新型腹板開孔HF1龍骨復(fù)合墻體傳熱傳濕研究★

武 勝 韓 彪

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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新型腹板開孔HF1龍骨復(fù)合墻體傳熱傳濕研究★

武 勝 韓 彪

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

在腹板開孔C型輕鋼龍骨的研究基礎(chǔ)上，利用有限元軟件，模擬分析了新型腹板開孔HF1龍骨開孔參數(shù)對復(fù)合墻體傳熱傳濕的影響，指出腹板開孔輕型鋼龍骨復(fù)合墻體可大大改善墻體的傳熱性能，減小熱量損失，控制熱橋影響。

復(fù)合墻體，傳熱性能，開孔參數(shù)，ANSYS

0 引言

我國建筑能耗的總量逐年上升，在能源總消費(fèi)量中所占的比例已從20世紀(jì)70年代末的10%上升到27.45%，逐漸接近30%，且這一比例將會持續(xù)攀升，最終接近發(fā)達(dá)國家目前的33%的水平[1]。

建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)仍將是我國建筑節(jié)能的重點(diǎn)方向。新型輕鋼龍骨HF1是由武勝在文獻(xiàn)[2]中提出，如圖1所示。武勝等對HF1的力學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究[2,3]。

1 HF1輕鋼龍骨復(fù)合墻體有限元模型概況

根據(jù)基本假定，問題簡化為穩(wěn)態(tài)傳熱。根據(jù)JGJ 26—2010嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[4]對室內(nèi)、外熱工計(jì)算參數(shù)的相關(guān)規(guī)定，取黑龍江省哈爾濱市的室內(nèi)、外計(jì)算溫度分別為18 ℃，-22.4 ℃，室內(nèi)、外的對流換熱系數(shù)分別為8.7 W/(m2·℃)，23.0 W/(m2·℃)。墻體單元有限元分析模型如圖2所示，材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別取鋼龍骨58.2 W/(m·℃)，石膏板0.33 W/(m·℃)，巖棉0.045 W/(m·℃)。

墻體編號：Sx-hHF1-t。其中，Sx為墻體類型，x=0為腹板不開孔龍骨復(fù)合墻體，x=1為腹板開孔龍骨復(fù)合墻體；hHF1-t為龍骨截面參數(shù)，h表示龍骨高度，HF1表示截面類型，t表示龍骨厚度。

2 龍骨腹板開孔參數(shù)概況

HF1龍骨腹板開孔包括以下五個(gè)孔洞參數(shù)：孔洞長度lu、寬度lv、橫向間距du、縱向間距dv和孔洞排數(shù)n，如圖3所示?？锥撮L度lu取值為50 mm，70 mm，90 mm，110 mm，130 mm；寬度取值為1 mm，2 mm，3 mm，4 mm，5 mm；橫向間距du取值為10 mm，20 mm，30 mm，40 mm，50 mm；縱向間距取值dv為5 mm，7 mm，9 mm，11 mm，13 mm。

標(biāo)準(zhǔn)開孔參數(shù)取lu=90 mm，lv=3 mm，du=30 mm，dv=9 mm[5,6]。

3 輕鋼龍骨HF1腹板開孔參數(shù)對墻體傳熱性能的影響

1)孔長、孔橫向間距參數(shù)變化對復(fù)合墻體傳熱性能的影響如圖4所示。

孔長由50 mm變化到130 mm，復(fù)合墻體傳熱系數(shù)呈明顯線性減小，且減幅在0.05 W/(m2·℃)左右，說明孔長越大腹板導(dǎo)熱路徑越長，導(dǎo)致龍骨熱損失減小，孔長是影響墻體傳熱性能的重要參數(shù)。

如圖5所示，隨著孔橫向間距的增大，墻體傳熱系數(shù)逐漸減小，且減小不明顯。

2)孔寬、孔洞縱向間距對墻體傳熱性能的影響。

如圖6所示，隨著孔寬的增大，墻體傳熱系數(shù)變化曲線近似直線，只有墻體模型S1-200HF1-1.2的傳熱系數(shù)在由孔寬3 mm到4 mm時(shí)出現(xiàn)略微增大。說明孔寬的變化對墻體傳熱性能幾乎沒有影響。如圖7所示，隨著孔縱向間距的增大墻體傳熱系數(shù)明顯增大，說明孔縱向間距增大，孔與孔之間的導(dǎo)熱路徑變寬，龍骨熱損失變大。

3)開孔排數(shù)對墻體傳熱性能的影響。

圖8給出開孔排數(shù)變化對墻體傳熱系數(shù)的影響，如圖8所示，腹板不開孔墻體傳熱系數(shù)到腹板開1排孔墻體傳熱系數(shù)明顯減小，這說明，腹板開孔可以有效的降低龍骨熱橋效應(yīng)，具有顯著的保溫隔熱作用。

4 復(fù)合墻體傳濕研究

1)墻體結(jié)露分析。

表面結(jié)露指室內(nèi)墻體表面溫度低于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度，與室內(nèi)墻體接觸的水蒸氣會從空氣中析出并附于室內(nèi)墻體表面。根據(jù)文獻(xiàn)《建筑設(shè)計(jì)資料集》[7]中的要求，對于室內(nèi)溫度18 ℃、相對濕度為60%的環(huán)境而言，室內(nèi)實(shí)際水蒸氣分壓力值1 237.5 Pa，露點(diǎn)溫度為10.1 ℃，即：如果室內(nèi)墻體表面溫度低于此露點(diǎn)溫度，就會出現(xiàn)表面結(jié)露現(xiàn)象。

表1 室內(nèi)側(cè)墻面最低溫度 ℃

表1，表2分別給出隨孔洞參數(shù)以及開孔排數(shù)變化室內(nèi)墻體表面最低溫度表。其中只有孔長較小的墻體模型室內(nèi)側(cè)墻體溫度低于露點(diǎn)溫度，其他均滿足要求，開孔排數(shù)越小越容易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。綜合上述，孔洞參數(shù)對室內(nèi)墻體表面溫度影響較大，在選用時(shí)應(yīng)慎重考慮其影響。

表2 隨開孔排數(shù)變化墻面最低溫度 ℃

2)墻體內(nèi)部冷凝分析。

內(nèi)部冷凝是指空氣水蒸氣會在水蒸氣分壓力差的作用下通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行濕傳遞[8]。當(dāng)水蒸氣遇到滲透阻較大的材料層會被阻擋在低溫部位，在不同材料層之間空隙中形成冷凝。內(nèi)部冷凝取決于各層的溫度分布和各材料層的滲透阻的大小。內(nèi)部冷凝計(jì)算方法：

a.墻體各層材料水蒸氣滲透阻計(jì)算公式：

式中：dn——圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)一種材料層的厚度，m； μ——材料的蒸汽滲透系數(shù)，g/(m·h·Pa)。

b.墻體內(nèi)部實(shí)際水蒸氣分壓力值計(jì)算公式：

式中：ei——室內(nèi)空氣的水蒸氣分壓力，Pa；ee——室外空氣的水蒸氣分壓力，Pa；H0——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水蒸氣滲透阻，m2·h·Pa/g；從室內(nèi)側(cè)算起，由第1層至第(n-1)層的蒸氣滲透阻之和。

c.墻體內(nèi)部冷凝強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：eA——分壓力較高一側(cè)空氣的水蒸氣分壓力，Pa； eB——分壓力較低一側(cè)空氣的水蒸氣分壓力，Pa； EC——冷凝界面處的最大水蒸氣分壓力，Pa； H0·A——在冷凝界面蒸汽流入一側(cè)的蒸氣滲透阻，m2·h·Pa/g；

H0·B——在冷凝界面蒸汽流出一側(cè)的蒸氣滲透阻，m2·h·Pa/g。

d.S1-200HF1-1.2墻體冷凝分析。

冷凝計(jì)算參數(shù)根據(jù)GB 50176—93民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[9]規(guī)定：室內(nèi)溫度ti=18 ℃、相對濕度φi=60%，室內(nèi)表面換熱系數(shù)αi=8.7 W/(m2·K)、室內(nèi)表面換熱阻Ri=0.11 m2·K/W；哈爾濱地區(qū)采暖期室外平均溫度te=-8.5 ℃、相對濕度φe=62%，室外表面換熱系數(shù)αe=23 W/(m2·K)、室外表面換熱阻Re=0.04 m2·K/W。

情況一：龍骨影響區(qū)外的墻體。

由表3可得：

R0=0.11+0.036+4.4+0.036+0.04=4.622 m2·K/W；

H0=151.9+409.84+151.9=713.64 m2·h·Pa/g。

表3 材料參數(shù)及熱阻

計(jì)算各層飽和水蒸氣分壓力。

ANSYS計(jì)算得各層溫度值T1=16.9 ℃；T2=16.5 ℃；T3=-7.8 ℃；T4=-8.1 ℃。

查表得：E1=1 925.2 Pa；E2=1 875.8 Pa；E3=314.6 Pa；E4=306.6 Pa。

計(jì)算室內(nèi)、外實(shí)際水蒸氣分壓力。

室內(nèi)水蒸氣分壓力：ti=18 ℃，查表得Ei=2 062.5 Pa；

室內(nèi)實(shí)際水蒸氣分壓力：ei=2 062.5×60%=1 237.5 Pa；

室外水蒸氣分壓力：由te=-8.5 ℃，查表得Ee=296.0 Pa；

室外實(shí)際水蒸氣分壓力：ee=296.0×62%=183.52 Pa。

計(jì)算各層實(shí)際水蒸氣分壓力。

e1=ei=1 237.5 Pa；

e2=1 237.5-(151.9/713.64)×(1 237.5-183.52)=1 013.05 Pa；

e3=1 237.5-((151.9+409.84)/713.64)×(1 237.5-183.52)=407.86 Pa；

e4=ee=183.52 Pa。

結(jié)果匯總分析見表4。

表4 結(jié)果匯總表(一) Pa

由表4結(jié)果可知，復(fù)合墻體中龍骨影響區(qū)外巖棉與室外側(cè)石膏板接觸處實(shí)際水蒸氣分壓力大于飽和水蒸氣分壓力，也就是說，此處會出現(xiàn)冷凝。

計(jì)算冷凝強(qiáng)度。

冷凝界面位于巖棉與室外側(cè)石膏板接觸處，所以EC=E3=314.60 Pa。

H0·A=151.90+409.84=561.74 m2·h·Pa/g;H0·B=151.90 m2·h·Pa/g。

得冷凝強(qiáng)度：WC=(1 237.5-314.60)/561.74-(314.60-183.52)/151.90=0.78 g/(m2·h)。

情況二：龍骨影響區(qū)內(nèi)的墻體。

計(jì)算各層飽和水蒸氣分壓力。

ANSYS計(jì)算得各層溫度值T1=13.6 ℃；T2=11.8 ℃；T3=-4.6 ℃；T4=-6.6 ℃。

查表得：E1=1 557.2 Pa；E2=1 383.9 Pa；E3=416 Pa；E4=349.3 Pa。

計(jì)算室內(nèi)、室外以及各層實(shí)際水蒸氣分壓力同情況一相同。

結(jié)果匯總分析見表5。

表5 結(jié)果匯總表(二) Pa

由表5中結(jié)果可知，各層實(shí)際水蒸氣分壓力均小于各層飽和水蒸氣分壓力，也就是說，龍骨影響區(qū)內(nèi)的墻體部分內(nèi)部不會出現(xiàn)冷凝。

5 結(jié)語

1)HF1龍骨腹板開孔后能明顯降低龍骨熱橋效應(yīng)，降低墻體傳熱系數(shù)，提高墻體保溫性能；

2)孔長是影響墻體傳熱性能的重要開孔參數(shù)，孔寬則影響不大；孔洞橫向間距對墻體傳熱性能影響較為明顯，且隨孔洞橫向間距的增大沿HF1輕鋼龍骨的熱傳遞明顯減小，孔洞縱向間距影響則不大；開孔排數(shù)對墻體傳熱性能影響較大，且隨著開孔排數(shù)增多，傳熱系數(shù)變化趨勢漸緩和；

3)表面結(jié)露、內(nèi)部冷凝與復(fù)合墻體的保溫性能關(guān)系密切，孔洞參數(shù)選擇將直接影響復(fù)合墻體的傳濕結(jié)果。

[1] 武 勝,張素梅.輕鋼龍骨復(fù)合墻體節(jié)能設(shè)計(jì)方法與研究進(jìn)展[J].鋼結(jié)構(gòu),2009(11):1-6.

[2] 武 勝,張素梅.新型冷彎翼緣閉合軸壓構(gòu)件力學(xué)性能[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008(4):581-585.

[3] 武 勝,張 厚,王 偉.新型冷彎翼緣閉合構(gòu)件力學(xué)性能研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011(10):12-17.

[4] JGJ 26—2010,嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5] 王昭俊,崔永旗,張素梅.腹板開孔輕鋼龍骨復(fù)合墻體截面參數(shù)對傳熱的影響[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006(10):1786-1788,1792.

[6] 武 勝.新型冷彎構(gòu)件力學(xué)性能及輕鋼龍骨復(fù)合墻體傳熱性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

[7] 《建筑設(shè)計(jì)資料集》編委會.建筑設(shè)計(jì)資料集[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994.

[8] 華南理工大學(xué).建筑物理[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社,2002.

[9] GB 50176—93,民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Heat transfer and moisture transfer performance analysis of slotted light steel-framed HF1 composite wall★

Wu Sheng Han Biao

(CollegeofCivilEngineering，NortheastForestryUniversity，Harbin150040，China)

On the basis of the research of the C type light steel framed with web-perforated, the perforated parameters of the new web-perforated HF1 light steel framed composite wall are analyzed by finite element software, on heat transfer and moisture transfer performance, point out the slotted light steel framed composite wall can greatly improve the wall heat transfer performance, reduce the heat loss, and control the thermal bridge effect.

composite wall, heat transfer performance, perforated parameters, ANSYS

1009-6825(2017)01-0194-03

2016-10-24

★：教育部中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：DL13CB10)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：51008054)

武 勝(1976- )，男，博士，副教授； 韓 彪(1992- )，男，在讀碩士

TU111

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