正交膠合竹墻體的保溫隔熱性能

盧宇杰 呂清芳 劉 燁

(1 東南大學(xué)土木工程學(xué)院 南京 211189；2 四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院深地科學(xué)與工程教育部重點實驗室 成都 610065)

原竹材料的幾何尺寸和力學(xué)性能變異性較大[1]，較難滿足現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的要求。以竹集成材和重組竹[2]為主的現(xiàn)代工程竹材，能夠較好地解決原竹在幾何尺寸和力學(xué)性能上的變異性，其中集成竹需以大直徑竹材為原材料，而重組竹[3]能夠以小徑雜竹為原料，進(jìn)一步降低了對竹材原材料的要求。針對竹集成材和重組竹的制備工藝[4-5]、力學(xué)性能[6-9]、燃燒性能[10]和材料改性[11]等方面，已開展有一定的研究，推動了我國竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

目前，對于竹墻體保溫性能的研究仍然十分有限[12-15]，且多集中于輕框架結(jié)構(gòu)中的竹復(fù)合墻體。為突破輕型竹結(jié)構(gòu)高度的限制，推動現(xiàn)代重型竹結(jié)構(gòu)的發(fā)展。在正交膠合木(CLT) 的啟發(fā)下，本文針對一種新型工程竹產(chǎn)品——正交膠合竹(Cross-Laminated Bamboo，簡稱CLB) 結(jié)構(gòu)使用的可行性開展了系列研究，基于已有試驗數(shù)據(jù)建立了CLB 墻體和EPS (聚苯乙烯) -CLB 復(fù)合墻體的有限元模型，通過對比穩(wěn)態(tài)傳熱過程，驗證了有限元模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究CLB 墻體和EPS-CLB 復(fù)合墻體的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，研究內(nèi)保溫、外保溫以及夾心保溫3 種不同形式的復(fù)合墻體在高溫、低溫作用下的墻體內(nèi)溫度場隨時間的變化規(guī)律。最后為了定性判斷CLB 墻體建筑整體能耗的影響，采用能耗模擬軟件DeST 建立了一棟竹結(jié)構(gòu)別墅的住宅模型，研究CLB 墻體對竹結(jié)構(gòu)建筑全年溫度負(fù)荷的影響，以評價采用CLB 墻體的竹結(jié)構(gòu)的節(jié)能性能。

1 基于CLB 穩(wěn)態(tài)試驗的有限元模型

正交膠合竹(CLB) 由順紋和橫紋板材正交交錯層積而成，層板為由原竹加工而成的重組竹單板，層板膠合后經(jīng)熱壓固化處理形成CLB 板。本研究利用有限元分析軟件Abaqus 建立了穩(wěn)態(tài)熱傳遞過程下的CLB 墻體和EPS-CLB 復(fù)合墻體的模型，通過有限元模擬數(shù)據(jù)和相關(guān)公式計算得到穩(wěn)態(tài)傳熱下CLB 墻體和EPS-CLB 復(fù)合墻體的傳熱系數(shù)，并與控溫箱—熱流計法試驗測得傳熱系數(shù)值相比較，以驗證該有限元模型的有效性。

1.1 試驗概況

控溫箱—熱流計法[16]是將熱流計法和熱箱法相結(jié)合的試驗方法，利用冷熱箱裝置建立穩(wěn)態(tài)傳熱環(huán)境，通過傳感器測量流經(jīng)墻體的熱流密度和兩側(cè)溫度，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱后，選取相鄰2 個周期(1 個周期為3 h) 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到墻體的熱阻和傳熱系數(shù)。通過試驗控溫箱—熱流計法對10 種不同構(gòu)造的CLB 墻體和EPS-CLB 復(fù)合墻體進(jìn)行試驗，墻體長寬均為980 mm，墻體厚度以及詳細(xì)構(gòu)造見表1。

表1 CLB 墻體厚度及其構(gòu)造Tab.1 Thickness and configuration of CLB walls

將熱箱溫度設(shè)置為26 ℃，冷箱溫度設(shè)置為-5 ℃，經(jīng)過24 h 后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)傳熱過程，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和《采暖居住建筑節(jié)能檢驗標(biāo)準(zhǔn)》[17]可計算單個測量周期的傳熱系數(shù)，如公式 (1) 和(2) 所示。當(dāng)2 個連續(xù)測量周期的傳熱系數(shù)誤差均小于1%時，則定義此數(shù)據(jù)為有效并將其平均值定義為傳熱系數(shù)試驗值，結(jié)果如表2 所示。

表2 墻體傳熱系數(shù)試驗計算結(jié)果Tab.2 Experimental results of walls' heat transfer coefficient

公式(1) 和(2) 中，R為墻體自身的熱阻，(m2·K)/W；ΔT為墻體內(nèi)、外表面溫差，℃；q為墻體內(nèi)表面的熱流密度，W/m2；θ1j、θ2j分別為墻體內(nèi)、外表面溫度的第j次測量值，℃；qj為熱流密度的第j次測量值，W/m2；K為墻體的傳熱系數(shù)，W/ (m2·K)；R′為墻體的總傳熱阻，(m2·K)/W；Ri為墻體內(nèi)表面換熱阻，(m2·K)/W，根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》[18]取0.11 (m2·K)/W；Re為墻體外表面換熱阻，(m2·K)/W，根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》取0.04 (m2·K)/W。

1.2 穩(wěn)態(tài)傳熱有限元模型的建立

通過Abaqus 軟件分別對1.1 中的B4 (30)E0、B3 (30) E1 和B3 (40) E1 建立模型。重組竹和EPS 泡沫板的導(dǎo)熱系數(shù)(λ) 通過試驗防護(hù)熱板法測得，其比熱容(C) 通過規(guī)范《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》和文獻(xiàn)[19]查得，膠的熱物理性能參數(shù)由廠家提供。墻體各組成材料的熱物理性能參數(shù)見表3。

表3 墻體中各組成材料的熱物理性能參數(shù)Tab.3 Thermal physical parameters of materials used in the wall

模型邊界條件定義為墻體所處環(huán)境溫度及墻體與空氣間的表面換熱系數(shù)。為了與試驗進(jìn)行對比驗證，將墻體一側(cè)的溫度設(shè)為26 ℃，用以模擬室內(nèi)環(huán)境溫度；墻體另一側(cè)的溫度設(shè)定為-5 ℃，以模擬室外環(huán)境溫度。墻體內(nèi)表面和外表面換熱系數(shù)分別取8.7 W/ (m2·K) 及23.0 W/ (m2·K)[18]?？紤]到墻體內(nèi)、外的表面輻射，取表面輻射率εr為0.9[20]。此外將絕對零度設(shè)為-273.15 ℃，斯忒藩—玻爾茲曼 (Stefan-Boltzmann) 常數(shù)取5.67×10-8W/ (m2·K)[20]。模型中網(wǎng)格單元采用DC2D4 四節(jié)點四邊形傳熱單元。

1.3 穩(wěn)態(tài)傳熱有限元模型的驗證

通過有限元模擬，計算得到達(dá)穩(wěn)態(tài)后CLB 墻體和EPS-CLB 墻體的熱流密度，圖1 為3 種墻體的熱流密度模擬值和通過控溫箱—熱流計法測得熱流密度試驗值對比圖?？梢钥闯觯M值與試驗值吻合較好。

圖1 熱流密度模擬值與試驗值對比Fig.1 Comparison of simulated and experimental values of heat flux density

根據(jù)有限元分析得到的結(jié)果和公式 (1)、(2)，可以計算出墻體傳熱系數(shù)的模擬值Ks，見表4。墻體傳熱系數(shù)的試驗值(表2) 與模擬值(表4) 對比可得(表5)，模擬值與試驗值的最大誤差為15.41%，平均誤差為5.67%，其誤差較小，證明了該有限元模型的有效性，說明該模型可以用于墻體的非穩(wěn)態(tài)傳熱分析中。

表4 墻體傳熱系數(shù)模擬值Tab.4 Simulated value of walls' heat transfer coefficient

表5 墻體傳熱系數(shù)試驗值與模擬值對比Tab.5 Comparison between experimental and simulatedvalues of wall heat transfer coefficient

2 非穩(wěn)態(tài)傳熱分析

將墻體受到的太陽輻射轉(zhuǎn)化為當(dāng)量溫度，使太陽輻射作用和室外干球溫度能夠相疊加用來分析墻體的非穩(wěn)態(tài)傳熱。建立在受到溫度周期性變化下的5 種不同墻體的有限元模型，分析CLB 墻體的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，并比較EPS 保溫板放置在墻體不同位置處對CLB 墻體傳熱性能的影響。

2.1 太陽輻射當(dāng)量溫度

基于氣象模型Medpha 中南京市典型氣象年數(shù)據(jù)，通過《建筑熱過程》[21]計算得到朝向為南的墻體所受的直射輻射和散射輻射后，再根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》附錄B.4 和《建筑熱過程》將直射輻射和散射輻射計算為當(dāng)量溫度后與干球溫度疊加成為綜合溫度，如圖2 所示。

圖2 夏季及冬季室外空氣綜合溫度Fig.2 Comprehensive temperature of outdoor air in summer and winter

從圖2 可得，在夏季中午，太陽輻射引起的等效氣溫增量高達(dá)10 ℃之多，在冬季中午，太陽輻射引起的等效氣溫增量也超過了5 ℃，足見太陽輻射的影響之大。因此，在研究建筑墻體溫度荷載作用時，必須考慮太陽輻射的作用。采用Origin 軟件使用正交距離回歸的迭代算法將作用于CLB 外墻的室外綜合溫度荷載擬合成正弦函數(shù)，夏季和冬季室外綜合溫度荷載的擬合結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

圖3 夏季室外綜合溫度擬合圖Fig.3 Fitting curve of outdoor comprehensive temperature in summer

圖4 冬季室外綜合溫度擬合圖Fig.4 Fitting curve of outdoor comprehensive temperature in winter

2 個擬合曲線的相關(guān)系數(shù)(R) 均在0.95 以上，逐時溫度數(shù)據(jù)和擬合函數(shù)對應(yīng)點的殘差平方均值小于1 ℃，離散數(shù)據(jù)和擬合函數(shù)的相關(guān)性較好，擬合的正弦函數(shù)準(zhǔn)確度較高。在下一步Abaqus 的非穩(wěn)態(tài)傳熱分析中，將此周期性分布函數(shù)施加為墻體的溫度荷載邊界條件。

2.2 非穩(wěn)態(tài)傳熱有限元模型的建立

為考慮實際墻體外側(cè)砂漿抹面的影響，在墻體外側(cè)添加10 mm 厚的砂漿層，圖5 是5 種墻體的構(gòu)造剖面圖。每種墻體總厚度均為160 mm(包含10 mm 砂漿層)，且長、寬均為980 mm，模型參照1.1 中的穩(wěn)態(tài)傳熱模型建立。表6 和表7 分別為部分組成材料的熱物理參數(shù)[18]以及各墻體的詳細(xì)構(gòu)造，其余材料的熱物理參數(shù)見表3。

圖5 5 種墻體模型的構(gòu)造剖面圖Fig.5 Structural profiles of five kinds of walls models

表6 墻體各組成材料的熱物理參數(shù)Tab.6 Thermal physical parameters of materials used in the wall

表7 5 種墻體的詳細(xì)構(gòu)造Tab.7 Detailed configurations of five kinds of walls

2.3 非穩(wěn)態(tài)傳熱模擬結(jié)果與分析

2.3.1 夏季各墻體傳熱變化

由于外保溫式、內(nèi)保溫式和夾心保溫式CLB復(fù)合墻體的EPS 泡沫板所在的位置不同，為分析不同保溫層所在位置不同帶來的影響，分別取距離外表面0 (外表面)、10、40、100、160 mm(內(nèi)表面) 處的表面進(jìn)行分析，圖6 為夏季高溫下墻體各位置溫度隨時間的變化。

從圖6 可以看出，在相同外部溫度荷載作用下，5 種墻體外表面溫度分布并不相同，其中外表面溫度峰值從高到低分別為:外保溫式CLB 復(fù)合墻體42.8 ℃、夾心保溫式CLB 復(fù)合墻體41.8 ℃、CLB 墻體41.7 ℃、內(nèi)保溫式CLB 復(fù)合墻體41.7 ℃、鋼筋混凝土墻體39.5 ℃。原因主要是采用外保溫方式的CLB 復(fù)合墻體由于保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)小、熱阻大，使熱量大部分被阻擋在砂漿層和保溫層的局部區(qū)域；而鋼筋混凝土材料相較CLB 材料熱阻更小，所以鋼筋混凝土墻體外表面溫度峰值最小，相對應(yīng)的是鋼混墻體抵御室外環(huán)境變化的能力最低。由圖6 (b) 可以看出，鋼混墻體的衰減延遲現(xiàn)象最不明顯，墻體內(nèi)表面溫度隨著外部溫度變化產(chǎn)生較大波動，波峰為37.8 ℃，波谷為29.5 ℃，差值達(dá)8.3 ℃，內(nèi)外表面波峰的溫差為1.7 ℃。而CLB 墻體內(nèi)表面溫度最高值為34.8 ℃，最低值為32.5 ℃，差值為2.3 ℃，內(nèi)、外表面溫度最高值的差值為6.9 ℃。顯然，CLB 墻體相較于鋼筋混凝土墻體，隔熱性能優(yōu)越，內(nèi)表面溫度變化幅度小，室內(nèi)熱環(huán)境也更為穩(wěn)定，可作為一種優(yōu)異的建筑墻體推廣應(yīng)用。

圖6 夏季不同墻體各位置處溫度時程曲線Fig.6 Temperature time-history curves of different wall positions in summer

比較圖6 (c)、(d) 和(e)，可以發(fā)現(xiàn)采用外保溫和夾心保溫方式的CLB 墻體在分析的最后1 個周期內(nèi)，內(nèi)表面溫度的波峰與波谷的差值僅為1 ℃左右，而采用內(nèi)保溫方式的CLB 墻體在分析的最后1 個周期內(nèi)，內(nèi)表面溫度的波峰與波谷的差值為3.8 ℃。3 種保溫方式的CLB 墻體在最后1 個周期內(nèi)的內(nèi)表面平均溫度相差小于1 ℃，其中外保溫式CLB 復(fù)合墻體的內(nèi)表面平均溫度最低，為33.24 ℃。因此，從保溫性能上來看，在夏季高溫作用下墻體采用外保溫方式最佳。

2.3.2 冬季各墻體傳熱變化

取16 ℃為初始墻體溫度，加載時間設(shè)為8 d。其中，圖7 為冬季低溫下墻體各位置溫度隨時間的變化。如圖7 所示，各種墻體在低溫環(huán)境下的內(nèi)部溫度場變化與高溫作用下類似，即各墻體表面溫度隨著室外溫度的變化而發(fā)生周期性的變化，且隨著時間增加逐漸趨于穩(wěn)定。CLB 墻體、鋼筋混凝土墻體、外保溫式墻體、夾心保溫式墻體、內(nèi)保溫式墻體的內(nèi)表面溫度變化幅度分別為2.5、8.5、0.8、1.3 和3.9 ℃。可以看出，CLB墻體比鋼筋混凝土材料墻體有著更為優(yōu)秀的保溫隔熱性能。同時，保溫層的合理添加可以顯著減少墻體與外部環(huán)境之間的熱交換，減少外部溫度變化對墻體內(nèi)表面溫度即室內(nèi)環(huán)境的影響，并有助于保持室內(nèi)熱條件的穩(wěn)定性和室內(nèi)環(huán)境的舒適性。

圖7 冬季不同墻體各位置處溫度時程曲線Fig.7 Temperature time-history curves of different wall positions in winter

然而，保溫層的不同位置會影響墻體結(jié)構(gòu)層的耐久性。比較40 mm 處各墻體的溫度分布可知，CLB 外保溫復(fù)合墻體表面溫度最高點與最低點溫差僅為3.2 ℃，溫度變化明顯小于其他墻體。CLB 夾層保溫復(fù)合墻體的溫度變化范圍最大，最高點與最低點溫差為12.5 ℃。在循環(huán)往復(fù)作用的情況下，對墻體持力層的長期耐久性，如抗低溫性和抗疲勞性是非常不利的因素。因此，在冬季低溫作用下墻體采用外保溫方式最佳。

3 建筑能耗分析

以南京市的一棟竹結(jié)構(gòu)建筑為原型，通過DeST 建立了采用CLB 墻體的竹結(jié)構(gòu)模型，以分析采用CLB 墻體的竹結(jié)構(gòu)建筑其能耗情況。

3.1 建筑模型

原型建筑為2 層:一層層高3.2 m，二層層高3.0 m，建筑朝向為南向，住宅建筑面積為184.24 m2，體積為667.1 m3，體形系數(shù)為0.49，外墻總面積為291.6 m2，外窗面積為36.72 m2，其中，東、西、南、北的窗墻比分別為0.06、0.06、0.19、0.25。

3.2 模型參數(shù)設(shè)置

該建筑各圍護(hù)結(jié)構(gòu)(外墻、內(nèi)墻、屋面、樓板、門窗) 的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、熱工參數(shù)及對應(yīng)的限值見表8。

表8 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造和傳熱系數(shù)及對應(yīng)的限值Tab.8 Heat transfer coefficient and corresponding limits of different enclosure structures

建筑模型房間布局如圖8 所示，住宅總?cè)藬?shù)設(shè)為5 人，對房間功能類型和人員、燈光、設(shè)備熱擾等參數(shù)的設(shè)置如表9 所示。

圖8 建筑模型房間布局Fig.8 Room layout of building model

表9 不同房間類型的參數(shù)設(shè)置Tab.9 Parameter settings for different room types

根據(jù)《江蘇省居住建筑熱環(huán)境與節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[22]，被動式建筑(無中央空調(diào)和中央供暖系統(tǒng)的節(jié)能建筑) 的室內(nèi)熱環(huán)境計算參數(shù)應(yīng)滿足以下要求:冬季室內(nèi)平均溫度不低于18 ℃，夏季室內(nèi)平均溫度不高于26 ℃，通風(fēng)換氣次數(shù)為1.0次/h。

因此，在建筑能耗模擬計算中，冬季室內(nèi)設(shè)計溫度取18 ℃，夏季室內(nèi)設(shè)計溫度取26 ℃，空調(diào)采用連續(xù)能耗模型。冬季采暖計算時間取當(dāng)年12 月1 日至次年2 月28 日，歷時90 d；夏季空調(diào)制冷計算時間為當(dāng)年6 月15 日至8 月31 日，共77 d。采暖空調(diào)設(shè)備為家用空氣源熱泵空調(diào)，空調(diào)額定能效比值取3.1。

3.3 能耗模擬結(jié)果與分析

利用DeST-h 計算了帶高山墻的竹結(jié)構(gòu)住宅的全年能耗，如表10 所示。竹結(jié)構(gòu)住宅的年累計熱負(fù)荷指標(biāo)為室內(nèi)平均計算溫度保持在18 ℃，單位建筑面積總采暖能耗為33.99 (kW·h)/m2，全年累計冷負(fù)荷指標(biāo)為室內(nèi)平均計算溫度保持在26 ℃，單位建筑面積總制冷能耗為31.54 (kW·h)/m2。由于空調(diào)器的額定能效比為3.1，因此計算出采暖期的耗電量為10.96 (kW·h)/m2，制冷期的耗電量為10.17 (kW·h)/m2。根據(jù)江蘇省《居住建筑熱環(huán)境與節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》DGJ32/J 71-2014，被動式建筑的室內(nèi)熱環(huán)境應(yīng)通過采暖和空調(diào)降溫措施滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，建筑用電量之和不得超過規(guī)定的采暖用電量和空調(diào)用電量指標(biāo)之和，如表11 所示。相比舊標(biāo)準(zhǔn)DGJ32/J 71-2008，新標(biāo)準(zhǔn)要求江蘇省所有住宅建筑的設(shè)計符合65%的節(jié)能率。南京是夏熱冬冷地區(qū)，因此用電量指標(biāo)之和應(yīng)為22.4 (kW·h)/m2。通過在竹結(jié)構(gòu)住宅外采用CLB 圍護(hù)墻，可使建筑達(dá)到江蘇省住宅建筑節(jié)能率65%的水平。

表10 CLB 結(jié)構(gòu)建筑模擬結(jié)果匯總Tab.10 Summary of simulation results of the CLB building

表11 被動建筑供暖耗熱量、空調(diào)耗冷量、耗電量指標(biāo)Tab.11 Heating consumption，cooling consumption and power consumption index of passive building

4 結(jié)論

本研究將太陽輻射強度轉(zhuǎn)換為空氣當(dāng)量溫度，將其與干球溫度相加得到室外綜合溫度。通過有限元模擬5 種墻體的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，探討了不同季節(jié)外保溫、夾層保溫和內(nèi)保溫3 種不同保溫形式的CLB 復(fù)合墻體內(nèi)部溫度場隨時間的變化規(guī)律，最后采用DeST 軟件對帶CLB 墻體的竹結(jié)構(gòu)住宅的能耗進(jìn)行了模擬分析。主要結(jié)論如下:

1) 夏季午時太陽輻射引起的等效溫升高達(dá)10℃，冬季中午太陽輻射引起的等效溫升也在5 ℃以上，說明日照強度的影響很大。因此，在研究建筑墻體的溫度效應(yīng)時，必須考慮太陽輻射的影響。

2) CLB 墻體保溫性能優(yōu)于鋼筋混凝土墻體，室內(nèi)熱環(huán)境更穩(wěn)定，可推廣應(yīng)用。

3) 冬季和夏季的保溫層最合理位置均為CLB墻外側(cè)。采用外保溫方法的墻體不僅能顯著減少從外部環(huán)境流入或流出的熱量，使墻體內(nèi)表面即室內(nèi)環(huán)境受室外溫度變化的影響最小化，也可有效降低外界溫度波動對墻體承重持力層的影響，更有利于建筑墻體的耐久性，從而延長建筑圍護(hù)墻體的使用壽命。

4) 采用CLB 墻體的竹結(jié)構(gòu)建筑可滿足江蘇省住宅建筑節(jié)能率(65%) 的要求。