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(jì)時(shí)代的到來，全面推進(jìn)建筑節(jié)水已成為科技活動(dòng)的重點(diǎn)。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(hù)和居民的健康舒適生活環(huán)境，適應(yīng)了現(xiàn)代建筑的發(fā)展理念。目前，在國(guó)家政策、科研機(jī)構(gòu)和行業(yè)協(xié)會(huì)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(fù)合墻體的穩(wěn)態(tài)傳熱特性,有利于揭示節(jié)能保溫機(jī)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(guó)產(chǎn)杉木規(guī)格材、落葉松結(jié)構(gòu)膠合板等材料,進(jìn)行了輕型木結(jié)構(gòu)墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);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(yàn)墻體;通過傳熱數(shù)值計(jì)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(yàn)檢測(cè)溫度進(jìn)行了對(duì)比;探討了墻體的溫度分布規(guī)律及各材料對(duì)傳熱的影響,以期為今后預(yù)制墻體的節(jié)能保溫設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).1試驗(yàn)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(guó)外輕型木結(jié)構(gòu)住宅墻體的設(shè)計(jì)形式,結(jié)合GB50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,輕型木結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示,其中陰影為木墻骨,黑點(diǎn)為溫度測(cè)點(diǎn).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(duì)流與輻射換熱量之和.墻體結(jié)構(gòu)傳熱以導(dǎo)熱為主.輕型木結(jié)構(gòu)墻體由不同材料單元組成,導(dǎo)熱單元如圖2所示,節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)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(duì)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(jì)規(guī)范》,分別取8.7,23.0W/(m2·k).對(duì)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(dǎo)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(cè)方法按照GB/T13475—2008《建筑構(gòu)件穩(wěn)態(tài)熱傳遞性質(zhì)的測(cè)定——標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》進(jìn)行熱箱檢測(cè).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(cè)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(dǎo)致墻體保溫性能存在差異.本文傳熱數(shù)值計(jì)算的邊界條件為墻體試件檢測(cè)時(shí)熱箱和冷箱的氣溫(見表3),溫度檢測(cè)選取2#墻體,并在其內(nèi)部各相應(yīng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)布置熱電偶,安裝在熱箱中,連接溫度/熱流巡檢儀讀取并儲(chǔ)存不同時(shí)刻的檢測(cè)溫度,經(jīng)2次重復(fù)測(cè)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(cè)點(diǎn)的溫度.2結(jié)果與討論2.1墻體材料單元溫度與檢測(cè)值對(duì)比經(jīng)計(jì)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(shì).為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性,采用熱箱—熱流計(jì)法對(duì)2#墻體各層材料的溫度進(jìn)行了檢測(cè).在木墻骨和巖棉填充位置溫度計(jì)算值與檢測(cè)值如圖7所示.由圖7可以看出,溫度計(jì)算值與檢測(cè)值基本吻合,只有木墻骨位置的石膏板內(nèi)外表面溫度計(jì)算值與檢測(cè)值相差1.2～2.5℃(見表4),這與木材在實(shí)際熱環(huán)境中具有一定的蓄熱能力有關(guān),熱量的蓄積會(huì)導(dǎo)致與木墻骨接觸位置石膏板內(nèi)外表面的實(shí)際溫度比計(jì)算值略高.除此之外,其他材料單元的溫度計(jì)算值與檢測(cè)值相差不超過1℃.采用F檢驗(yàn)方法對(duì)墻體各材料單元溫度的計(jì)算值和檢測(cè)值進(jìn)行了差異性檢驗(yàn),結(jié)果表明,在0.01水平下計(jì)算值與檢測(cè)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(jì)算結(jié)果準(zhǔn)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(dǎo)致的結(jié)構(gòu)應(yīng)力,從而避免各種環(huán)境條件(如雨、雪、凍、融等)對(duì)墻體結(jié)構(gòu)造成破壞.試驗(yàn)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(chǎng)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(gè)墻體的保溫性能.由圖6可以看出,每個(gè)試驗(yàn)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(yán)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(jì)算方法得到墻體各層溫度分布切實(shí)可行,由此可知單元材料對(duì)外界環(huán)境的溫度響應(yīng),從而為墻體的保溫節(jié)能設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).3墻體熱設(shè)計(jì)及熱性能分析(1)對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)墻體進(jìn)行傳熱數(shù)值計(jì)算,得到