冷彎薄壁型鋼組合墻體傳熱性能研究綜述

張秀華 李月嬌 李思雨

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

建筑業(yè)作為國家支柱產(chǎn)業(yè)，在滿足社會需求、促進國家經(jīng)濟發(fā)展的同時也消耗大量的資源，導(dǎo)致了環(huán)境污染和氣候變暖等負面影響。從全球來看，建筑能耗占總能耗的29.74%，而在建筑能耗中，通過外墻耗散的熱量占建筑總熱量的40%左右，是氣候相近國家的2倍～3倍。因此提高外墻的保溫隔熱性能迫在眉睫，開發(fā)節(jié)能建筑墻體對推動節(jié)能發(fā)展具有重要意義。結(jié)合國家對綠色建材的重視與推廣，本文主要對冷彎薄壁型鋼組合墻體的傳熱性能進行總結(jié)研究。

1 組合墻體傳熱性能研究現(xiàn)狀

組合墻體主要由型鋼骨架與覆面板組成，通過ST4.8級自攻螺釘連接，中間空腔用巖棉填充而成。根據(jù)覆面板材料不同，組成結(jié)構(gòu)也有所不同。常見的覆面板有稻草板、石膏板、OSB板、膠合板與竹板等。

1.1 國外研究

國外對組合墻體的傳熱性能研究起步早比較成熟。Jeffrey E等［1］通過耐候試驗和耐腐蝕測試，研究腹板開孔輕鋼龍骨墻體的耐久性能，得出結(jié)論:腹板開孔后可以有效的減少墻體的熱量損失，減少局部熱橋現(xiàn)象。Kosny J等人［2］對輕鋼龍骨組合墻體進行了標定熱箱試驗和有限元模擬分析，得出結(jié)論:龍骨的布置形式和龍骨比重對墻體熱阻影響程度較大。并在此基礎(chǔ)上提出使用隔熱材料包裹龍骨可以有效減小復(fù)合墻體中熱橋效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上Syed A M和Kosny J［3］通過分區(qū)法計算并對比了龍骨比重分別為5%，8%，11%與14%時鋼龍骨與木龍骨墻體的熱阻。結(jié)果表明:隨著墻體中龍骨比重的提升，墻體熱橋影響增大，墻體保溫性能顯著下降。Lassue S等［4］將腹板開孔的輕鋼龍骨墻體熱損失簡化方程植入計算機程序，并提出一種新型可視化熱橋的紅外熱成像法用于計算熱損量。

1.2 國內(nèi)研究

我國對組合墻體傳熱性能研究雖然起步晚、基礎(chǔ)差，但經(jīng)過科研人員的不斷鉆研并通過借鑒發(fā)達國家的經(jīng)驗和技術(shù)，在該方面也已經(jīng)取得了巨大進步。

顏於滕［5］利用標定熱箱試驗法和ABAQUS有限元分析軟件對腹板開孔的輕鋼龍骨進行保溫性能分析，并提出應(yīng)用于腹板開孔組合墻體傳熱系數(shù)的計算公式。楊華等［6］采用有限元分析軟件對腹板開孔后截面參數(shù)對輕鋼復(fù)合墻體傳熱性能的影響進行分析。截面參數(shù)包括龍骨幾何尺寸、孔洞參數(shù)、覆面石膏板與外加苯板厚度等。研究表明:腹板高度、孔洞排數(shù)、孔洞長度及苯板厚度是影響腹板開孔輕鋼龍骨墻體傳熱性能的主要參數(shù)。武勝等［7］采用熱電偶測溫法對腹板開孔、帶外保溫層腹板開孔輕鋼龍骨組合墻體傳熱性能試驗研究。結(jié)果表明:兩種墻體傳熱系數(shù)為0.315W/(m2·K)，0.250 W/(m2·K)，可以滿足我國寒冷地區(qū)規(guī)范要求。李玉順等［8］對鋼—竹組合墻體試件進行傳熱性能試驗研究，得到該組合墻體傳熱系數(shù)約為0.387 W/(m2·°C)，具有良好的保溫效果，復(fù)合嚴寒地區(qū)居住建筑的傳熱系數(shù)限值要求。

2 組合墻體傳熱性能影響因素

冷彎薄壁型鋼組合墻體因其強度高，自重輕等優(yōu)點，廣泛被應(yīng)用到住宅的主要承重部分。本文通過總結(jié)前人對冷彎薄壁型鋼組合墻體進行的試驗探究和有限元模擬分析，得出影響組合墻體傳熱性能主要因素:

1)型鋼截面尺寸，包括型鋼腹板高度、厚度和翼緣寬度;

2)龍骨比重、龍骨間距;

3)型鋼形式及布置位置;

4)型鋼腹板開孔參數(shù)，包括開孔排數(shù)、孔洞長度、孔洞寬度及孔洞縱向間距;

5)組合墻體是否外加苯板;

6)覆面板的種類、導(dǎo)熱系數(shù)及保溫性能。

3 冷彎薄壁型鋼—稻草板組合結(jié)構(gòu)

我國是一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，有著豐富的秸稈資源，稻草秸稈每年生產(chǎn)數(shù)量大體上3億t。但因為村民的循環(huán)利用意識低，大多數(shù)秸稈成為了村民的生活燃料或在田間焚燒，不僅造成資源浪費，也污染環(huán)境。如能將其充分利用，不僅可解決焚燒秸稈帶來的環(huán)境問題且發(fā)揮稻草秸稈生產(chǎn)周期短、利用率高、成本低的優(yōu)勢。因此從利用效率和利用成本的角度出發(fā)，稻草板在綠色建筑領(lǐng)域中具有很大的發(fā)展空間。

3.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

Khedari J和Suttisonk B［9］對稻草秸稈和無機膠結(jié)合材料應(yīng)用于建筑保溫中進行了大量的研究，提出使用不同的農(nóng)業(yè)廢棄物可以提高建筑的保溫性能，其中稻草秸稈的效果最為明顯，可以發(fā)展成為一種新型的輕質(zhì)建筑保溫材料。

稻草板具有綠色環(huán)保、保溫隔熱和隔音降噪等諸多特點。張秀華等［10］對壓型鋼板—稻草板組合樓蓋進行了力學(xué)性能試驗，得出壓型鋼板—稻草板組合樓蓋具有良好的承載力，力學(xué)性能可以滿足建筑結(jié)構(gòu)樓蓋的要求。楊景程［11］對冷彎薄壁C型鋼—稻草板組合墻體的力學(xué)性能進行試驗研究。研究結(jié)果表明:薄壁型鋼和稻草板可以協(xié)同工作，具有良好的抗剪承載力。

可見鋼—稻草板組合結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了二者的優(yōu)勢，是一種良好的綠色建筑結(jié)構(gòu)。該組合結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強延性好、抗震性能優(yōu)良、整體性好、節(jié)能環(huán)保等特點。

3.2 組合墻體傳熱性能研究建議

該組合墻體的力學(xué)性能已經(jīng)得到了試驗證明，但目前對其傳熱性能研究未見成熟報道。建議主要對其進行三個方面的研究:

1)截面參數(shù)對組合墻體傳熱性能的研究，包括型鋼腹板高度、厚度以及翼緣寬度;

2)型鋼開孔參數(shù)的影響，包括開孔縱向間距、橫向間距、孔洞長度以及孔洞寬度;

3)對該組合墻體的傳熱系數(shù)進行公式的修正;以及該結(jié)構(gòu)保溫性、經(jīng)濟性能研究。

4 結(jié)語

目前，國內(nèi)學(xué)者對于冷彎薄壁型鋼組合墻體的傳熱性能已進行了大量的試驗研究并取得了階段性的成果。由于其覆面板材的多樣性，組合結(jié)構(gòu)的保溫性有較大不同，稻草板作為綠色建筑材料，有較大的發(fā)展空間。稻草板作為覆面板時，組合墻體的傳熱性能的研究應(yīng)進一步探索。