新型無梁樓蓋磷石膏復(fù)合空腔層模盒保溫隔熱性能試驗(yàn)研究

摘 要：磷石膏空腔模無梁樓蓋作為一種新型建筑樓蓋結(jié)構(gòu)形式，兼具建筑維護(hù)和結(jié)構(gòu)功能。由于樓蓋內(nèi)部含有較多封閉空腔，在不影響建筑結(jié)構(gòu)的正常使用條件下，封閉空腔中的空氣減輕了樓蓋整體的自重，同時減少了熱量的傳播，比傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土實(shí)心樓蓋擁有更好的保溫隔熱性能。通過分析計(jì)算和FLUENT模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)封閉空腔內(nèi)空氣層厚度小于等于20 mm時，基本不發(fā)生對流換熱，基于此提出新型無梁樓蓋磷石膏復(fù)合空腔層模盒。通過穩(wěn)態(tài)傳熱試驗(yàn)，測定了高度300 mm的新型磷石膏模盒總熱阻和傳熱系數(shù)，并將新型磷石膏模盒試驗(yàn)數(shù)據(jù)與相同工況下現(xiàn)有常用同規(guī)格磷石膏模盒試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)果表明，在相同工況下，新型磷石膏復(fù)合空腔層模盒保溫隔熱性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)單空腔模盒。

關(guān)鍵詞：磷石膏;空腔模盒;保溫隔熱性能;空氣層厚度

中圖分類號：TU111.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

磷石膏空腔模無梁樓蓋作為一種新型建筑樓蓋結(jié)構(gòu)形式，已經(jīng)在大柱網(wǎng)的辦公樓、商業(yè)廣場以及多層停車場等許多公共建筑中得到應(yīng)用。由于空氣層的存在，此類樓蓋具有良好的保溫隔熱性能。目前，國內(nèi)外已有許多學(xué)者對帶有空氣層的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能進(jìn)行了研究。

ZUKOWSKI等 [1]研究了一種垂直多孔珍珠巖填充保溫砌塊的有效熱工性能。通過實(shí)測和數(shù)值計(jì)算，確定了這種新型保溫砌塊的熱工性能，同時給出了這種保溫砌塊和砂漿制成的整面墻的等效熱阻和灰縫厚度的相關(guān)關(guān)系。孟慶林等[2]從空氣層傳熱機(jī)理出發(fā)，求得了空氣層熱阻的理論解，在理論上證明了空氣層存在最大熱阻的特性，為在建筑熱工領(lǐng)域更為科學(xué)地運(yùn)用空氣層節(jié)能技術(shù)提供了理論依據(jù)。MORALES等[3]使用有限元程序進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)對于空心磚非矩形空隙，熱流必須穿過更多的空隙，才能改善其熱工性能，而與熱流成直角的對角線較長的菱形空隙布局則是最佳的內(nèi)部空隙布局。任澤霈等[4]用數(shù)值方法分析了封閉空間自然對流與導(dǎo)熱、輻射的復(fù)合換熱，得到了邊壁導(dǎo)熱效應(yīng)和內(nèi)壁面間輻射換熱對自然對流流動和換熱的影響。戰(zhàn)乃巖等[5] 采用層流模型對具有導(dǎo)熱和表面輻射換熱相互耦合的封閉腔內(nèi)的自然對流進(jìn)行了數(shù)值研究，并從數(shù)值上證實(shí)了在實(shí)際的建筑環(huán)境中，只要外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度達(dá)到一定的數(shù)值，就可以達(dá)到隔熱保溫的要求。JAN KOC等[6]對具有復(fù)雜內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱工性能的計(jì)算研究，結(jié)果表明，空心層的圍護(hù)結(jié)構(gòu)比實(shí)心圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有更好的保溫和隔熱性能。李少杰等[7]采用數(shù)值分析法對磷石膏空腔樓蓋內(nèi)空氣層進(jìn)行了研究，提出了減小空氣層厚度，改善樓蓋整體熱阻的實(shí)施方法。劉長江等[8]通過試驗(yàn)對磷石膏空腔體的傳熱性能進(jìn)行了分析研究，為磷石膏空腔體的傳熱性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。宣衛(wèi)紅等[9]對新型混凝土空心樓蓋板的保溫隔熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究與有限元模擬，結(jié)果表明，帶有空氣層的新型樓蓋板具有更好的保溫隔熱性能。

本文通過FLUENT有限元數(shù)值模擬和分析發(fā)現(xiàn)，空腔模盒內(nèi)空氣層傳熱過程中的熱傳導(dǎo)傳熱量占比較少，輻射傳熱量占比較大。由于減弱輻射傳熱較為困難，且對流傳熱在熱量傳遞過程中也占有重要地位，為使樓蓋達(dá)到更好的保溫隔熱效果，本文擬通過改變模盒空氣層厚度，減弱空氣層中對流換熱強(qiáng)度，以此提高空腔模盒的保溫隔熱性能。根據(jù)這一思路，提出一種新型的磷石膏復(fù)合空腔層模盒，并設(shè)計(jì)出制作該新型模盒所使用的不銹鋼模具。采用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能檢測裝置與多通道溫度熱流測試儀，測定了新型磷石膏模盒的傳熱系數(shù)，并將新型磷石膏模盒傳熱過程試驗(yàn)數(shù)據(jù)與相同工況下現(xiàn)有常用磷石膏模盒試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析此類新型模盒的保溫隔熱性能。

1 最優(yōu)空氣層厚度的確定

對于封閉空腔模型，當(dāng)瑞利數(shù)Ralt;1 708時，空腔內(nèi)的流體保持穩(wěn)定性，空腔內(nèi)將不會出現(xiàn)對流換熱， 熱量的傳遞主要依靠熱傳導(dǎo)。由此計(jì)算出的最佳空氣層厚度將有效提高樓蓋的保溫隔熱性能。文獻(xiàn)[7]中提出了一種有效的計(jì)算方法，計(jì)算得出了不發(fā)生對流換熱的最大空氣層厚度為20 mm。經(jīng)過數(shù)值模擬分析，當(dāng)空氣層厚度小于等于20 mm時，格拉曉夫數(shù)Grlt;2 430，瑞利數(shù)Ralt;1 780，如圖1所示。因此，可以認(rèn)為當(dāng)空腔厚度小于等于20 mm時，空腔內(nèi)基本不發(fā)生對流換熱，由此可確定最優(yōu)空氣層厚度為20 mm。瑞利數(shù)和格拉曉夫數(shù)的表達(dá)式如下：

Ra=Gr·Pr（1）

Gr=g βΔTH3v2（2）

式（1）中，Ra為瑞利數(shù)，是與自然對流相關(guān)的無量綱數(shù)。Pr是普朗特?cái)?shù)，表明溫度邊界層和流動邊界層的關(guān)系，反映流體物理性質(zhì)對對流傳熱過程的影響。Gr是格拉曉夫數(shù)，近似等于流體的重力與粘性力的比率。式（2）中，g是重力加速度，β是體積膨脹系數(shù)，取β=1/T，T取平均溫度，ΔT是上下表面溫差，H是空氣層厚度，v是運(yùn)動粘度。

2 一種新型磷石膏復(fù)合空腔層模盒的制備

如圖2所示的磷石膏空腔模無梁樓蓋中，通常采用尺寸300 mm×300 mm×600 mm的長方體空腔模盒，如圖3所示。由于封閉空腔的存在，在不影響建筑結(jié)構(gòu)的正常使用下，封閉空腔中的空氣減輕了建筑整體的自重，同時減少了熱量的傳遞，比傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土樓蓋擁有更好的保溫隔熱性能。

根據(jù)最優(yōu)空氣層厚度為20 mm這一結(jié)論，本文提出一種新型的磷石膏復(fù)合空腔層模盒。該新型模盒由7個空腔層組成，總尺寸600 mm×600 mm×300 mm，每個空腔層的石膏壁厚度為25.7 mm，空氣層厚度為20 mm。如圖4所示。

新型磷石膏模盒的制作是使用一套組合的自制鋼模，包括模具1和模具2。模具1是內(nèi)尺寸為600 mm×600 mm×46 mm的不銹鋼盤，鋼盤中間一分為二，并在兩個半盤的接口處焊接可由螺栓連接的鋼片，如圖5（a）所示。

模具2是外尺寸520 mm×520 mm×20 mm的不銹鋼板，其角部焊接有4個角掛件，使其可以扣在模具1上，如圖5（b）所示。

本文磷石膏模盒采用貴州開萊綠色建筑材料有限公司生產(chǎn)的建筑石膏粉自制，建筑石膏粉主要成分為半水硫酸鈣。本文磷石膏模盒原材料及拌制方法與現(xiàn)有常用磷石膏空腔體基本相同，原材料質(zhì)量符合文獻(xiàn)[10]的要求。

制作過程包括如下3個步驟：

1）將模具1拼接好，其內(nèi)均勻涂抹脫模劑，然后在模具上平整地鋪上塑料薄膜，再次涂抹脫模劑;

2）將水灰比為1∶ 1.5的磷石膏漿體倒入模具1，隨即在其上扣上模具2，用標(biāo)準(zhǔn)砝碼按壓模具的4個角，并將多余漿體用刮板刮下并抹平，如圖6所示;

3）待磷石膏凝固后開始脫模，成品如圖7所示。

3 新型模盒保溫隔熱性能的試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

1）JTRG-I型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能檢測裝置。

此設(shè)備主要由熱箱、冷箱和試件架3部分組成，如圖8所示。

檢測裝置的冷箱和熱箱分別設(shè)置在檢測裝置左右側(cè)，其熱量傳遞方向?yàn)樗椒较颍m合墻體等水平傳熱的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)傳熱性能測試;而磷石膏空腔模無梁樓蓋作為建筑樓蓋，其熱量傳遞方向?yàn)樨Q直方向，與原設(shè)備熱流設(shè)置方向垂直。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備條件，采用絕熱材料對箱體空間進(jìn)行適當(dāng)分隔，最大程度限制水平方向熱流。為適應(yīng)樓蓋模盒豎向傳熱試驗(yàn)的要求，對設(shè)備進(jìn)行改裝調(diào)整，焊接四肢不銹鋼架，然后將磷石膏空腔模盒水平堆疊放置在四肢鋼架上，并在新型磷石膏空腔模盒水平方向四周做封閉保溫處理，如圖9所示。使用此方法近似模擬新型磷石膏空腔模盒的穩(wěn)態(tài)傳熱過程。

2）JTNT-A/C多通道溫度熱流測試儀。

此設(shè)備主要由主機(jī)、熱流傳感器和溫度傳感器3部分組成。測試的試驗(yàn)基本數(shù)據(jù)為上表面溫度θLj、下表面溫度θEj和熱流密度qj，熱阻根據(jù)算數(shù)平均法[11-12]采用下式計(jì)算：

R0=∑nj=1（θLj-θEj）∑nj=1qj（3）

3.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為新型磷石膏空腔模盒、聚氨酯泡沫填縫劑、XPS保溫板和凡士林等。

3.3 試驗(yàn)方法、步驟

1）將制作好的模盒底座放置在試件架中心位置，然后將養(yǎng)護(hù)好的7塊新型磷石膏空腔模盒整齊地堆疊放置在不銹鋼架上。

2）將涂有凡士林的熱流傳感器和溫度傳感器分別貼在磷石膏模盒高溫壁面的中心位置以及中心位置距邊長的1/3處和2/3處，在低溫壁面對應(yīng)位置貼涂有凡士林的溫度傳感器，并將傳感器數(shù)據(jù)接頭與冷熱相中對應(yīng)插孔連接，如圖10所示。

3）使用聚氨酯泡沫填縫劑將對疊整齊的磷石膏空腔模盒四周做保溫密封處理。并通過XPS保溫板對設(shè)備內(nèi)部空間進(jìn)行調(diào)整。

4）將冷熱箱和試件架密封，并將溫度、熱流接口通過導(dǎo)線與JTNT-A/C多通道溫度熱流測試儀相應(yīng)接口連接。

5）打開設(shè)備開關(guān)并設(shè)置冷箱和熱箱溫度，打開壓縮機(jī)自動調(diào)節(jié)開關(guān)，防止熱箱或冷箱的壓縮機(jī)運(yùn)行過熱導(dǎo)致試驗(yàn)環(huán)境發(fā)生改變，將設(shè)備調(diào)節(jié)至自動狀態(tài)，確保兩臺風(fēng)機(jī)的壓縮機(jī)交替工作，維持試驗(yàn)的熱環(huán)境狀態(tài)。

6）打開多通道溫度熱流測試儀開關(guān)，將數(shù)據(jù)采集時間間隔調(diào)至5 min一次，然后將設(shè)備調(diào)節(jié)至數(shù)據(jù)采集界面，觀察溫度、熱流采集情況，確保儀器正常。

7）測試時間持續(xù)36 h以上，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過 JTSOFT-TH V3.5 軟件進(jìn)行分析計(jì)算。

8）關(guān)閉設(shè)備，記錄數(shù)據(jù)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用與文獻(xiàn)[8]同樣的溫度設(shè)置。在保溫條件下，上表面溫度設(shè)置為-5 ℃，下表面溫度設(shè)置為32 ℃。根據(jù)《居住建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》[12]，在計(jì)算傳熱系數(shù)時，要將模盒熱阻加上模盒內(nèi)外表面換熱熱阻進(jìn)行計(jì)算。在保溫條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面換熱熱阻取0.15 （m2·K）/W，在隔熱條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面換熱熱阻取0.16 （m2·K）/W。

保溫條件下，測得新型磷石膏模盒的熱阻平均值為1.521 （m2·K）/W，考慮模盒外表面換熱熱阻后的總熱阻平均值為1.671 （m2·K）/W，則傳熱系數(shù)平均值為0.598 W/（m2·K），結(jié)果見表1。

在隔熱條件下，上表面溫度設(shè)置32 ℃，下表面溫度設(shè)置為-5 ℃，測得新型磷石膏模盒的熱阻平均值為1.606 （m2·K）/W，考慮模盒表面換熱熱阻后的總熱阻平均值1.766 （m2·K）/W，傳熱系數(shù)平均值為0.566 W/（m2·K），結(jié)果見表2。

文獻(xiàn)[8]中給出了現(xiàn)有常用300 mm×300 mm×600 mm磷石膏模盒冷、熱壁面溫度分別設(shè)置為-5 ℃和32 ℃，保溫和隔熱條件下的試驗(yàn)結(jié)果。其中保溫條件下的熱阻平均值為0.587 （m2·K）/W，

考慮模盒表面換熱熱阻后的總熱阻平均值為0.737 （m2·K）/W，傳熱系數(shù)平均值為1.357 W/（m2·K）;隔熱條件下的熱阻平均值為0.647（m2·K）/W，考慮模盒表面換熱熱阻后的總熱阻平均值為0.807 （m2·K）/W，傳熱系數(shù)平均值為1.239 W/（m2·K）。

相比于現(xiàn)有常用磷石膏模盒，在相同工況下的保溫測試結(jié)果顯示：新型磷石膏復(fù)合空腔層模盒的熱阻比現(xiàn)有常用模盒提高了1.59倍，傳熱系數(shù)比現(xiàn)有常用模盒減小了56%;在相同工況下的隔熱測試結(jié)果表明，新型磷石膏復(fù)合空腔層模盒的熱阻比現(xiàn)有常用模盒提高了1.48倍，傳熱系數(shù)比現(xiàn)有常用模盒減小了54%，保溫隔熱性能得到了極大的優(yōu)化。

4 結(jié)論

1）在磷石膏空腔模無梁樓蓋中，現(xiàn)有的常用模盒由于空氣層厚度較大，在保溫和隔熱的工況下會形成強(qiáng)烈的對流換熱，保溫隔熱性能不夠理想。

2）本文提出的磷石膏復(fù)合空腔層模盒，通過隔斷形成較小厚度的多個空氣層， 使得磷石膏空腔內(nèi)難以形成自然對流， 減小了現(xiàn)有常用磷石膏空腔模盒內(nèi)存在的對流換熱強(qiáng)度，提高了磷石膏空腔模盒的保溫隔熱性能。

3）通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，本文提出的磷石膏復(fù)合空腔層模盒在保溫和隔熱條件下的傳熱系數(shù)，在相同工況下，均比現(xiàn)有常用的同規(guī)格磷石膏模盒減小了50%以上，極大地優(yōu)化了磷石膏空腔模盒的保溫隔熱性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]ZUKOWSKI M， HAESE G. Experimental and numerical investigation of a hollow brick filled with insulation[J]. Energy Buildings， 2010， 42（9）： 1402-1408.

[2] 孟慶林， 蔡寧， 陳啟高. 封閉空氣層熱阻的理論解[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版） ，" 1997， 25（4）： 119-122.

[3] MORALES M P， JUREZ M C， MUNOZ P， et al." Study of the geometry of a voided clay brick using non-rectangular perforations to optimise its thermal properties[J]. Energy Build， 2011（43）： 2494-2498.

[4] 任澤霈， 張立寧， 賈力. 封閉空間中自然對流與導(dǎo)熱、輻射的復(fù)合換熱[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)， 1988， 9（3）： 245-250.

[5] 戰(zhàn)乃巖， 楊茉， 徐沛巍. 封閉腔導(dǎo)熱輻射與自然對流耦合換熱的數(shù)值研究[J]. 中國科學(xué)技術(shù)科學(xué)， 2010， 40（9）： 1052-1060.

[6] JAN KOC， JIRMADERA， MILOS JERMAN， et al.Computational assessment of thermal performance of contemporary ceramic blocks with complex internal geometry in building envelopes[J]. Energy Build， 2015 （99）： 61-66.

[7] 李少杰， 陳波， 黃振霖， 等. 基于保溫性能的磷石膏空腔樓蓋內(nèi)空氣層研究[J]. 貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（ 自然科學(xué)版）， 2018（4）： 96-99.

[8] 劉長江， 王家輝， 宋博輝， 等. 磷石膏空腔體傳熱性能試驗(yàn)與分析[J]. 建筑科學(xué)， 2020（4）： 107-113.

[9] 宣衛(wèi)紅，黃冬輝，陳育志.新型混凝土空心樓蓋板保溫隔熱性能試驗(yàn)研究與有限元仿真分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2017， 33（4）： 185-192.

[10]中華人民共和國工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn). 磷石膏建筑材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范（DBJ52T 093—2019）[S]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2019.

[11]張艷， 冉茂宇. 利用“實(shí)時標(biāo)定”檢測方法測圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)[C]//全國建筑環(huán)境與建筑節(jié)能學(xué)術(shù)會議論文集. 成都： 中國建筑學(xué)會建筑物理分會， 2007： 267-271.

[12]中國建筑科學(xué)研究院. JGJ/T 132—2009居住建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2010： 16.

（責(zé)任編輯：曾 晶）

Study on Heat Insulation Performance of a New Type

Phosphogypsum Cavity Mold Box for Beamless Floor

SONG Bohui1， HUANG Zhenghua*2， WANG Jiahui1

（1.School of Architecture and Urban Planning， Guizhou University， Guiyang 550025， China; 2.School of Civil Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025，China）

Abstract：

As a new type of building floor structure， phosphogypsum cavity model beamless floor has both architectural maintenance and structural functions. As there are many closed cavities in the floor， the air in the closed cavity can reduce the overall dead weight of the floor and reduce the heat transmission without affecting the normal use of the building structure， which has better thermal insulation performance than the traditional cast-in-place concrete solid floor. Through the analysis and calculation and fluent simulation， it is found that when the thickness of air layer in the closed cavity is less than or equal to 20 mm， there is no nearly convective heat transfer. Based on this， a new type of phosphogypsum composite cavity layer mold box for beamless floor is proposed. Through steady-state heat transfer test， the total thermal resistance and heat transfer coefficient of the new type of phosphogypsum mold box with a height of 300 mm were measured， and the test data of the new type of phosphogypsum mold box were compared with those of the existing phosphogypsum mold boxes with the same specifications under the same working conditions. The results show that the thermal insulation performance of the new mold box with multiple air layers in series is significantly better than that of the traditional single cavity mold box under the same working conditions.

Key words：

phosphogypsum; cavity mold box; thermal insulation performance; thickness of air layer

收稿日期：2020-12-30

基金項(xiàng)目：貴州省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（黔科合LH字[2017]7257號，黔科合基礎(chǔ)[2018]1036）;貴州省基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（黔科合基礎(chǔ)[2020]1Y417）;貴州大學(xué)2017年度學(xué)術(shù)新苗培養(yǎng)及創(chuàng)新探索資助專項(xiàng)（黔科合平臺人才[2017]5788）

作者簡介：宋博輝（1993—），男，在讀碩士，研究方向：建筑技術(shù)，E-mail：3044919529@qq.com.

通訊作者：黃政華，E-mail：zhhuang@gzu.edu.cn.