輕型木結(jié)構(gòu)墻體材料傳熱數(shù)值分析

輕型木結(jié)構(gòu)墻體材料傳熱數(shù)值分析

隨著世界低碳經(jīng)濟時代的到來，全面推進建筑節(jié)水已成為科技活動的重點。結(jié)構(gòu)建筑注重可再生資源的利用、能耗的控制、生態(tài)環(huán)境的保護和居民的健康舒適生活環(huán)境，適應了現(xiàn)代建筑的發(fā)展理念。目前，在國家政策、科研機構(gòu)和行業(yè)協(xié)會的積極支持下，低碳節(jié)能和結(jié)構(gòu)木材建筑材料的技術(shù)和性能的研究越來越受到重視，結(jié)構(gòu)木材建筑材料的數(shù)量也在增加。研究木結(jié)構(gòu)復合墻體的穩(wěn)態(tài)傳熱特性,有利于揭示節(jié)能保溫機理,可為新型墻體材料和結(jié)構(gòu)體系的開發(fā)研究奠定基礎(chǔ).本文采用國產(chǎn)杉木規(guī)格材、落葉松結(jié)構(gòu)膠合板等材料,進行了輕型木結(jié)構(gòu)墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計;選用不同類型的覆面板和保溫材料及其組合方式,制備了12種新型試驗墻體;通過傳熱數(shù)值計算得到了墻體結(jié)構(gòu)中各層材料的溫度,并與其熱箱試驗檢測溫度進行了對比;探討了墻體的溫度分布規(guī)律及各材料對傳熱的影響,以期為今后預制墻體的節(jié)能保溫設(shè)計提供參考依據(jù).1試驗材料和方法1.1帶皮的鋼板bc選用截面尺寸分別為45mm×90mm,45mm×140mm的杉木規(guī)格材(CF)和厚度為11mm的落葉松結(jié)構(gòu)膠合板(BB);采用12mm厚的防潮型石膏板(GB)作為內(nèi)墻材料,選用巖棉(RW)、聚苯乙烯泡沫塑料板(EPS)、擠塑聚苯乙烯泡沫板(XPS)作為墻體保溫層.參考國外輕型木結(jié)構(gòu)住宅墻體的設(shè)計形式,結(jié)合GB50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求,輕型木結(jié)構(gòu)復合墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示,其中陰影為木墻骨,黑點為溫度測點.1.2基本熱物理參數(shù)輕型木結(jié)構(gòu)墻體構(gòu)成見表1.1#～7#木墻骨截面尺寸為45mm×90mm,8#～12#木墻骨截面尺寸為45mm×140mm.各層材料基本熱物理參數(shù)見表2.1.3輕結(jié)構(gòu)墻體單元模型輕型木結(jié)構(gòu)墻體傳熱過程為表面換熱和結(jié)構(gòu)傳熱.表面換熱是對流與輻射換熱量之和.墻體結(jié)構(gòu)傳熱以導熱為主.輕型木結(jié)構(gòu)墻體由不同材料單元組成,導熱單元如圖2所示,節(jié)點i與節(jié)點i+1之間有:qi=Ki(Ti-Ti+1)(1)qi+1=Ki(Ti+1-Ti)(2)式中:Ki(i=1,2,3,……n)為各材料單元的傳熱系數(shù),W/(m2·K);Ti,Ti+1為材料單元兩壁面的溫度,K;qi,qi+1為材料單元兩壁面熱流密度,W/m2.根據(jù)能量守恒定律:qi+qi+1=0(3)則有:(qiqi+1)=Ki(1?1?11)(TiTi+1)(4)(qiqi+1)=Κi(1-1-11)(ΤiΤi+1)(4)同理,對于表面換熱單元有:(qiqi+1)=α(1?1?11)(TiTi+1)(5)(qiqi+1)=α(1-1-11)(ΤiΤi+1)(5)式中:α為表面換熱系數(shù),W/(m2·K).圖3為輕型木結(jié)構(gòu)墻體組成單元,其單元模型如圖4所示,圖4中:K為各材料傳熱系數(shù),W/(m2·K);αi,αe為墻體內(nèi)、外表面換熱系數(shù),W/(m2·K),根據(jù)GB50176—93《民用熱工建筑設(shè)計規(guī)范》,分別取8.7,23.0W/(m2·k).對于穩(wěn)態(tài)傳熱過程,輕型木結(jié)構(gòu)墻體傳熱矩陣為:?????????αi+KGB?KGB000?KGBKGB+KRW(CF)?KRW(CF)000?KRW(CF)KRW(CF)+KBB?KBB000?KBBKBB+KEPS(XPS)?KEPS(XPS)000?KEPS(XPS)KEPS(XPS)+αe?????????????????t1t2t3t4t5????????=????????αiti000αete????????(6)(αi+ΚGB-ΚGB000-ΚGBΚGB+ΚRW(CF)-ΚRW(CF)000-ΚRW(CF)ΚRW(CF)+ΚBB-ΚBB000-ΚBBΚBB+ΚEΡS(XΡS)-ΚEΡS(XΡS)000-ΚEΡS(XΡS)ΚEΡS(XΡS)+αe)(t1t2t3t4t5)=(αiti000αete)(6)式中:t1～t5分別為墻體從內(nèi)到外各界面層溫度,℃;ti,te為墻體內(nèi)、外側(cè)氣溫,℃.根據(jù)材料導熱系數(shù)、墻體內(nèi)外側(cè)氣溫和內(nèi)外表面換熱系數(shù),解方程可得到輕型木結(jié)構(gòu)墻體內(nèi)部木墻骨位置(f)和巖棉填充位置(i)的各層材料溫度.1.4熱箱檢測方法按照GB/T13475—2008《建筑構(gòu)件穩(wěn)態(tài)熱傳遞性質(zhì)的測定——標定和防護熱箱法》進行熱箱檢測.熱箱結(jié)構(gòu)如圖5所示,它由冷箱、熱箱和試件框3部分組成.在墻體試件表面和各材料單元中布置熱電偶,采用熱流/溫度巡檢儀采集記錄溫度數(shù)據(jù).1.5穩(wěn)態(tài)條件下墻體熱箱與冷箱的溫度檢測由于12種輕型木結(jié)構(gòu)墻體的組成材料和構(gòu)造形式不同,各層材料的溫度不同,導致墻體保溫性能存在差異.本文傳熱數(shù)值計算的邊界條件為墻體試件檢測時熱箱和冷箱的氣溫(見表3),溫度檢測選取2#墻體,并在其內(nèi)部各相應計算節(jié)點布置熱電偶,安裝在熱箱中,連接溫度/熱流巡檢儀讀取并儲存不同時刻的檢測溫度,經(jīng)2次重復測試(邊界條件見表3中2#-1,2#-2),可得到穩(wěn)態(tài)條件下2#墻體各界面層測點的溫度.2結(jié)果與討論2.1墻體材料單元溫度與檢測值對比經(jīng)計算,得到12種輕型木結(jié)構(gòu)墻體各材料單元的溫度分布如圖6所示.由圖6可以看出,墻體從內(nèi)到外溫度呈下降趨勢.為驗證數(shù)值計算結(jié)果的可靠性,采用熱箱—熱流計法對2#墻體各層材料的溫度進行了檢測.在木墻骨和巖棉填充位置溫度計算值與檢測值如圖7所示.由圖7可以看出,溫度計算值與檢測值基本吻合,只有木墻骨位置的石膏板內(nèi)外表面溫度計算值與檢測值相差1.2～2.5℃(見表4),這與木材在實際熱環(huán)境中具有一定的蓄熱能力有關(guān),熱量的蓄積會導致與木墻骨接觸位置石膏板內(nèi)外表面的實際溫度比計算值略高.除此之外,其他材料單元的溫度計算值與檢測值相差不超過1℃.采用F檢驗方法對墻體各材料單元溫度的計算值和檢測值進行了差異性檢驗,結(jié)果表明,在0.01水平下計算值與檢測值差異不顯著,因此判定兩者之間具有高度的一致性,證明輕型木結(jié)構(gòu)墻體材料單元溫度計算結(jié)果準確可靠.2.2巖棉兩側(cè)高差比較采用保溫層設(shè)置在墻體外側(cè)的外保溫技術(shù),可使木框架主體結(jié)構(gòu)溫度更接近室內(nèi)溫度,緩沖外界環(huán)境溫度變化導致的結(jié)構(gòu)應力,從而避免各種環(huán)境條件(如雨、雪、凍、融等)對墻體結(jié)構(gòu)造成破壞.試驗墻體中,4#～9#,11#,12#墻體均帶有外保溫覆面.圖8為有無外保溫材料墻體的木墻骨和巖棉兩側(cè)溫差比較.由圖8可見,在木墻骨厚度為90mm的墻體中,具有外保溫覆面的4#～7#墻體比無外保溫覆面的2#墻體木墻骨兩側(cè)溫差小9.0～10.8℃,巖棉兩側(cè)的溫差小5.8～7.9℃;在木墻骨厚度為140mm的墻體中,具有外保溫覆面的8#,9#,11#,12#墻體比無外保溫覆面的10#墻體木墻骨兩側(cè)溫差小9.6～11.4℃,巖棉兩側(cè)的溫差小5.6～7.1℃.這充分說明外保溫構(gòu)造可使墻體內(nèi)部溫度下降減緩.由圖6可以看出,具有外保溫構(gòu)造墻體的木墻骨位置外保溫材料兩側(cè)溫差為12.6～18.1℃,巖棉填充位置外保溫材料兩側(cè)溫差為6.5～11.3℃,即木墻骨位置外保溫材料兩側(cè)的溫差大于巖棉填充位置.這說明保溫材料外覆面可減少木框架因“熱橋”作用所造成的熱量損失,而且這種阻隔熱量傳遞效果在杉木規(guī)格材墻骨截面為45mm×90mm的墻體中比在墻骨截面為45mm×140mm的墻體中表現(xiàn)更為明顯.2.3各墻體的溫度波場夾芯保溫是一種將絕熱材料放置在墻體內(nèi)外覆面板之間的保溫隔熱形式.這種保溫形式可提高整個墻體的保溫性能.由圖6可以看出,每個試驗墻體巖棉兩側(cè)的溫差均大于木墻骨兩側(cè)的溫差(兩者相差3.6～7.9℃),其溫度下降幅度較大.這說明夾芯保溫材料(巖棉)有效阻礙了墻體的熱量傳遞,可明顯提高其保溫性能.2.4木墻骨厚度.表5列出了2種截面尺寸45mm×90mm,45mm×140mm的木墻骨位置和巖棉位置兩側(cè)的溫差,其中2#,4#～7#墻體的木墻骨厚度為90mm,8#～12#墻體的木墻骨厚度為140mm.由表5可見,木墻骨厚度增加50mm,其兩側(cè)溫差增大3.0～3.7℃,夾芯保溫層兩側(cè)溫差增大2.8～4.1℃.這是由于木墻骨厚度的增加,一方面增加了杉木規(guī)格材的阻礙熱量傳遞的作用,另一方面為巖棉填充提供了更大的空間,而巖棉厚度的增加能更有效提高墻體的保溫性能.因此,在嚴寒地區(qū),增加木墻骨的厚度不失為有效節(jié)能的重要措施.綜上所述,采用傳熱數(shù)值計算方法得到墻體各層溫度分布切實可行,由此可知單元材料對外界環(huán)境的溫度響應,從而為墻體的保溫節(jié)能設(shè)計提供參考依據(jù).3墻體熱設(shè)計及熱性能分析(1)對輕型木結(jié)構(gòu)墻體進行傳熱數(shù)值計算,得到