基于溫控箱-熱流計(jì)法的竹結(jié)構(gòu)外墻傳熱阻實(shí)測(cè)與分析

基于溫控箱-熱流計(jì)法的竹結(jié)構(gòu)外墻傳熱阻實(shí)測(cè)與分析

近年來(lái)，中國(guó)修建了許多竹結(jié)構(gòu)建筑。竹結(jié)構(gòu)建筑是在現(xiàn)代建筑、結(jié)構(gòu)等學(xué)科理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型建筑結(jié)構(gòu)。竹結(jié)構(gòu)建筑墻體利用常見的竹材及其復(fù)合板為墻面板,并與其他建筑材料如石膏板、保溫隔聲棉、水泥砂漿等組成新型竹材墻體。竹材墻體的研究目前主要集中在竹材復(fù)合板性能以及竹材力學(xué)方面,有關(guān)熱工性能方面的研究集中在竹結(jié)構(gòu)建筑墻體對(duì)外界溫度的延遲和衰減特性,以及各種墻體熱工性能的實(shí)驗(yàn)室研究,對(duì)已建成的竹材外墻熱工性能的研究很少,而墻體熱工性能與施工方法、施工質(zhì)量、墻體的齡期等都有很大的關(guān)系。筆者對(duì)現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)抗震安居房外墻體的熱工性能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),探討竹材外墻熱工性能實(shí)測(cè)影響因素、竹材外墻的保溫節(jié)能性能,以期為竹材外墻設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用提供參考。1材料和方法1.1外墻外墻結(jié)合構(gòu)造實(shí)測(cè)的竹材外墻為位于南京林業(yè)大學(xué)內(nèi)的竹結(jié)構(gòu)抗震安居房外墻,其設(shè)計(jì)構(gòu)造根據(jù)外墻位置分為兩種:(1)東、西、北立面外墻為抹灰飾面外墻,由內(nèi)向外主要組成為石膏板層、保溫層(竹材龍骨支撐內(nèi)填巖棉)、竹材料墻板、水泥砂漿及涂料。在最外側(cè)采用水泥砂漿及外墻涂料飾面,既滿足建筑防水、節(jié)能要求,又滿足建筑防盜要求,具體尺寸及構(gòu)造見圖1a。(2)南立面外墻(帶陽(yáng)臺(tái))為掛板飾面外墻,由內(nèi)向外主要構(gòu)造為石膏板層、保溫層(竹材龍骨支撐內(nèi)填巖棉)、竹材料墻板、竹簾膠合板,具體尺寸構(gòu)造見圖1b。竹材外墻的保溫層中為了加強(qiáng)墻體的強(qiáng)度,設(shè)計(jì)了竹材龍骨支撐,竹材龍骨尺寸為35mm×50mm,間距650～700mm,方向有水平撐和斜向撐。竹材外墻主要組成材料的熱物理性能參數(shù)見表1。1.2測(cè)試測(cè)試1.2.1傳熱系數(shù)測(cè)定采用控溫箱-熱流計(jì)測(cè)試箱,其測(cè)量原理與熱流計(jì)法相同,利用控溫箱模擬采暖期室內(nèi)外溫差,用熱流計(jì)測(cè)量出熱流值,從而計(jì)算出被測(cè)對(duì)象的傳熱系數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備采用沈陽(yáng)合興WQCJ無(wú)線式墻體傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置,由室內(nèi)控溫箱、室外箱、數(shù)據(jù)采集儀組成。室內(nèi)控溫箱內(nèi)設(shè)加熱元件、熱流計(jì)、溫度傳感器,室外箱內(nèi)設(shè)溫度傳感器,溫度傳感器分辨率為0.0625℃,溫度測(cè)量不確定度小于0.5℃,數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存,間隔時(shí)間設(shè)定為15min。室內(nèi)外箱體安裝原理及箱體尺寸見圖2。1.2.2測(cè)點(diǎn)位置的確定安裝測(cè)試設(shè)備前,根據(jù)墻體設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)情況,選擇具有代表性的測(cè)試位置,測(cè)試位置選擇盡量避開日光直射和風(fēng)速大的外墻面。實(shí)測(cè)選擇在正立面帶陽(yáng)臺(tái)外墻和北立面外墻,為了便于安裝室外箱體,測(cè)試位置位于安居房二層樓的窗臺(tái)下。安裝檢測(cè)設(shè)備時(shí),將室內(nèi)箱緊貼在內(nèi)墻表面,室外箱緊貼外墻表面且位置與室內(nèi)箱對(duì)應(yīng)。為了對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),每種外墻選取2個(gè)位置,北立面抹灰飾面外墻測(cè)點(diǎn)記為1、2號(hào),正立面帶陽(yáng)臺(tái)的掛板飾面外墻測(cè)點(diǎn)記為3、4號(hào),對(duì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行測(cè)試。各測(cè)點(diǎn)中心熱流計(jì)對(duì)應(yīng)的竹材龍骨和巖棉的面積分配比見表2。1.2.3密度和傳熱阻現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主要參照《民用建筑節(jié)能工程現(xiàn)場(chǎng)熱工性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》(DGJ32/J23—2006)、《建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)及采暖供熱量檢測(cè)方法》(GB/T23483—2009)、《居住建筑節(jié)能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T132—2001)。竹材料外墻屬于輕型圍護(hù)結(jié)構(gòu)(單位面積比熱容9～20kJ/(m2·K)),其傳熱阻采用日落后1h至日出采集的數(shù)據(jù)按照算術(shù)平均法計(jì)算。當(dāng)經(jīng)過連續(xù)4個(gè)夜間測(cè)量之后,相鄰兩次測(cè)量的結(jié)果不大于5%時(shí)即可結(jié)束測(cè)量。測(cè)試時(shí),控溫箱溫度恒定,滿足墻體兩側(cè)溫差大于15℃。2竹墻的傳熱阻2.1室內(nèi)測(cè)溫箱溫度實(shí)測(cè)時(shí)間從2011年6月15日上午10:00開始,6月21日上午7:30結(jié)束。測(cè)試期間室外氣象溫度22～31℃,相對(duì)濕度60%～85%,室內(nèi)控溫箱溫度設(shè)定為45℃,保證墻體內(nèi)外溫差大于15℃。箱體1、2號(hào)各采集有效數(shù)據(jù)941個(gè),箱體3、4號(hào)各采集有效數(shù)據(jù)792個(gè),各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)傳熱阻相鄰兩次的誤差見表3。從表3可以看出,后4天中相鄰兩次的測(cè)量誤差小于5%,滿足結(jié)束測(cè)試的條件,因此選擇后4天晚間的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算竹材料外墻的傳熱阻。2.2密度對(duì)竹材外墻傳熱阻的影響竹結(jié)構(gòu)建筑外墻由多層材料組成,墻體的傳熱阻為:R0=Ri+∑i=1nδiλi+ReR0=Ri+∑i=1nδiλi+Re。(1)式中:R0為墻體傳熱阻,(m2·K)/W;δi為第i層材料的厚度,m,具體數(shù)值見表1;λi為第i層材料的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K),取值見表1;Ri為內(nèi)表面換熱阻,取0.11(m2·K)/W;Re為外表面換熱阻,取0.05(m2·K)/W?？諝忾g層厚度為25mm,熱阻取0.14(m2·K)/W。竹材墻體的保溫層為非均質(zhì)材料,由竹材龍骨和保溫棉組成,該層的平均導(dǎo)熱系數(shù)λˉλˉ及該層的平均熱阻計(jì)算公式如下:λˉ=λ龍F(tuán)龍+λ棉F棉F龍+F棉;(2)λˉ=λ龍F(tuán)龍+λ棉F棉F龍+F棉;(2)Rˉˉˉ=δλRˉ=δλ。(3)式中:λ龍、λ棉分別為竹材龍骨、巖棉的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);F龍、F棉分別為竹材龍骨、巖棉的面積,m2;面積比例見表2。根據(jù)式(1)至(3)計(jì)算出竹材外墻的傳熱阻理論值,并與傳熱阻實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。以計(jì)算值為基準(zhǔn),小于計(jì)算值為負(fù)偏差,反之為正偏差,偏差與計(jì)算值相比為相對(duì)誤差,具體結(jié)果見表4。從表4可以看出,理論值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差比較大,其中4號(hào)測(cè)點(diǎn)達(dá)到16.7%,實(shí)測(cè)值都大于計(jì)算值。2.3組材密度的影響現(xiàn)行的控溫箱-熱流計(jì)法測(cè)量原理是基于一維穩(wěn)定傳熱的理想狀態(tài),而竹材墻體由多層材料組成,組材密度小,空腔多,引起內(nèi)部傳熱的多方向性,而且各層材料間相互影響,綜合傳熱阻比較復(fù)雜,計(jì)算時(shí)忽略了防水透氣膜產(chǎn)生的熱阻,導(dǎo)致產(chǎn)生較大的正誤差。對(duì)于掛板飾面外墻,忽略了表面掛板之間相互搭接而形成的楔形空氣間層的熱阻,所以掛板飾面外墻較抹灰飾面外墻測(cè)量誤差大。3竹材外的冷熱性能3.1面外墻系統(tǒng)對(duì)照GB/T50361—2005《木骨架組合墻體技術(shù)規(guī)范》,抹灰飾面外墻屬于Ⅳ1級(jí)別,可應(yīng)用于夏熱冬冷、夏熱冬暖地區(qū),在4層及以上建筑中應(yīng)用可達(dá)到節(jié)能65%的標(biāo)準(zhǔn);掛板飾面外墻屬于Ⅰ1級(jí)別,可以應(yīng)用于夏熱冬冷、夏熱冬暖、寒冷地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū),并且達(dá)到節(jié)能65%的標(biāo)準(zhǔn)。3.2計(jì)算結(jié)果及分析參照式(1)及常用建筑材料熱物理性質(zhì),計(jì)算常用外墻外保溫系統(tǒng)傳熱阻,計(jì)算結(jié)果見表5。對(duì)照表4可以看出,抹灰飾面和掛板飾面外墻保溫性能均優(yōu)異于常見的外墻外保溫系統(tǒng),其中掛板飾面外墻傳熱阻是混凝土加擠塑聚苯乙烯泡沫保溫板(XPS板)復(fù)合墻體的2.5倍,保溫節(jié)能效果明顯。3.3單元結(jié)構(gòu)材料對(duì)竹材表面材料的評(píng)價(jià)3.3.1阻的主要部位竹材外墻中保溫層的熱阻占總傳熱阻(理論計(jì)算)的65%左右,因此保溫層是形成熱阻的主要部位,在復(fù)合墻體中起著重要的保溫作用。從同種結(jié)構(gòu)的外墻不同測(cè)點(diǎn)對(duì)比可以看出,竹材龍骨和巖棉的比例影響著保溫層熱阻的大小,竹材龍骨的傳熱系數(shù)是巖棉的3.5倍左右,降低龍骨所占比例,即減少龍骨產(chǎn)生的熱橋,可以大大提高墻體的保溫性能。3.3.2抹灰墻面外墻沒有設(shè)置空氣間層試驗(yàn)的兩種外墻,掛板飾面外墻結(jié)構(gòu)層中含有25mm厚的空氣間層,在理論計(jì)算中,空氣間層熱阻占整個(gè)傳熱阻的10%左右,而抹灰飾面外墻沒有設(shè)置空氣間層,傳熱阻較小。如果在抹灰飾面外墻中增加25mm厚的空氣間層,其傳熱阻可達(dá)到1.8(m2·K)/W左右,可以應(yīng)用在夏熱冬冷和寒冷地區(qū),在夏熱冬冷地區(qū)達(dá)到節(jié)能65%的標(biāo)準(zhǔn)。因此,提高竹結(jié)構(gòu)外墻的熱阻,可以采用增加封閉空氣間層的做法,這與提高普通圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱阻的措施一致。3.3.3層間距的對(duì)比竹材料墻面板產(chǎn)生的熱阻占總傳熱阻(理論計(jì)算)的7%左右,與保溫層相比小得多。竹材墻面板導(dǎo)熱系數(shù)是石膏板導(dǎo)熱系數(shù)的63%,在內(nèi)墻表面采用石膏板,雖然整個(gè)墻體的傳熱阻略有下降,但石膏制品在調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度、加工、美觀等方面性能優(yōu)異,是理想的竹材組合墻體墻面板。4抹灰墻面外墻保溫性能(1)利用控溫箱-熱流計(jì)法測(cè)試竹材墻體傳熱阻時(shí)誤差較大,實(shí)測(cè)值比理論計(jì)算值大,最大誤差略大于15%,初期節(jié)能設(shè)計(jì)可以參照理論計(jì)算值,但在后期建筑節(jié)能驗(yàn)收和評(píng)價(jià)時(shí),要對(duì)外墻傳熱阻進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。(2)實(shí)測(cè)抹灰飾面外墻平均傳熱阻為1.52(m2·K)/W,傳熱系數(shù)為0.66W/(m2·K);實(shí)測(cè)掛板飾面外墻平均傳熱阻為2.71(m2·K)/