輕鋼龍骨復(fù)合墻體傳熱性能試驗(yàn)研究

輕鋼龍骨復(fù)合墻體傳熱性能試驗(yàn)研究

輕鋼龍骨住宅系統(tǒng)是一個(gè)具有發(fā)展前景的新鋼結(jié)構(gòu)體系。該系統(tǒng)在北美、日本和其他發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用。它主要用于單層或2.3層的別墅建筑。在中國(guó)，這還處于起步階段。輕鋼骨骼復(fù)合墻體主要由輕鋼骨骼、內(nèi)外墻板和巖棉組成。通常，骨角兩側(cè)采用定向刨花板或木纖維板作為外墻板，內(nèi)部和外部墻的材料由自攻螺釘和立柱兩側(cè)的翼緣固定。內(nèi)墻和外墻之間形成的空腔中填充巖棉，以滿足復(fù)合墻的保溫性能。通過(guò)將聚苯乙烯板和其他絕熱材料結(jié)合起來(lái)，形成外部保溫系統(tǒng)，進(jìn)一步提高墻的保溫性能。輕鋼龍骨復(fù)合墻體由于鋼龍骨的存在而使局部熱量散失顯著增加,致使墻體室內(nèi)表面結(jié)露和墻體內(nèi)部冷凝,在鋼龍骨處形成嚴(yán)重的熱橋效應(yīng).文獻(xiàn)規(guī)定在1980年住宅耗能水平的基礎(chǔ)上再節(jié)能50%,對(duì)于哈爾濱地區(qū)而言,當(dāng)建筑體形系數(shù)>0.3時(shí),其墻體的傳熱系數(shù)應(yīng)控制在0.40W/(m2·K)以下,但分析表明,不做保溫處理的輕鋼龍骨外墻體系達(dá)不到以上要求,因而不能直接用于我國(guó)寒冷地區(qū).歐美寒冷地區(qū)國(guó)家,對(duì)輕鋼龍骨住宅體系進(jìn)行了系統(tǒng)研究.挪威的Engebretsen和Ramstad在1978年設(shè)計(jì)的建筑中首先應(yīng)用了腹板開(kāi)孔C形輕鋼龍骨,如圖1所示,實(shí)踐證明該做法可以明顯增長(zhǎng)熱量沿龍骨腹板傳遞的導(dǎo)熱路徑,顯著降低輕鋼龍骨復(fù)合墻體的局部熱橋效應(yīng).近年來(lái),國(guó)外學(xué)者對(duì)腹板開(kāi)孔輕鋼龍骨復(fù)合墻體進(jìn)行了系列理論研究.文獻(xiàn)介紹了AHSRAE(美國(guó)空調(diào)工程師學(xué)會(huì))的用以計(jì)算輕鋼龍骨墻體熱阻的方法——分區(qū)法,并且針對(duì)鋼龍骨的存在而形成的溫度異常影響區(qū)給出分區(qū)法的改進(jìn)方法.文獻(xiàn)針對(duì)輕鋼龍骨墻體建立起改變龍骨類型、保溫材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù),試驗(yàn)所得墻體熱阻與平行熱流法等3種計(jì)算方法所得熱阻進(jìn)行了系統(tǒng)比較.文獻(xiàn)采用標(biāo)定熱箱試驗(yàn)法,模擬分析了輕鋼龍骨墻體三維傳熱作用和二維傳熱、傳質(zhì)聯(lián)合作用.國(guó)內(nèi)引進(jìn)輕鋼龍骨住宅體系較晚,從2003年開(kāi)始,哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張素梅教授及其課題組陸續(xù)對(duì)開(kāi)孔輕鋼龍骨復(fù)合墻體的傳熱和力學(xué)性能進(jìn)行了系列理論研究.應(yīng)用哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件綜合能耗試驗(yàn)臺(tái),采用熱電偶測(cè)溫方法進(jìn)行了腹板開(kāi)孔、帶外保溫層腹板開(kāi)孔輕鋼龍骨復(fù)合墻體傳熱性能的試驗(yàn)研究,重點(diǎn)考察了墻體的平均傳熱系數(shù)和測(cè)點(diǎn)溫度,并與有限元建模分析所得墻體的平均傳熱系數(shù)和測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行了細(xì)致對(duì)比.1系統(tǒng)的組合及主要參數(shù)試驗(yàn)采用靜態(tài)熱箱模擬恒定的室內(nèi)、外溫度,進(jìn)行新型輕鋼龍骨復(fù)合墻體的穩(wěn)態(tài)傳熱模擬,并實(shí)測(cè)輕鋼龍骨復(fù)合墻體所設(shè)測(cè)點(diǎn)的溫度和熱流密度,進(jìn)而推算墻體的平均傳熱系數(shù),從而得到輕鋼龍骨復(fù)合墻體的傳熱性能規(guī)律.如圖2所示,試驗(yàn)臺(tái)由熱箱、冷箱、試件架、空氣循環(huán)及測(cè)量系統(tǒng)、溫度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)組成,可測(cè)試最大試件尺寸為:水平向×豎直向×厚度=2400mm×2400mm×400mm.該設(shè)備基于一維穩(wěn)定傳熱原理,利用熱箱模擬采暖建筑冬季室內(nèi)氣候條件,冷箱模擬冬季室外氣候條件.該設(shè)備可提供的恒定環(huán)境溫度范圍為-30～35℃,控制精度為0.1℃.熱箱空氣溫度設(shè)定范圍為18～20℃,溫度波動(dòng)幅度≤0.1K(K為墻體估算傳熱系數(shù));熱箱空氣為自然對(duì)流,其相對(duì)濕度控制在30%左右.冷箱空氣溫度設(shè)定范圍為-19～-21℃,溫度波動(dòng)幅度≤0.1K;冷箱內(nèi)平均風(fēng)速設(shè)定為3.0m/s.根據(jù)設(shè)備的測(cè)溫范圍,并兼顧文獻(xiàn),確定試驗(yàn)設(shè)計(jì)的室內(nèi)、外溫度為18℃、-20℃.2試驗(yàn)設(shè)施的設(shè)計(jì)和測(cè)量點(diǎn)的配置2.1合墻體穩(wěn)態(tài)傳熱試驗(yàn)如圖3所示,方案一:腹板開(kāi)孔輕鋼龍骨復(fù)合墻體穩(wěn)態(tài)傳熱試驗(yàn);方案二:帶苯板外保溫層腹板開(kāi)孔輕鋼龍骨復(fù)合墻體穩(wěn)態(tài)傳熱試驗(yàn),方案二在方案一墻體室外側(cè)石膏板上貼苯板.2.2實(shí)驗(yàn)的整體設(shè)計(jì)1總體規(guī)劃如圖4所示,取一個(gè)墻體單元的寬度(即兩龍骨間距寬度)為600mm,試件總寬度為1500mm,墻體高度為1200mm.2輕鋼龍骨腹板及卷邊厚度如圖5所示,依據(jù)文獻(xiàn)的規(guī)定,兼顧輕鋼龍骨承重和自承重外墻常用墻體厚度范圍,結(jié)合滿足哈爾濱地區(qū)建筑節(jié)能傳熱系數(shù)的限值要求,確定本次試驗(yàn)輕鋼龍骨腹板高度為205mm,龍骨的翼緣寬度、卷邊寬度和截面厚度分別為40,15,1.5mm.3孔長(zhǎng)度測(cè)定依據(jù)國(guó)外工程經(jīng)驗(yàn),兼顧節(jié)能要求,選取開(kāi)孔參數(shù)為:孔長(zhǎng)×孔寬×孔間距長(zhǎng)×孔間距寬=70mm×3mm×20mm×9mm,并沿龍骨通長(zhǎng)開(kāi)設(shè),實(shí)測(cè)孔洞尺寸如圖5所示.4石膏板規(guī)格通常為3.0m×1.2m,厚度取工程中較常用的12mm厚紙面石膏板.52聚苯乙烯板市場(chǎng)供應(yīng)的規(guī)格通常厚度為10～80mm,以10mm為模數(shù),結(jié)合傳熱性能理論分析采用20mm厚的苯板.2.3試驗(yàn)研究點(diǎn)的配置1傳熱系數(shù)k值k值的計(jì)算保證試件一維穩(wěn)定傳熱條件下,測(cè)量電暖氣發(fā)熱量,減去通過(guò)熱箱外壁和試件框的熱損失,除以墻體面積與兩側(cè)空氣溫差的乘積,即可得出墻體的傳熱系數(shù)K值.2骨肉漿測(cè)點(diǎn)的布置溫度由銅-康銅熱電偶測(cè)定.如圖6所示,測(cè)點(diǎn)主要布置在墻體表面、輕鋼龍骨表面及墻體中不同材料的接觸處(如石膏板與龍骨交界面).測(cè)點(diǎn)布置原則:為便于測(cè)試和比較,所有測(cè)點(diǎn)均布置于墻體高1/2處,并沿墻體厚度龍骨腹板傳熱方向集中布置測(cè)點(diǎn),同時(shí)兼顧室內(nèi)、外龍骨處石膏板布置測(cè)點(diǎn).龍骨是墻體熱量散失主要通道,溫度變化尤為劇烈,所以龍骨腹板的溫度分布是本次試驗(yàn)測(cè)試的重點(diǎn),測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示.3無(wú)砂帶墻體試驗(yàn).1)標(biāo)定熱電偶.本次試驗(yàn)采用T型熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量,共實(shí)測(cè)了21個(gè)熱電偶的溫度-電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系,經(jīng)標(biāo)定,本次試驗(yàn)熱電偶的溫度與平均電壓之間的關(guān)系式為T=26.84U?0.294.Τ=26.84U-0.294.式中:T為測(cè)點(diǎn)溫度,℃;U為平均電壓,mV.2)粘貼熱電偶,并在室內(nèi)側(cè)石膏板內(nèi)側(cè)粘貼聚乙烯薄膜,作為復(fù)合墻體的防潮層.3)固定輕鋼龍骨復(fù)合墻體.加工時(shí)特別注意了石膏板與龍骨接觸面的緊密接觸.石膏板內(nèi)側(cè)熱電偶固定.鋪裝巖棉至墻體空腔內(nèi).4)將墻體安裝就位.將墻體固定至試驗(yàn)臺(tái)試架上,墻體四周與試架的空隙用巖棉填塞密實(shí),然后將墻體四周縫隙裱糊整齊.5)熱電偶與測(cè)量?jī)x器連接.將熱電偶的銅線端與數(shù)碼輸出電壓顯示儀的正極相連,將康銅線端集束放入冰、水混合物零點(diǎn)暖瓶,完成接線.6)運(yùn)行試驗(yàn)臺(tái)至穩(wěn)定.啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),設(shè)定冷、熱箱和環(huán)境空氣溫度;當(dāng)冷、熱箱和環(huán)境空氣溫度達(dá)到設(shè)定值后,監(jiān)控各測(cè)點(diǎn)溫度,使冷、熱箱和環(huán)境空氣溫度維持穩(wěn)定.大約4h后,啟動(dòng)電壓顯示儀,進(jìn)行測(cè)點(diǎn)電壓值的逐時(shí)監(jiān)測(cè)輸出.如果逐時(shí)測(cè)量所得熱箱和冷箱的空氣平均溫度變化的絕對(duì)值分別不大于0.1℃和0.3℃,溫差逐時(shí)變化絕對(duì)值分別不大于0.1℃和0.3℃,且上述溫度和溫差變化不是單向變化,則表示傳熱過(guò)程已經(jīng)穩(wěn)定.7)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù).傳熱過(guò)程穩(wěn)定后,即可按時(shí)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)溫度(電壓)的輸出,本次試驗(yàn)采取每隔30min采集一次測(cè)點(diǎn)電壓的方法,每個(gè)試驗(yàn)方案各采集6次試驗(yàn)數(shù)據(jù).4試驗(yàn)結(jié)果的分析4.1骨、石膏板測(cè)點(diǎn)溫度分布規(guī)律試驗(yàn)方案一、二采集到的測(cè)點(diǎn)溫度見(jiàn)表1.由于輕鋼龍骨為整個(gè)墻體的熱橋,并且熱量集中沿龍骨腹板傳遞,從而可知墻體從熱箱吸收熱量,傳入室內(nèi)側(cè)石膏板,石膏板的熱量向龍骨腹板匯聚,繞腹板孔洞傳遞向腹板外側(cè),達(dá)到腹板外側(cè)后熱量流入室外側(cè)石膏板,由龍骨、室外側(cè)石膏板接觸面向板上擴(kuò)散.由以上過(guò)程可知,溫度的分布規(guī)律應(yīng)為室內(nèi)側(cè)石膏板遠(yuǎn)離龍骨部位溫度最高,靠近龍骨部位溫度降低,室內(nèi)側(cè)龍骨翼緣點(diǎn)、內(nèi)側(cè)腹板至外側(cè)腹板、外側(cè)翼緣點(diǎn)溫度依次降低,室外側(cè)石膏板近龍骨部位再降低,而室外側(cè)石膏板遠(yuǎn)離龍骨部位溫度最低.圖8給出兩方案龍骨、石膏板測(cè)點(diǎn)溫度比較曲線.總體來(lái)看,兩試驗(yàn)方案測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)相同,但由于方案二苯板保溫作用而使相應(yīng)各測(cè)點(diǎn)溫度比方案一有不同程度升高:其中對(duì)室內(nèi)側(cè)石膏板測(cè)點(diǎn)溫度影響幅度最小,如圖8(c)所示,兩方案13～17號(hào)測(cè)點(diǎn)的溫度均相差1℃左右;對(duì)室外側(cè)石膏板測(cè)點(diǎn)溫度影響幅度較大,而且離龍骨腹板熱橋越近的測(cè)點(diǎn)溫差越大,如圖8(b)所示,10號(hào)測(cè)點(diǎn)位于龍骨腹板與室外側(cè)石膏板交界處,溫差達(dá)到所有測(cè)點(diǎn)中最大值,為10.4℃,而9、11和8、12號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度依次降低;龍骨測(cè)點(diǎn)也表現(xiàn)為離室外側(cè)越近溫差越大,如圖8(a)所示.以上分析說(shuō)明,苯板外保溫層對(duì)提高復(fù)合墻體的保溫性能效果明顯.4.2試驗(yàn)中的有限模擬4.2.1棉、苯板巖棉、石膏板的熱流密度采用ANSYS7.0有限元程序模擬了兩試驗(yàn)方案輕鋼龍骨復(fù)合墻體的傳熱過(guò)程,龍骨單元采用shell57熱殼單元,石膏板、巖棉、苯板采用solid70熱實(shí)體單元.根據(jù)文獻(xiàn),室內(nèi)、外的對(duì)流系數(shù)分別取8.7W/(m2·K)、23.0W/(m2·K).龍骨的導(dǎo)熱系數(shù)取58.2W/(m·K),巖棉、石膏板近似一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,為求有限元模擬更接近真實(shí),二者的導(dǎo)熱系數(shù)取為試驗(yàn)實(shí)測(cè)所得熱流密度、按傳熱學(xué)原理反推得到的數(shù)值,分別為石膏板0.17W/(m·K),巖棉0.03W/(m·K).4.2.2邊境條件模型采用第三類邊界條件,即在有限元模型中施加室內(nèi)、外環(huán)境溫度和室內(nèi)、外的對(duì)流系數(shù);在單元兩端采用絕熱邊界.4.2.3腹板開(kāi)孔輕鋼內(nèi)部墻體溫度變化圖9給出兩個(gè)試驗(yàn)方案的溫度分布云圖,每方案的上圖為室內(nèi)側(cè)石膏板溫度場(chǎng),下圖為墻體剖面溫度場(chǎng).如9(a)下圖所示,總體而言,龍骨所在范圍內(nèi)巖棉溫度場(chǎng)相對(duì)于其他位置發(fā)生了明顯變化,即室內(nèi)側(cè)溫度明顯降低,而室外側(cè)溫度明顯升高,表明龍骨的熱橋效應(yīng)顯著,熱量沿龍骨傳遞明顯;龍骨兩側(cè)各一倍翼緣寬度區(qū)域內(nèi)巖棉溫度場(chǎng)也受龍骨影響而呈非均勻變化,此區(qū)域稱為“龍骨影響區(qū)”;如9(a)上圖所示,龍骨腹板開(kāi)孔會(huì)使熱橋效應(yīng)明顯減弱,龍骨中部腹板開(kāi)孔處的墻體內(nèi)表面高溫區(qū)域明顯擴(kuò)大.龍骨影響區(qū)外的巖棉溫度場(chǎng)沿墻體厚度近似呈均勻變化,室內(nèi)側(cè)溫度約為17.7℃,室外側(cè)溫度為-18.7℃.如圖9(b)所示,加20mm厚苯板后室內(nèi)側(cè)石膏板和龍骨腹板高溫區(qū)分布面積進(jìn)一步擴(kuò)大,龍骨影響區(qū)內(nèi)墻體內(nèi)表面的溫度無(wú)明顯降低,表明加苯板外保溫后龍骨部位墻體的熱橋現(xiàn)象得到進(jìn)一步改善.對(duì)比試驗(yàn)、有限元的墻體傳熱系數(shù),如表2所示.有限元墻體傳熱系數(shù)由墻體內(nèi)、外表面熱流密度的平均值與內(nèi)、外表面溫度平均值的溫差相除近似計(jì)算.兩種方案試驗(yàn)、有限元所得墻體傳熱系數(shù)分別相差1.9%、0.8%,吻合良好.從對(duì)腹板開(kāi)孔輕鋼龍骨復(fù)合墻體傳熱系數(shù)的分析可知,不論采用哪種方案,都會(huì)滿足哈爾濱地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能50%的傳熱系數(shù)限值要求.對(duì)比試驗(yàn)、有限元的墻體測(cè)點(diǎn)溫度,如表3所示.可見(jiàn),二者在內(nèi)、外側(cè)石膏板、苯板上測(cè)點(diǎn)溫度吻合較好,溫差均在1.0℃以內(nèi).而位于龍骨上的測(cè)點(diǎn)溫度相差較大,方案一最大溫差達(dá)到10.5%、方案二最大溫差為9.5%,均發(fā)生在室內(nèi)側(cè)龍骨翼緣、卷邊交線測(cè)點(diǎn)1上.圖10為試驗(yàn)、有限元測(cè)點(diǎn)溫度的對(duì)比圖.方案一的試驗(yàn)、有限元龍骨測(cè)點(diǎn)的溫度相差遠(yuǎn)大于兩側(cè)石膏板,且離翼緣越近的測(cè)點(diǎn)溫差越大.方案二的試驗(yàn)、有限元龍骨測(cè)點(diǎn)的溫度相差遠(yuǎn)大于兩側(cè)石膏板,且室內(nèi)側(cè)石膏板溫差明顯高于室外側(cè)石膏板.由圖10可知,二者龍骨測(cè)點(diǎn)溫度局部差異較大,而其余位置測(cè)點(diǎn)溫度吻合較好;試驗(yàn)、有限元所得墻體的傳熱系數(shù)吻合程度較好.5輕鋼內(nèi)部無(wú)砂混凝土墻體的傳熱性能1)腹板開(kāi)孔輕鋼龍骨復(fù)合墻體試驗(yàn)傳熱系數(shù)為0.315W/(m2·K),加苯板外保溫20mm厚的腹板開(kāi)孔輕鋼龍骨復(fù)合墻體試驗(yàn)傳熱系數(shù)為0.250W/(m2·K).2)兩方案的試驗(yàn)、有限元所得的墻體傳熱系數(shù)吻合良好;測(cè)點(diǎn)溫度總體吻合較好.利用有限元程序進(jìn)行輕鋼龍骨墻體的傳熱性能分析簡(jiǎn)便、可靠.3)基于試驗(yàn)結(jié)果