木塑結構復合墻體保溫及傳熱性質研究

郁崗　霍唐軍　王立剛

摘 要：木塑結構復合墻體穩(wěn)態(tài)熱量傳遞性質是評價其節(jié)能保溫的重要指標。為了研究影響木塑結構復合墻體傳熱系數(shù)的因素，提高墻體保溫性能的方法，制備了11種不同構造的木塑結構墻體。采用熱箱-熱流計法檢測穩(wěn)態(tài)時墻體的有效傳熱系數(shù)，并對墻體傳熱系數(shù)理論計算值進行了可靠性驗證。結果表明：墻體材料的熱物理特性、墻骨柱類型和內(nèi)外墻板面板對傳熱系數(shù)都有影響，所有采用木塑結構復合墻體有效傳熱系數(shù)在0.273-0.359W/（m2·K）之間，滿足嚴寒地區(qū)熱工級別It（K≤0.4W/（m2·K））。墻體熱阻的理論計算值與試驗檢測值的線性相關度達到0.987。

關鍵詞：木塑結構；復合墻體；隔熱性能；傳熱系數(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.097

木塑結構建筑具有獨特的綠色環(huán)保、節(jié)能、抗震、結構安全、健康舒適等優(yōu)勢，為人們創(chuàng)造了良好的居住環(huán)境[1]。創(chuàng)新理念木塑結構復合墻體是以木塑復合材為骨架材料，采用內(nèi)外覆面板，并由保溫、防潮、滿足荷載等多層材料構成。作為建筑圍護結構的重要組成部分，復合墻體的穩(wěn)態(tài)熱量傳遞性質對建筑物保溫及能源消耗影響顯著[2]。

隨著木塑結構建筑在不同氣候區(qū)的推廣使用，及其新材料的不斷涌現(xiàn)，木塑結構墻體保溫及穩(wěn)態(tài)熱量傳遞性質成為研究的重點之一。[3]研究木塑結構復合墻體保溫及穩(wěn)態(tài)傳熱性質，有利于揭示熱量傳遞機理，分析影響墻體傳熱系數(shù)的因素，驗證復合墻體的保溫性能是否達到國家標準，為新型墻體材料和結構體系的開發(fā)研究奠定堅實的基礎。本文采用國產(chǎn)鍍鋅輕鋼、加拿大SPF規(guī)格材、國產(chǎn)木塑復合材、國產(chǎn)OSB定向刨花板、國產(chǎn)紙面防火石膏板、國產(chǎn)塑料（PVC）、國產(chǎn)玻璃纖維棉等材料，進行了木塑結構復合墻體結構設計，選用不同墻體材料的墻骨柱和覆面板的組合方式制備了11種新型試驗復合墻體。采用熱箱-熱流計法對各墻體進行保溫性能的檢測與評價，探討了木塑結構復合墻體的保溫與穩(wěn)態(tài)熱量傳遞性質以及各材料和墻體結構方式對墻體傳熱系數(shù)的影響，并與傳熱系數(shù)理論計算值進行了比較研究，以期為今后預制復合墻體的保溫及傳熱性質設計提供參考依據(jù)[4]。

1 試驗材料與墻體構成

木塑結構復合墻體墻骨柱選用截面尺寸均為38×89mm的國產(chǎn)鍍鋅輕鋼、加拿大SPF規(guī)格材和國產(chǎn)木塑復合材。外墻覆面板采用厚度為12mm的國產(chǎn)OSB定向刨花板。內(nèi)墻覆面板采用10厚紙面防火石膏板。外墻掛板采用8厚塑料（PVC）掛板，20厚木塑（PE）外墻板和50厚木塑（PE）外墻板，墻體保溫層選用89厚玻璃纖維棉作為保溫材料。參考加拿大輕型木結構住宅墻體的設計形式，結合中國GB 50005- 2003《木結構設計規(guī)范》[5]以及GB/T50361-2005《木骨架組合墻體技術規(guī)范》的規(guī)定[6]，木塑結構復合墻體結構設計，圖1所示。木塑墻體主要材料與連接方式，如表1.1所示。

木塑結構復合墻體構造如表1.2所示。G1墻骨柱類型采用國產(chǎn)鍍鋅輕鋼，S1-S5墻骨柱類型采用SPF規(guī)格材和W1-W5墻骨柱類型采用木塑復合材。S1-S5和W1-W5在墻板形式上依次增加8厚木塑（PVC）內(nèi)墻板、20厚塑料（PVC）外墻板、20厚木塑（PE）外墻板、50厚木塑（PE）外墻板。

2 實驗方法與計算模型

2.1 導熱系數(shù)檢測方法

選取塑料（PVC）、SPF規(guī)格材、木塑（PVC）、木塑（PE）、紙面防火石膏板、OSB定向刨花板和鋪設擠壓度與試驗相同的玻璃纖維棉，采用ISOET model 2104 熱特性分析儀進行測試。儀器接觸傳感器量程0.3-2 W/（m·K），用于測量塊材的熱物理特性；針式插入式傳感器量程1-2 W/（m·K），用于測量松散材料的熱物理特性。塊狀材試件尺寸不大于儀器接觸式探頭，松散材料插入針式探頭進行測試。鑒于含水率對導熱系數(shù)測定有很大影響，對試驗材材料中的木塑復合材、SPF規(guī)格材和OSB定向刨花板在80℃烘箱中處理24小時，然后在室溫下放置24小時，減少含水率對材料導熱系數(shù)測量的影響。測試過程中溫度波動范圍不超過2℃。平均15～20min測完一個材料的導熱系數(shù)。

2.2 傳熱系數(shù)檢測方法

按照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》[7]進行熱箱檢測。熱箱結構由冷箱、熱箱和試件框3部分組成。冷熱箱內(nèi)均設置攪拌風扇、均熱板以及測溫、控溫傳感器，使內(nèi)部環(huán)境溫度分布盡量均勻。通過冷、熱箱的溫度控制，為墻體冷、熱表面提供恒定溫差，使墻體能夠穩(wěn)態(tài)傳熱。采用建筑熱工溫度與傳熱系數(shù)K值巡檢儀采集記錄溫度和熱流密度數(shù)據(jù)。

當熱流通過墻體結構時，由于墻體熱阻的存在，在厚度方向的溫度梯度為衰減過程，在墻體兩側形成穩(wěn)定的溫差。在墻體受熱表面的墻骨柱上和墻骨柱之間位置貼上3個熱流板，在熱流板周圍外表面布置9個T型熱電偶，并在冷面相應處布置9個T型熱電偶。將測試信號輸入傳熱系數(shù)K值巡檢儀中，在墻體傳熱達到穩(wěn)定狀態(tài)10小時后，讀取溫度和熱流值，并儲存記錄。通過公式計算得到傳熱系數(shù)K值。

2.3 墻體傳熱數(shù)值計算模型

復合墻體傳熱數(shù)值計算是基于一維穩(wěn)態(tài)傳熱原理，在試件兩側的箱體（冷箱和熱箱）內(nèi)分別建立所需的溫度、風速和輻射條件，達到穩(wěn)定狀態(tài)后，測量空氣溫度、試件和箱體內(nèi)壁的表面溫度及熱流密度，就可計算出試件的熱傳遞性質。計算公式如下：

式中：Th為熱面測點平均溫度，單位是℃；

TC為冷面測點平均溫度，單位是℃；

q為熱流密度，單位是W/ m2；

Ri和Re為內(nèi)外表面換熱阻，單位是（m2·K）/W；

R為墻體換熱阻，單位是（m2·K）/W；

K為墻體傳熱系數(shù)，單位是W /（ m2·K）。

3 結果與討論

3.1 木塑建筑墻體材料的熱物理特性

如表1.3所示，比較實驗測得的幾種建筑墻體材料的熱物理性能參數(shù)值發(fā)現(xiàn)：輕鋼材料的導熱系數(shù)最高。輕鋼>木塑（PE）>塑料（PVC）>木塑（PVC）>SPF規(guī)格材。導熱系數(shù)越小，其熱工性能越優(yōu)。木塑（PE）與常用建筑墻體覆面板（紙面防火石膏板、OSB定向刨花板等）相比，導熱系數(shù)接近。熱工性能方面，保溫隔熱材料分為：絕熱材料λ

3.2 墻骨柱類型對墻體隔熱性能影響

11種木塑結構墻體的組成材料和構造方式不同，墻體保溫性能存在差異。根據(jù)公式（1，2）計算出各復合墻體的熱阻值和傳熱系數(shù) ，如表1.4所示。

G1、S2、W2墻體除墻骨柱類型不同外，其他建筑構造保持一致，以木塑復合材為墻骨柱的墻體的保溫性能優(yōu)于以SPF規(guī)格材為墻骨柱的墻體，傳熱系數(shù)從0.368W/（m2·K）降低到0.349W/（m2·K），下降5.16%。且大大優(yōu)于以輕鋼作為墻骨柱的墻體，傳熱系數(shù)相比0.955 W/（m2·K），下降63.5%。造成這種現(xiàn)象的原因是鍍鋅輕鋼是熱的良好導體，不利于隔熱；其次，雖然木塑的導熱系數(shù)高于SPF規(guī)格材，但50厚木塑墻板經(jīng)過“目”型截面處理，中間多了幾層空氣層，空氣是熱的不良導體，改造后的木塑墻骨柱獲得比SPF規(guī)格材更好的熱工性能，從而將墻體的總傳熱系數(shù)進一步降低。因此，采用合理截面形式能使采用木塑復合材為墻骨柱的墻體獲得比采用SPF規(guī)格材為墻骨柱的墻體更優(yōu)的保溫隔熱性能。此外，木塑結構復合墻體總有效傳熱系數(shù)<0.4 W/（m2·K），滿足墻體熱工級別中It級標準，適用于嚴寒地區(qū)[9]。

3.3 墻面板對墻體隔熱性能影響

如圖2所示，以“目”型木塑材作為墻骨柱的墻體的總傳熱系數(shù)大小值比較：W5

3.4 理論計算與試驗檢測比較

根據(jù)GB50176-93民用建筑熱工設計規(guī)范計算方法，按照多層結構非均質圍護結構形式的平均熱阻計算公式，將各層材料的熱阻進行累加得到每一塊墻體熱阻。傳熱系數(shù)計算如下：

式中：R為墻體熱阻，單位是（m2·K）/W；

SS為墻骨柱所占墻體面積比例，本試件所占比例為21.2%；

K1為墻骨柱處傳熱系數(shù)，單位是W /（ m2·K）；

KS為保溫棉處傳熱系數(shù)，單位是W /（ m2·K）；

如表1.5-1.6和圖3所示，由于復合墻體各層之間空隙而增加的熱阻和材料的非均質性特性等原因，使理論計算的傳熱系數(shù)與試驗檢測的傳熱系數(shù)存在一定誤差，兩者的誤差在16%以內(nèi)，但兩者的相關系數(shù)是0.987，具有很高的一致性。因此，在試驗檢測不方便時可通過材料導熱系數(shù)計算得到木塑結構復合墻體的傳熱系數(shù)。

4 結論

通過上述研究與分析，主要得出以下結論：

（1）木塑集成木構墻體采用的木塑復合材導熱系數(shù)較低，其中墻體內(nèi)飾面板用木塑（PVC）導熱系數(shù)為0.080W/（m·K），外墻面板用木塑（PE）的導熱系數(shù)為0.338W/（m·K）。內(nèi)飾面板用木塑（PVC）為板狀塊材，是一種裝飾、熱絕緣材料，達到保溫材料要求，接近高效保溫材料。木塑（PE）的導熱系數(shù)相比輕鋼材料具有很大的隔熱優(yōu)勢。采用木塑復合材作為外墻掛板、內(nèi)墻飾面、墻骨柱等在建筑熱工性能方面優(yōu)勢明顯。

（2）采用合理截面形式能使采用木塑復合材為墻骨柱的墻體獲得比采用SPF規(guī)格材和鍍鋅輕鋼為墻骨柱的墻體更優(yōu)的保溫隔熱性能。木塑結構復合墻體總有效傳熱系數(shù)U<0.4 W/（m2·K），滿足墻體熱工級別中It級標準，適用于嚴寒地區(qū)。

（3）外墻掛板采用“目”型截面構造和木塑材料本身優(yōu)良的熱工性能使得采用50mm厚木塑外墻掛板的墻體具有最佳的保溫隔熱性能。木塑（PVC）內(nèi)墻飾面板在起到內(nèi)部裝飾作用的同時也能起到很好的隔熱作用。合理的將木塑復合材運用于內(nèi)外墻板材料，采用合理的結構形式能有效提高墻體熱工性能。

（4）復合墻體理論計算值與試驗檢測值的誤差在16%以內(nèi)，兩者相關系數(shù)為0.987，具有高度一致性。可通過材料導熱系數(shù)計算得到木塑結構復合墻體的傳熱系數(shù)。

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