻體平均熱流密度,W/m2。
表2 墻體A傳熱系數(shù)測(cè)定結(jié)果(縱向)Tab.2 Test results of heat transfer coeきcient of wall A(longitudinal)
表3 墻體B傳熱系數(shù)測(cè)定結(jié)果Tab.3 Test results of heat transfer coeきcient of wall B
采用熱流計(jì)法對(duì)墻體A與墻體B的傳熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定,得到溫度-電壓曲線(xiàn),如圖5所示。通道01、通道02為內(nèi)墻面溫度傳感器,通道11、12為外墻面溫度傳感器,通道25為室外溫度傳感器,通道26為室內(nèi)溫度傳感器,通道07為熱流計(jì)傳感器。各測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1~3,傳熱系數(shù)值如圖6所示。
圖5 墻體B的B1 測(cè)點(diǎn)溫度-電壓曲線(xiàn)圖Fig.5 Temperature voltage curve of measuring point B1 of wall B
表1 墻體A傳熱系數(shù)測(cè)定結(jié)果(橫向)Tab.1 Tset results of heat transfer coeきcient of wall A (transverse)
圖6 傳熱系數(shù)測(cè)試值柱狀圖Fig.6 Histogram of test values of heat transfer coeきcient
墻體結(jié)構(gòu)材料熱工參數(shù)如表4所示。順?biāo)畬拥凝埞欠植紝?duì)墻體總體保溫性能影響不大,為便于計(jì)算,對(duì)墻體A、B的構(gòu)造采用近似化處理,順?biāo)畬育埞窃O(shè)定為203 mm。取保溫層38 mm寬度龍骨及368 mm寬度保溫棉代入公式(3)~(6)進(jìn)行計(jì)算。保溫棉區(qū)域傳熱系數(shù)K1=0.201 W/(m2·K),墻骨柱區(qū)域傳熱系數(shù)K2=0.553 W/(m2·K)。由計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)處于理想狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試時(shí),墻體的傳熱系數(shù)應(yīng)在K1與K2之間,即大于0.207 W/(m2·K),小于0.553 W/(m2·K),綜合傳熱系數(shù)理論值為0.238 W/(m2·K)。
表4 墻體結(jié)構(gòu)材料熱工參數(shù)Tab.4 Thermal parameters of wall structure
參考圖1的墻體構(gòu)造,取兩根龍骨及相應(yīng)保溫棉區(qū)域建立墻體模擬模型,如圖7所示,墻體各組成部分導(dǎo)熱系數(shù)參照表4選取,內(nèi)外表面溫度分別為30 ℃和16 ℃,換熱系數(shù)分別為8.7和23。墻體結(jié)構(gòu)在垂直地面方向均勻分布,因此取俯視圖對(duì)墻體溫度傳遞過(guò)程以及熱流密度分布進(jìn)行模擬,結(jié)果如圖8和圖9所示。如圖8所示,龍骨的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)保溫棉更高,因此熱量?jī)A向于從龍骨位置傳遞,龍骨位置相比于保溫棉區(qū)域溫度更高。這一結(jié)論在圖9中得到驗(yàn)證,墻體結(jié)構(gòu)的熱流密度最大為9.354 W/m2,發(fā)生在龍骨中間部位。但值得注意的是,熱流密度最小處發(fā)生在保溫層靠近龍骨柱的保溫棉區(qū)域,而非內(nèi)外表面區(qū)域,最小為2.732 W/m2,比墻體表面遠(yuǎn)離龍骨部位熱流量小0.130 W/m2左右。保溫層的熱流主要集中在龍骨區(qū)域,在保溫層龍骨兩側(cè),熱流呈扇形擴(kuò)散,順?biāo)畬拥凝埞墙Y(jié)構(gòu)與空氣層熱阻差異不大,熱流密度相差0.300 W/m2左右,可以參考理論計(jì)算過(guò)程對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。對(duì)墻體內(nèi)表面熱流密度取均值,為3.386 W/m2,墻體傳熱系數(shù)模擬值為0.233 W/(m2·K)。
圖7 墻體數(shù)值模擬構(gòu)造示意圖Fig.7 Schematic diagram of numerical simulation structure of wall
圖8 墻體穩(wěn)態(tài)下溫度分布模擬圖Fig.8 Simulation diagram of temperature distribution of wall under steady state
圖9 墻體穩(wěn)態(tài)下熱流密度分布模擬圖Fig.9 Simulation diagram of heat flux distribution of wall under steady state
傳熱系數(shù)是衡量墻體保溫隔熱性能的重要指標(biāo),傳熱系數(shù)越小,則表示該墻體的保溫隔熱性能越好。墻體A與墻體B的平均傳熱系數(shù)分別為0.463、0.465、0.374 W/(m2·K),墻體傳熱系數(shù)的理論值與模擬值分別為0.238 W/(m2·K)和0.233 W/(m2·K)。根據(jù)GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定,當(dāng)體型系數(shù)小于0.3時(shí),寒冷地區(qū)甲類(lèi)公共建筑外墻傳熱系數(shù)K應(yīng)不大于0.5 W/(m2·K),故A墻體與B墻體傳熱系數(shù)符合規(guī)范要求。
由圖6可知,A2點(diǎn)傳熱系數(shù)最高,為0.686 W/(m2·K),該點(diǎn)保溫隔熱性能最差,B2點(diǎn)最低,為0.262 W/(m2·K),該點(diǎn)保溫隔熱性能最好。保溫棉區(qū)域的傳熱系數(shù)理論計(jì)算結(jié)果為0.201 W/(m2·K),龍骨區(qū)域傳熱系數(shù)理論結(jié)果為0.553 W/(m2·K),與實(shí)測(cè)值相比分別低23.3%和19.4%,理論值與實(shí)測(cè)值之間的誤差比例相近。此外,熱流計(jì)檢測(cè)點(diǎn)位于窗戶(hù)下側(cè),窗戶(hù)區(qū)域間距較小,龍骨分布可能與預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)存在差異。因此,A2點(diǎn)應(yīng)當(dāng)為龍骨區(qū)域,B2點(diǎn)為保溫棉區(qū)域。根據(jù)GB/T 50176—2016 《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》 附錄B可知,云杉(熱流方向垂直木紋)導(dǎo)熱系數(shù)λ為0.14 W/(m·K),巖棉導(dǎo)熱系數(shù)λ為0.041 W/(m·K),巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于墻骨柱。因二者導(dǎo)熱系數(shù)差距過(guò)大,墻骨柱的保溫隔熱性能不如巖棉,熱量易從墻骨柱處發(fā)生傳遞,因此墻骨柱在墻內(nèi)極易形成線(xiàn)型熱橋,使得墻體保溫性能降低,熱流計(jì)若覆于墻骨柱投影區(qū)域,也將導(dǎo)致傳熱系數(shù)升高,如測(cè)點(diǎn)A2、A5、B3。其余各測(cè)點(diǎn)所測(cè)得結(jié)果差異也較大,墻體保溫性能極為不均勻。由于輕型木結(jié)構(gòu)墻體保溫性能多依賴(lài)內(nèi)部填充的保溫棉,有研究表明填充保溫棉可明顯提高木結(jié)構(gòu)建筑的保溫節(jié)能性[25],而本次研究保溫棉填充過(guò)多或過(guò)少,都會(huì)導(dǎo)致墻體保溫性能減弱,故其熱工性能受到施工質(zhì)量的影響較大。寒冷地區(qū)為保證墻體保溫隔熱性能,控制室內(nèi)溫度,提高室內(nèi)人體舒適度,可在荷載條件允許的情況下適當(dāng)增大墻骨柱間距,減少墻骨柱在墻面的投影面積。或適當(dāng)增厚墻體,并在墻體內(nèi)選用保溫隔熱性能更好的填充材料。
A墻體位于辦公室,B墻體位于倉(cāng)庫(kù),因日常辦公需要,A墻體測(cè)試期間房門(mén)偶爾會(huì)短暫開(kāi)啟,且A墻體采用電暖器加熱,無(wú)法保證室內(nèi)各處溫度基本相同,導(dǎo)致室內(nèi)溫度波動(dòng)較大,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。另一方面,測(cè)點(diǎn)呈縱向排列時(shí),電暖器無(wú)法與測(cè)點(diǎn)處于統(tǒng)一高度,下方測(cè)點(diǎn)溫度高于上方測(cè)點(diǎn)。因電暖器加熱方式為輻射加熱,部分熱量會(huì)被熱流計(jì)誤讀,導(dǎo)致熱流偏大,測(cè)試值偏大。故測(cè)點(diǎn)縱向排列時(shí)A1點(diǎn)測(cè)試值大于橫向排列時(shí)的測(cè)試值,A墻體傳熱系數(shù)測(cè)試值略大于B墻體。
本研究主要采用熱流計(jì)法,對(duì)山東鼎馳木業(yè)有限公司研發(fā)大樓一樓與二樓的墻體傳熱系數(shù)進(jìn)行檢測(cè),并采用理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,主要結(jié)論如下:
1)墻體A(橫向)與墻體A(縱向)的平均傳熱系數(shù)分別為0.463、0.465 W/(m2·K),墻體B的平均傳熱系數(shù)為0.374 W/(m2·K),傳熱系數(shù)理論值為0.238 W/(m2·K),傳熱系數(shù)模擬值為0.233 W/(m2·K),均符合GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求,且達(dá)到了寒冷地區(qū)甲類(lèi)公共建筑外墻標(biāo)準(zhǔn)。
2)各測(cè)點(diǎn)傳熱系數(shù)實(shí)測(cè)值差異較大,傳熱系數(shù)最大值為0.686 W/(m2·K),最小值為0.262W/(m2·K)。墻體保溫性能不均勻,墻體保溫性能受墻體自身結(jié)構(gòu)形式等因素影響較大。
3)保溫層墻骨柱區(qū)域熱流密度顯著高于保溫棉區(qū)域,墻骨柱處易形成熱橋,導(dǎo)致熱流量和傳熱系數(shù)大幅上升,保溫隔熱性能下降。為提高寒冷地區(qū)墻體保溫隔熱性能與室內(nèi)人體舒適度,可在條件允許的情況下適當(dāng)增大墻骨柱間距,或增厚墻體并選擇更好的保溫層材料。