磚－粉煤灰砌塊夾心復合墻體傳熱系數(shù)研究

李建華，曹萬林

（1.北京工業(yè)大學 建筑工程學院，北京 100124；2.新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

在建筑物的屋頂、門、窗和外墻體等圍護構件中，外墻體面積所占比例較大，其保溫隔熱性能對建筑物的整體保溫隔熱性能具有較大影響［1－2］.通過墻體的熱流量由其保溫隔熱性能決定，并與建筑物消耗的采暖或空調能量成正比［3－4］，一般用傳熱系數(shù)作為衡量圍護墻體保溫隔熱性能的指標.

對圍護墻體熱傳遞的細化研究是建筑節(jié)能的基礎.周理安［5］研究了碎磚類再生細骨料再生磚墻體的熱工性能；唐響亮［6］對聚苯乙烯板夾心墻的熱工性能進行了研究，但上述研究均忽略了墻體所處工作環(huán)境溫、濕度對墻體傳熱系數(shù)理論計算值的影響.在進行細化研究時，應把溫、濕度作為影響因素考慮進去.磚－粉煤灰砌塊復合墻體作為一種新型墻體構造型式，其保溫隔熱性能不同于普通磚墻體，但對其熱工性能尚未見相關報道.近些年，部分國內(nèi)外學者［7－8］在進行熱濕環(huán)境對圍護墻體傳熱性能的影響研究時，認為材料的性能參數(shù)不變或使用求解過程復雜的函數(shù)表達式會造成實際工程設計應用的不方便.因此，有必要對新型抗震節(jié)能一體化的磚－粉煤灰砌塊夾心復合墻體進行傳熱系數(shù)細化研究，得出考慮溫、濕度的傳熱系數(shù)工程設計計算方法.

本文對磚－粉煤灰砌塊夾心復合墻體的傳熱系數(shù)進行研究，提出考慮環(huán)境溫、濕度并適用于工程設計的傳熱系數(shù)真實值計算方法.通過對比分析4種構造型式墻體試件傳熱系數(shù)的試驗值、理論值及真實值，證明采用真實值進行設計更為合理，為磚－粉煤灰砌塊夾心復合墻體節(jié)能細化設計提供了理論依據(jù)及方法.

1 傳熱性能試驗

1.1 試驗裝置及試驗方法

試驗在北京市建筑材料檢驗中心進行，采用CD－WTF穩(wěn)態(tài)熱傳遞性質測定系統(tǒng)，依據(jù)GB／T 13475—2008《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質的測定標定和防護熱箱法》，對試件傳熱系數(shù)進行測定.試驗裝置原理是基于一維穩(wěn)態(tài)傳熱原理，將試件置于兩個溫度場的箱體之間，其中的計量箱（熱室）模擬冬季室內(nèi)空氣溫度、風速、輻射條件，冷箱（冷室）模擬冬季室外空氣溫度、風速.運行穩(wěn)定后，測量試件兩側的表面溫度、空氣溫度等主要參數(shù)，并計算試件的傳熱系數(shù).測試裝置如圖1所示.

圖1 圍護結構傳熱測試裝置Fig.1 Heat transfer test equipment of maintenance structure

測試前先要對測試裝置進行標定；墻體試件內(nèi)、外面與測試裝置的熱、冷室相對應.試驗步驟為：（1）按測試裝置規(guī)定的尺寸砌筑墻體試件；（2）試件自然干燥28d后移入試件框內(nèi)，并用聚氨酯發(fā)泡劑密封試件與試件框之間的縫隙，待聚氨酯發(fā)泡劑干透后即可將試件框放入測試裝置的冷箱與計量箱之間；（3）在試件兩側面各布置9 個溫度傳感器，用測試裝置上自帶扣件連結試件框與防護箱；（4）運行測試軟件，進行參數(shù)設置：冷箱內(nèi)溫度設為－10 ℃，計量箱溫度和防護箱內(nèi)溫度設為35 ℃；熱室允許溫差0.1 ℃，冷室允許溫差0.2℃，表面允許溫差0.5 ℃；采集時間間隔根據(jù)標準設置為10min；（5）設置完成后開始試驗，若連續(xù)3h熱室允許溫差、冷室允許溫差和表面允許溫差均在允許范圍內(nèi)，即結束試驗.

1.2 墻體試件構造型式及材料特性

對4種構造型式墻體試件進行研究：普通磚墻體SJ1，普通磚－粉煤灰砌塊夾心復合墻體SJ2，再生磚墻體SJ3，再生磚－粉煤灰砌塊夾心復合墻體SJ4，各構造型式墻體試件如圖2所示.

圖2 試件構造型式圖Fig.2 Tactic form of wall specimens（size：mm）

經(jīng)過實測，各試件組成材料的物理參數(shù)為：再生磚砌體密度為1 887 kg／m3；普通磚砌體密度為1 662kg／m3；粉煤灰砌塊密度為564kg／m3.依據(jù)文獻［9］，粉煤灰砌塊導熱系數(shù)為0.155W／（m·K）（平均溫度10℃下測試）；水泥砂漿密度為1 990kg／m3，導熱系數(shù)為0.999W／（m·K）（常溫下測試）.

2 傳熱系數(shù)計算模型

2.1 理論計算模型

根據(jù)傳熱系數(shù)理論計算方法［10］，墻體傳熱系數(shù)K0計算式為：

式中：RN，RW分別為內(nèi)、外表面換熱阻，（m2·K）／W；Ri（i＝1～n）為組成圍護結構的第i種材料換熱阻，（m2·K）／W，Ri＝di／λi，其中的di為第i 種材料厚度，m，λi為第i種材料導熱系數(shù)，W／（m·K）；R0為圍護結構的傳熱阻，（m2·K）／W.

2.2 傳熱系數(shù)真實值計算方法

2.2.1 導熱系數(shù)真實值計算方法

圍護結構的傳熱系數(shù)主要由組成圍護結構的墻體材料導熱系數(shù)決定，而墻體材料的導熱系數(shù)是按照測試標準，在特定環(huán)境下按規(guī)定試驗方法測出并用于傳熱系數(shù)理論計算，可稱為導熱系數(shù)參考計算值.但是，隨著環(huán)境溫、濕度的改變，墻體材料導熱系數(shù)的真實值與參考計算值會有差異，造成墻體傳熱系數(shù)實際值與按公式（1）計算出的理論值出現(xiàn)偏差，影響節(jié)能設計.因此，需對材料處于不同環(huán)境中的導熱系數(shù)真實值進行研究，并把研究成果應用于傳熱系數(shù)計算中.

根據(jù)材料的構造和傳熱機理，材料導熱系數(shù)真實值λeff由固體當量導熱系數(shù)λΔ、氣體當量導熱系數(shù)λo、當量輻射導熱系數(shù)λγ、當量相變化導熱系數(shù)λj、當量水導熱系數(shù)λ′w和當量冰導熱系數(shù)λ″w組成，即：

現(xiàn)有理論計算所采用的導熱系數(shù)實測值λ已考慮了特定條件下固體當量導熱系數(shù)λΔ、氣體當量導熱系數(shù)λo、當量輻射導熱系數(shù)λγ、當量相變化導熱系數(shù)λj，因此在實際工作環(huán)境中，上式可簡化為：

式中：Δλt為溫差引起的導熱系數(shù)改變量；為質量濕度（（材料含水量／材料干質量）×100%）改變引起的導熱系數(shù)改變量；為結冰引起的導熱系數(shù)改變量；λ為材料導熱系數(shù)參考計算值.

上述式中：λt為材料平均溫度為t時的導熱系數(shù)，Δλt＝λt－λ；λw為含濕材料的導熱系數(shù)，＝λwλ；δw為濕度修正系數(shù)，δw＝1.15γ2－6.05γ＋14.3，其中的γ為材料密度；wV為要修正材料的容積濕度（（材料每日冷凝水量×材料密度／水的密度）×100%）；λ0℃為材料平均溫度為0℃時的導熱系數(shù).

溫度對粉煤灰砌塊導熱系數(shù)的影響仍可用式（4）表示；濕度對粉煤灰砌塊導熱系數(shù)的影響可用下式表示［12］：

依據(jù)文獻［9］中水泥砂漿、粉煤灰砌塊等導熱系數(shù)測試標準，經(jīng)過換算后，可得到水泥砂漿和粉煤灰砌塊的λ0℃分別為0.808 5，0.130 0W／（m·K）.

依據(jù)文獻［13］，當墻體內(nèi)出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象時，其每日的冷凝量wg可表示為：

式中：pA，pB分別為分壓力較高一側和較低一側空氣中的水蒸氣分壓力，Pa；ps，c為冷凝界面處的飽和水蒸氣分壓力，Pa；H0，i，H0，e分別為在冷凝界面水蒸氣流入一側和流出一側的水蒸氣滲透阻，（m2·h·Pa）／g.

試驗中未發(fā)現(xiàn)結冰現(xiàn)象，故結冰量的計算可忽略.

2.2.2 傳熱系數(shù)真實值計算原理

實際情況中，材料的導熱系數(shù)隨著溫、濕度的變化而變化，因此需對材料的導熱系數(shù)進行溫、濕度修正.在一維傳熱計算過程中，始終滿足以下方程：

式中：q為熱流量，W／m2；qi為墻體內(nèi)表面熱流量，W／m2；qe為墻體外表面熱流量，W／m2；qλ為 通過墻體的熱流量，W／m2；θm為多層平壁內(nèi)任一層的內(nèi)表面溫度，K；te為室外空氣溫度，K；Rm（m＝1，2，…，n）為傳熱阻，（m2·K）／W；ti為室內(nèi)空氣溫度，K.

另外有：

式中：ω 為水蒸氣滲透強度，g／（m2·h）；pi，pe分別為室內(nèi)空氣和室外空氣中的水蒸氣分壓力，Pa；H0為圍護結構的總水蒸氣滲透阻，（m2·h·Pa）／g；Hm（m＝1，2，…，n）為各組成材料的水蒸氣滲透阻，（m2·h·Pa）／g；pm（m＝1，2，…，n）為多層平壁內(nèi)任一層內(nèi)表面的水蒸氣分壓力，Pa.

2.2.3 傳熱系數(shù)真實值計算流程

墻體試件傳熱系數(shù)真實值計算過程如圖3所示.

圖3 墻體傳熱系數(shù)真實值計算流程Fig.3 Process of calculating actual value of heat transfer coefficient

2.3 傳熱系數(shù)測定系統(tǒng)測試原理

通過CD－WTF穩(wěn)態(tài)熱傳遞性質測定系統(tǒng)，測量出試件兩側的表面溫度、空氣溫度、熱側及冷側導流屏的表面溫度、計量箱內(nèi)外表面溫差以及輸入熱室內(nèi)的電加熱器功率等主要參數(shù)，可計算通過計量箱壁的熱流量q1，進而計算出圍護結構的傳熱系數(shù)［14］.計算式如下所示：

式中：M1為計量箱壁熱流系數(shù)，本試驗使用的儀器通過標定后取5.991 W／（m2·K）；tis為計量箱（熱室）內(nèi)表面溫度，K；tes為熱室外表面溫度，K；tni為熱側環(huán)境溫度，K；tne為冷側環(huán)境溫度，K；A 為計量箱計算面積，m2；qp為總輸入熱流量，W／m2；q1為通過計量箱壁的熱流量，W／m2.

3 結果及討論

3.1 墻體傳熱系數(shù)試驗值、理論值及真實值

根據(jù)墻體傳熱系數(shù)測試數(shù)據(jù)，依據(jù)公式（12），（13），可計算出4種墻體試件傳熱系數(shù)的試驗值.對于SJ1和SJ3試件而言，可將傳熱系數(shù)試驗值代入式（1），（4），從而計算出再生磚墻體及普通磚墻體的λ0℃分別為0.616，0.435 69 W／（m·K）.對于本文主要研究對象SJ2和SJ4試件而言，則可依據(jù)式（1）計算出傳熱導數(shù)的理論值.同時依據(jù)真實值計算流程（圖3），又可計算出試驗條件下傳熱系數(shù)真實值，其結果如表1所示.

表1 墻體傳熱系數(shù)試驗值、理論值及真實值對比Table 1 Comparison between experimental values，theoretical values and actual values of wall heat transfer coefficients W／（m2·K）

3.2 結果分析

（1）SJ2，SJ4試件的傳熱系數(shù)理論值、真實值均小于試驗值，原因為：（a）依據(jù)文獻［9］采用的邊界層熱阻和材料導熱系數(shù)與材料真實導熱系數(shù)有差異，從而造成這3個數(shù)值產(chǎn)生差異；（b）理論值沒有考慮材料溫度、濕度變化對導熱系數(shù)的影響，造成理論值及真實值與試驗值有差異，但通過修正的真實值與試驗值較為接近，誤差更小.

（2）由表1可知，SJ2試件在SJ1試件的基礎上復合了120 mm 粉煤灰砌塊后，其傳熱系數(shù)降低了51%，保溫性能顯著提高；SJ4試件在SJ3試件的基礎上復合了120mm 粉煤灰砌塊后，其傳熱系數(shù)降低了60%.SJ3試件的傳熱系數(shù)試驗值比SJ1試件大27%，而在它們的基礎上復合了120mm 粉煤灰砌塊后，SJ4 試件和SJ2 試件的傳熱系數(shù)差值降為3.8%.由此可知，粉煤灰砌塊對墻體傳熱系數(shù)的影響明顯，它能顯著提高墻體的保溫性能.

（3）由表1可知，SJ2試件和SJ4試件的傳熱系數(shù)真實值均大于理論值，且與試驗值更接近.SJ2試件的傳熱系數(shù)理論值比試驗值小8.5%，真實值比試驗值小3.7%；SJ4試件的傳熱系數(shù)理論值比試驗值小3.0%，真實值比試驗值小0.36%.說明通過修正的傳熱系數(shù)真實值能更精確地反映試件的實際工作狀況，用于設計中更加合理.

4 結論

（1）根據(jù)磚、水泥砂漿和粉煤灰砌塊導熱系數(shù)的特點及其分別與溫度、濕度的關系，得出材料導熱系數(shù)真實值計算表達式，并提出了磚－粉煤灰砌塊夾心復合墻體傳熱系數(shù)真實值計算方法.

（2）普通磚墻體與再生磚墻體的傳熱系數(shù)差值較大，兩者均復合粉煤灰砌塊后，該差值明顯變小.粉煤灰砌塊應用于墻體中，可顯著提高墻體的保溫性能；再生磚應用于磚－粉煤灰砌塊夾心復合墻體中，在保溫性能方面與使用普通磚區(qū)別不大.

（3）通過對普通磚－粉煤灰砌塊夾心復合墻體和再生磚－粉煤灰砌塊夾心復合墻體傳熱系數(shù)試驗值、理論值及真實值分析可知，傳熱系數(shù)真實值的計算方法更準確合理，工程設計時采用傳熱系數(shù)真實值更符合實際情況，且能達到更好的節(jié)能效果.

［1］PENG C，WU Z.In situ measuring and evaluating the thermal resistance of building construction［J］.Energy and Buildings，2008，40（11）：2076－2082.

［2］XU X，WANG S.Optimal simplified thermal models of building envelope based on frequency domain regression using genetic algorithm［J］.Energy and Buildings，2007，39（5）：525－536.

［3］HUANG C L D，SIANG H H.Heat and moisture transfer in concrete slabs［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1979，22（2）：257－266.

［4］NASRALLAH S B，PERRE P.Detailed study of a model of heat and mass transfer during convective drying of porous media［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1988，31（5）：957－967.

［5］周理安.建筑垃圾再生磚制備技術及其性能研究［D］.北京：北京建筑工程學院，2010.ZHOU Li′an.Study on productive technology and performance of construction waste recycled brick［D］.Beijing：Beijing Institute of Civil Engineering and Construction，2010.（in Chinese）

［6］唐響亮.夏熱冬冷地區(qū)夾芯墻的熱濕性研究［D］.長沙：湖南科技大學，2011.TANG Xiangliang.Research on the thermal and moisture performance of cavity wall in hot summer and cold winter zone［D］.Changsha：Hunan University of Science and Technology，2011.（in Chinese）

［7］VRANA T，BJORK F.A laboratory equipment for the study of moisture processes in thermal insulation materials when placed in a temperature field［J］.Construction and Building Materials，2008，22（12）：2335－2344.

［8］PAVLIK Z，CERNY R.Hygrothermal performance study of an innovative interior thermal insulation system［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29（10）：1941－1946.

［9］周輝，錢美麗，馮金秋，等.建筑材料熱物理性能與數(shù)據(jù)手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：128－140.ZHOU Hui，QIAN Meili，F(xiàn)ENG Jinqiu，et al.The manuals of building material thermal physical properties and data［M］.Beijing：Building Industry Press of China，2010：128－140.（in Chinese）

［10］陳仲林，唐鳴放.建筑物理［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：31－33.CHEN Zhonglin，TANG Mingfang.Building physics［M］.Beijing：Building Industry Press of China，2009：31－33.（in Chinese）

［11］陳啟高.建筑熱物理基礎［M］.西安：西安交通大學出版社，1991：59－163.CHEN Qigao.The basis of building thermal physical［M］.Xi’an：Xi’an Jiaotong University Press，1991：59－163.（in Chinese）

［12］黃建恩，閆加賀，呂恒林，等.自然干燥狀態(tài)下粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊導熱系數(shù)實驗研究［J］.新型建筑材料，2012（9）：49－51，65.HUANG Jian'en，YAN Jiahe，Lü Henglin，et al.Experimental study on thermal conductivity of fly ash autoclaved aerated concrete block drying in natural environment［J］.New Building Materials，2012（9）：49－51，65.（in Chinese）

［13］葉歆.建筑熱環(huán)境［M］.北京：清華大學出版社，1996：37.YE Xin.Thermal environment for building［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1996：37.（in Chinese）

［14］GB／T 13475—2008 絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質的測定標定和防護熱箱法［S］.GB／T 13475—2008 Thermal insulation－determination of steady－state thermal transmission properties—Calibrated and guard hot box［S］.（in Chinese）