裝配式ALC-輕鋼龍骨復(fù)合墻體熱工性能研究

馬廣閱 郭志峰

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 武漢 430070)

0 引言

《巴黎協(xié)定》倡議全人類共同努力，使未來氣候變化導(dǎo)致的氣溫升高不超過2 ℃。這一目標(biāo)的提出使全球各國政府都有著相當(dāng)大的壓力。這個(gè)要求下，2050年中國碳排放總量不能超過30～35億t，而2015年我國碳排放量已達(dá)105億t[1]，減少能耗是當(dāng)下急需提上日程的任務(wù)。在裝配式建筑發(fā)展迅猛的當(dāng)下，建筑節(jié)能也受到了更多的關(guān)注，發(fā)展綠色裝配式建筑是當(dāng)下建筑業(yè)的方向。

輕鋼龍骨復(fù)合墻體是以冷彎型鋼組成的輕鋼龍骨和相應(yīng)覆面板作為主要結(jié)構(gòu)部件的墻體形式，是一種易于實(shí)現(xiàn)的整體化成品墻體，十分契合裝配式建筑的需求。冷彎型鋼抗震性能優(yōu)異、自重輕、截面形狀合理同時(shí)還有著很高的鋼材利用率[2]，蒸壓輕質(zhì)混凝土(Autoclaved Lightweight Concrete，簡稱“ALC”)墻板耐火、輕質(zhì)、耐久、表面可飾性高，兩者組合到一起形成的復(fù)合墻體有著施工簡易、安裝人數(shù)少、裝配率高、污染小等特點(diǎn)，是一種理想的裝配式墻體。但是由于輕鋼龍骨在墻體中有著很強(qiáng)的熱橋效應(yīng)，造成輕鋼龍骨復(fù)合墻體的傳熱系數(shù)變大，從而難以滿足裝配式墻體的熱工性能指標(biāo)。如何改善這一點(diǎn)是本文研究的主要內(nèi)容。

由于輕鋼龍骨的存在，墻體內(nèi)各個(gè)部位的熱流不均勻，導(dǎo)致這一部分熱流大大高于其他部分，形成熱橋，從而提高了墻體的傳熱系數(shù)。這不僅增加了建筑能耗，還會使墻體的溫度分布不均勻，容易引起墻體表面冷凝結(jié)露，在氣候寒冷時(shí)還有可能會對人體產(chǎn)生冷輻射而引起不適。KOSNY等[3]曾利用自主研發(fā)的軟件對輕鋼龍骨墻體的熱量損失進(jìn)行了研究，結(jié)果表明大約占墻體面積30%的輕鋼龍骨會使墻體熱阻降低50%。SALONVAARA等[4]提出了在鋼龍骨上開孔來減少墻體的熱量損失的方法，同時(shí)也可以改善墻體結(jié)露的現(xiàn)象。之后LUPAN等[5]利用數(shù)值模擬的方法，研究了開孔的形狀以及開孔參數(shù)對墻體傳熱性能的影響。SANTOS等[6]總結(jié)了4類措施來降低熱橋?qū)p鋼龍骨墻體的影響：(1)在鋼構(gòu)件上開槽開孔，以增長熱流的通道；(2)鋼構(gòu)件壓痕，減少鋼構(gòu)件的接觸面積，增加熱流的復(fù)雜性；(3)對組成構(gòu)件進(jìn)行熱斷裂處理，加入熱的不良導(dǎo)體從而形成內(nèi)外部組件之間的屏障；(4)沿著鋼框架使用絕緣帶作為隔絕熱流的措施。國內(nèi)學(xué)者也針對輕鋼龍骨進(jìn)行了大量的研究。崔永旗等[7]對腹板開孔的輕鋼龍骨復(fù)合墻體開孔后腹板上熱流分布情況進(jìn)行了三維傳熱分析。武勝等[8]針對新型截面形式的復(fù)合墻體在開孔處理下熱工性能的變化進(jìn)行了一系列研究，證實(shí)了開孔處理的有效性，并得到了開孔參數(shù)對墻體熱工性能的影響。姜偉等[9]發(fā)現(xiàn)二維穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)值模擬計(jì)算比一維簡化計(jì)算方法更加精確，但在熱橋問題上的處理仍然不夠精準(zhǔn)。張家亮等[10]對冷彎型鋼與兩側(cè)竹板條組合的龍骨形式的復(fù)合墻體進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)論表明在鋼龍骨與覆面板之間加上熱的不良導(dǎo)體有利于增強(qiáng)整體熱工性能，同時(shí)外保溫材料對局部熱橋效應(yīng)明顯削弱。

基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和裝配式建筑自身特點(diǎn)，本文采用絕熱材料對輕鋼龍骨部位做熱斷裂處理從而改善墻體的熱工性能，通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)測試的方式來研究這種措施的有效性，并分析了墻體熱工性能的變化。

1 試件設(shè)計(jì)

1.1 材料選擇

覆面板材料使用50 mm厚度的ALC板，ALC板材不僅在保溫性能與強(qiáng)度性能方面優(yōu)于傳統(tǒng)的紙面石膏板，更是A1級防火材料，可以改善輕鋼龍骨在耐火性能上的弱勢[11]。隔音材料為3 mm厚的PVC隔音氈。采用5 mm厚度丁基橡膠橡膠材料作為絕熱條來處理熱橋部位。輕鋼龍骨材料采用LQ550高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼，尺寸為C90×50 mm×8 mm×0.75 mm，腹板有兩條加勁肋?？紤]到綠色環(huán)保的特性，夾芯保溫材料采用玻璃纖維保溫棉而不采用巖棉。材料具體熱工性能見表1。

表1 材料的熱工性能指標(biāo)

1.2 試件結(jié)構(gòu)

雖然自攻螺釘在墻體中占比較小，但為了盡可能地減少其產(chǎn)生的熱橋效應(yīng)，采取兩個(gè)措施：(1)采用尼龍頭自攻螺釘，螺釘帶橡膠圈，避免螺釘與鋼龍骨大面積接觸；(2)自攻螺釘打入ALC板材5 mm深處，再用膩?zhàn)幽ㄆ礁采w，避免螺釘頭與外部環(huán)境直接接觸。試件幾何尺寸保持與實(shí)際工程一致(見圖1)。

圖1 試件詳細(xì)尺寸示意

基于不同的墻體用途和材料特性，共設(shè)計(jì)了3種試件結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。

試件1(見圖2(a))分為3層，分別由ALC板、輕鋼龍骨和ALC板構(gòu)成，內(nèi)部空腔填充保溫材料。這種構(gòu)造能夠基本滿足墻體在工程實(shí)際中的力學(xué)性能要求，且構(gòu)造最為簡單，但是對于圍護(hù)墻體的功能性要求則沒有特殊構(gòu)造措施來提升。在初步的估算下，若其性能想要達(dá)到節(jié)能規(guī)范要求的程度，其厚度會顯著地提高。

試件2(見圖2(b))分為5層，在試件1的基礎(chǔ)上，增加了輕鋼龍骨兩側(cè)翼緣部分的丁基橡膠絕熱條。這種構(gòu)造對熱橋部位有了專門的改善措施，其構(gòu)造較為復(fù)雜但易于實(shí)現(xiàn)。

試件3(見圖2(c))分為7層，在試件2的基礎(chǔ)上，每一個(gè)ALC板和丁基橡膠絕熱條之間增加一層全面積的PVC隔音氈，雖然構(gòu)造復(fù)雜但仍容易實(shí)現(xiàn)。PVC隔音氈不僅能提高墻體的隔音性能，同時(shí)還有著極低的導(dǎo)熱系數(shù)，能進(jìn)一步改善輕鋼龍骨的熱橋效應(yīng)。

1.3 GB 50176—2016計(jì)算方法

裝配式建筑墻體對于熱工性能的要求與一般墻體一致，在夏熱冬冷地區(qū)，要求較低的墻體類型傳熱系數(shù)要低于0.8 W/(m2·K)，較高的墻體類型傳熱系數(shù)則是0.6 W/(m2·K)?！睹裼媒ㄖ峁ぴO(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176—2016)[12]給出了非均質(zhì)復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的計(jì)算方法。計(jì)算原理是用平行熱流法和等溫面法計(jì)算結(jié)果的平均值作為墻體的平均熱阻，如果相鄰材料的導(dǎo)熱系數(shù)比超過1.5，這個(gè)計(jì)算方法的誤差就會超過20%。雖然本研究試件相鄰材料的熱阻和面積均相差懸殊，不滿足GB 50176的計(jì)算前提。但是在熱橋效應(yīng)不明顯的情況下，試件熱阻值應(yīng)會與計(jì)算結(jié)果保持一致。計(jì)算結(jié)果見表2，可以看出，根據(jù)規(guī)范算法，厚度很小的丁基橡膠條和PVC隔音氈對墻體整體的熱工性能改善有限，而輕鋼龍骨墻體能輕易地滿足相關(guān)節(jié)能規(guī)范的要求。

圖2 試件構(gòu)造示意

表2 GB 50176—2016計(jì)算結(jié)果 W/(m2·K)

2 數(shù)值模擬

熱傳導(dǎo)數(shù)值計(jì)算已經(jīng)具備成熟的理論背景和工程應(yīng)用基礎(chǔ)，國內(nèi)外有許多學(xué)者對輕質(zhì)復(fù)合墻體的熱工性能進(jìn)行了二維或三維熱傳導(dǎo)模擬分析[5-10]。本文所設(shè)計(jì)的墻體結(jié)構(gòu)同實(shí)際工程中一致，同時(shí)有豎向鋼龍骨和橫向鋼龍骨。二維熱傳導(dǎo)分析存在局限性，因此選用三維熱傳導(dǎo)分析。

2.1 模型的建立與求解

使用通用三維建模軟件[13-15]按照實(shí)際樣式建立試件模型，詳細(xì)試件尺寸見1.2節(jié)。試件模型如圖3，為了顯示模型內(nèi)部樣式，將圖中保溫棉部分內(nèi)容進(jìn)行隱藏。

圖3 試件三維實(shí)體模型

采用穩(wěn)態(tài)傳熱分析，材料參數(shù)僅定義導(dǎo)熱系數(shù)、密度與比熱容(見表1)，其他物理量不會影響數(shù)值模擬結(jié)果。全模型采用八節(jié)點(diǎn)的六面體熱傳導(dǎo)單元實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)絡(luò)。模型內(nèi)側(cè)面與外側(cè)面上定義Dirichlet邊界條件，分別設(shè)置為恒定溫度30 ℃與-10 ℃。模型的四邊使用Newman邊界條件定義為與環(huán)境無熱對流交換。模型采用g-mm-s-k的基本單位，并采用兩個(gè)簡化假設(shè)：(1)假設(shè)室內(nèi)、外恒溫，簡化為穩(wěn)態(tài)傳熱問題；(2)忽略接觸熱阻與輻射換熱。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果2.2.1 傳熱系數(shù)

根據(jù)模型的運(yùn)算結(jié)果，通過Frotran語言對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行二次開發(fā)。將表面單元面的所有熱流密度對面積進(jìn)行積分，得到模型的總熱通量，再通過傳熱系數(shù)的物理定義計(jì)算得到對應(yīng)模型的傳熱系數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 總熱通量數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.2 表面熱流

墻體表面熱流分布(見圖4)顯示，鋼龍骨部位的熱量傳遞依然要比無龍骨區(qū)域大，但試件3的表面熱流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于試件1和試件2。由于鋼龍骨的存在，試件1其他無鋼龍骨部位的熱流變得不均勻，鋼龍骨造成影響的范圍較大。

對試件表面中部取路徑(圖4中虛線)繪制其熱流路徑曲線(見圖5)，3個(gè)試件在對應(yīng)龍骨的位置都出現(xiàn)了波峰。對比后發(fā)現(xiàn)，在無龍骨區(qū)域熱流密度相差不大的情況下，試件3龍骨部位的熱流值相對于試件1下降了近一半。試件3的整體熱工性能得到有效的提高。

2.2.3 鋼龍骨熱流

整條鋼龍骨的熱流分布云圖(見圖6)顯示，除了在兩個(gè)鋼龍骨交叉部位熱流要明顯大于其他部位以外，熱流整體分布均勻。試件1覆面板與龍骨之間的熱流變化最懸殊，試件3最平和。在嚴(yán)寒環(huán)境下，試件1的熱流分布極有可能會導(dǎo)致龍骨部位產(chǎn)生冷輻射，而試件2和試件3改善了這一不利情形。

2.2.4鋼龍骨截面熱流

試件中部切片視圖下的熱流分布云圖(見圖7)顯示，輕鋼龍骨仍然是熱量快速傳遞的位置，龍骨附近的熱流值要比其他部位大得多。相比于試件2和試件3，試件1在龍骨的翼緣部位對應(yīng)的ALC板內(nèi)部還存在一部分熱流相對較大的區(qū)域(圖中箭頭處)，導(dǎo)致對應(yīng)位置的墻面出現(xiàn)快速導(dǎo)熱區(qū)域，帶來冷凝結(jié)露等問題[4]。而試件2和試件3由于不存在這個(gè)現(xiàn)象，冷凝結(jié)露現(xiàn)象應(yīng)會得到改善。

圖4 試件表面熱流云圖

圖5 表面中線熱流路徑曲線

圖6 鋼龍骨熱流云圖

圖7 鋼龍骨截面熱流云圖

3個(gè)試件的鋼龍骨截面熱流矢量圖除去數(shù)值大小有所區(qū)別，方向基本一致，因此選用試件3的熱流矢量圖分析(見圖8)。

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，熱流在流入鋼龍骨翼緣部分后，幾乎全部都是沿著翼緣方向，即鋼龍骨包裹的保溫棉部分幾乎沒有熱流流動(dòng)。雖然鋼龍骨腹板截面面積很小，但是所有翼緣所對應(yīng)的墻體部分的熱流也全部集中在鋼龍骨之中。這一部分的熱流方向不是ALC板-翼緣-保溫棉-翼緣-ALC板，而是ALC板-翼緣-腹板-翼緣-ALC板。

(a) 整體龍骨截面 (b) 翼緣部分

注：箭頭長度表示熱流大小。

圖8 試件3鋼龍骨截面熱流矢量

2.3 絕熱層厚度影響

選用阻斷熱橋措施完整的試件3再進(jìn)行分析，將絕熱條厚度設(shè)置為0 mm至10 mm，對比試件的傳熱系數(shù)變化，模擬結(jié)果見表4所示，可以看出，6 mm以后傳熱系數(shù)幾乎沿厚度呈線性變化。

表4 絕熱層厚度數(shù)值模擬結(jié)果

對曲線進(jìn)行函數(shù)擬合，在0～8 mm內(nèi)用3次冪函數(shù)式(見下式)擬合較好，擬合優(yōu)度R2=0.998 9(見圖9)。

K=-0.000 2δ3+0.004 1δ2-0.033 2δ+0.629 8

對擬合公式進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其在δ=4.554時(shí)，斜率與后續(xù)數(shù)據(jù)線性擬合的斜率一致。這說明超過4.5 mm厚度的絕熱條幾乎抵消了墻體內(nèi)的熱橋效應(yīng)，傳熱系數(shù)的減少僅僅是整體厚度增加的結(jié)果。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方法

采用防護(hù)熱箱法進(jìn)行試驗(yàn)，這是測試圍護(hù)結(jié)構(gòu)足尺寸構(gòu)件熱工性能的標(biāo)準(zhǔn)方法，優(yōu)點(diǎn)在于測試精度高同時(shí)可以模擬室內(nèi)外兩側(cè)的溫度、風(fēng)速和氣流情況。防護(hù)熱箱裝置由熱箱(計(jì)量箱)、冷箱、試件架及自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，基于穩(wěn)態(tài)傳熱原理進(jìn)行測試，測試原理如圖10所示。在試件兩側(cè)的箱體(熱箱和冷箱)內(nèi)分別構(gòu)造第三類邊界條件，在墻體的四周構(gòu)造第二類邊界條件(絕熱)。待試驗(yàn)箱內(nèi)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)后測量空氣溫度，根據(jù)試件和箱體內(nèi)壁的表面溫度及輸入熱箱的功率，計(jì)算出試件的熱傳遞參數(shù)。

圖9 絕熱條厚度模擬數(shù)據(jù)擬合曲線

圖10 防護(hù)熱箱法原理

由于4.5 mm厚度的丁基橡膠絕熱條不易獲得，仍采用5 mm厚度的丁基橡膠絕熱條制作試件。試驗(yàn)測試方法遵循《絕熱 穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定 標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》(GB/T 13475—2008)，測試設(shè)備為AW.23.015防護(hù)熱箱，熱箱溫度為30.0 ℃，冷箱溫度為-10.0 ℃，計(jì)量箱面積為1.44 m2。在試件兩側(cè)表面各布置9個(gè)貼片式溫度傳感器，用于監(jiān)控測試箱內(nèi)溫度情況，并由此來判斷防護(hù)熱箱內(nèi)是否達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。在試驗(yàn)持續(xù)6 h左右時(shí)，設(shè)備半小時(shí)加熱機(jī)功率與試件表面溫度不再發(fā)生變化。此時(shí)判定熱箱、冷箱內(nèi)已達(dá)到穩(wěn)態(tài)，采集加熱機(jī)功率，計(jì)算試件的傳熱系數(shù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)結(jié)果與GB 50176算法的對比發(fā)現(xiàn)，除去試件3，GB 50176算法不能計(jì)算圍護(hù)墻體的熱工性能，試件1，2相對偏差為40.5%，33.2%，而試件3的K值吻合性也表明了試件3的鋼龍骨的熱橋效應(yīng)得到了十分有效的改善。試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對比(見表5)說明，3個(gè)試件的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，數(shù)據(jù)偏差在5%以內(nèi)。試件1數(shù)值模擬結(jié)果偏低，而試件2和試件3則相反，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是數(shù)值模擬無法完全模擬隔音氈在試件中所起的作用。

表5 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比

注：括號內(nèi)的數(shù)值表示相對于試件1，對應(yīng)K值下降的百分比。

3.3 結(jié)果分析

在數(shù)值模擬中采用了簡化假設(shè)，并未考慮難以估量的接觸熱阻與輻射換熱，導(dǎo)致模擬結(jié)果的熱阻偏低。從數(shù)值模擬的結(jié)果分析得出，鋼龍骨部分熱流幾乎沒有經(jīng)過保溫棉，即鋼龍骨部分的保溫棉幾乎沒有起到作用。在用《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176—2016)計(jì)算其熱工性能時(shí)，保溫棉面積不應(yīng)包括翼緣部分面積。用這個(gè)假定計(jì)算的試件1、試件2傳熱系數(shù)為1.039 6 W/(m2·K)與0.858 6 W/(m2·K)，與試驗(yàn)結(jié)果十分接近。CAPOZZOLI等[13]認(rèn)為：在外保溫層發(fā)揮了足夠效應(yīng)的前提下，熱橋效應(yīng)幾乎可以忽略不計(jì)，而PVC隔音氈和丁基橡膠絕熱條的共同作用下使整體熱流分布發(fā)生了變化，傳熱系數(shù)也下降至與規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果一致，因此墻體內(nèi)的熱橋效應(yīng)得到了顯著的改善?！睹裼媒ㄖ峁ぴO(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176—2016)計(jì)算前提是相鄰材料的熱阻比不超過1.5，這樣墻體內(nèi)大部分熱流是沿墻面法線方向傳遞的。但數(shù)值模擬結(jié)果顯示，鋼龍骨處的熱流方向復(fù)雜并不是按墻面法線方向的，導(dǎo)致規(guī)范公式不能計(jì)算墻體的熱工性能。

4 結(jié)論

(1)裝配式ALC-輕鋼龍骨復(fù)合墻體在不大幅度增加墻體厚度情況下，難以滿足規(guī)范要求的熱工性能。《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176—2016)中的計(jì)算方法難以準(zhǔn)確地計(jì)算墻體的熱工性能。對于一般構(gòu)造形式來說，其計(jì)算結(jié)果偏差為40.5%。

(2)丁基橡膠絕熱條與PVC隔音氈有效降低了墻體的傳熱系數(shù)，僅采用丁基橡膠絕熱條和兩者均采用的試件相比于不處理的試件，傳熱系數(shù)分別降低了20.6%和48.0%，而厚度僅增加了10 mm和16 mm?？梢姡ㄟ^給龍骨附加很薄的橡膠保溫材料可以有效地提升墻體整體熱工性能，使其能滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189—2015)的相關(guān)規(guī)定。

(3)數(shù)值模擬與試驗(yàn)測試的結(jié)果相吻合，兩者偏差在5%之內(nèi)，能夠可靠地分析裝配式ALC-輕鋼龍骨復(fù)合墻體熱工性能。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，位于輕鋼龍骨部位很薄的隔熱材料能夠有效地改善輕鋼龍骨的熱橋效應(yīng)和墻體表面溫度不均勻現(xiàn)象，減少冷輻射帶來的危害。