新型腹板開孔HF1龍骨復合墻體傳熱傳濕研究★

武 勝 韓 彪

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

·綠色環保·建筑節能·

新型腹板開孔HF1龍骨復合墻體傳熱傳濕研究★

武 勝 韓 彪

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

在腹板開孔C型輕鋼龍骨的研究基礎上，利用有限元軟件，模擬分析了新型腹板開孔HF1龍骨開孔參數對復合墻體傳熱傳濕的影響，指出腹板開孔輕型鋼龍骨復合墻體可大大改善墻體的傳熱性能，減小熱量損失，控制熱橋影響。

復合墻體，傳熱性能，開孔參數，ANSYS

0 引言

我國建筑能耗的總量逐年上升，在能源總消費量中所占的比例已從20世紀70年代末的10%上升到27.45%，逐漸接近30%，且這一比例將會持續攀升，最終接近發達國家目前的33%的水平[1]。

建筑外圍護結構的節能設計仍將是我國建筑節能的重點方向。新型輕鋼龍骨HF1是由武勝在文獻[2]中提出，如圖1所示。武勝等對HF1的力學性能進行了詳細的研究[2,3]。

1 HF1輕鋼龍骨復合墻體有限元模型概況

根據基本假定，問題簡化為穩態傳熱。根據JGJ 26—2010嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準[4]對室內、外熱工計算參數的相關規定，取黑龍江省哈爾濱市的室內、外計算溫度分別為18 ℃，-22.4 ℃，室內、外的對流換熱系數分別為8.7 W/(m2·℃)，23.0 W/(m2·℃)。墻體單元有限元分析模型如圖2所示，材料的導熱系數分別取鋼龍骨58.2 W/(m·℃)，石膏板0.33 W/(m·℃)，巖棉0.045 W/(m·℃)。

墻體編號：Sx-hHF1-t。其中，Sx為墻體類型，x=0為腹板不開孔龍骨復合墻體，x=1為腹板開孔龍骨復合墻體；hHF1-t為龍骨截面參數，h表示龍骨高度，HF1表示截面類型，t表示龍骨厚度。

2 龍骨腹板開孔參數概況

HF1龍骨腹板開孔包括以下五個孔洞參數：孔洞長度lu、寬度lv、橫向間距du、縱向間距dv和孔洞排數n，如圖3所示。孔洞長度lu取值為50 mm，70 mm，90 mm，110 mm，130 mm；寬度取值為1 mm，2 mm，3 mm，4 mm，5 mm；橫向間距du取值為10 mm，20 mm，30 mm，40 mm，50 mm；縱向間距取值dv為5 mm，7 mm，9 mm，11 mm，13 mm。

標準開孔參數取lu=90 mm，lv=3 mm，du=30 mm，dv=9 mm[5,6]。

3 輕鋼龍骨HF1腹板開孔參數對墻體傳熱性能的影響

1)孔長、孔橫向間距參數變化對復合墻體傳熱性能的影響如圖4所示。

孔長由50 mm變化到130 mm，復合墻體傳熱系數呈明顯線性減小，且減幅在0.05 W/(m2·℃)左右，說明孔長越大腹板導熱路徑越長，導致龍骨熱損失減小，孔長是影響墻體傳熱性能的重要參數。

如圖5所示，隨著孔橫向間距的增大，墻體傳熱系數逐漸減小，且減小不明顯。

2)孔寬、孔洞縱向間距對墻體傳熱性能的影響。

如圖6所示，隨著孔寬的增大，墻體傳熱系數變化曲線近似直線，只有墻體模型S1-200HF1-1.2的傳熱系數在由孔寬3 mm到4 mm時出現略微增大。說明孔寬的變化對墻體傳熱性能幾乎沒有影響。如圖7所示，隨著孔縱向間距的增大墻體傳熱系數明顯增大，說明孔縱向間距增大，孔與孔之間的導熱路徑變寬，龍骨熱損失變大。

3)開孔排數對墻體傳熱性能的影響。

圖8給出開孔排數變化對墻體傳熱系數的影響，如圖8所示，腹板不開孔墻體傳熱系數到腹板開1排孔墻體傳熱系數明顯減小，這說明，腹板開孔可以有效的降低龍骨熱橋效應，具有顯著的保溫隔熱作用。

4 復合墻體傳濕研究

1)墻體結露分析。

表面結露指室內墻體表面溫度低于室內空氣露點溫度，與室內墻體接觸的水蒸氣會從空氣中析出并附于室內墻體表面。根據文獻《建筑設計資料集》[7]中的要求，對于室內溫度18 ℃、相對濕度為60%的環境而言，室內實際水蒸氣分壓力值1 237.5 Pa，露點溫度為10.1 ℃，即：如果室內墻體表面溫度低于此露點溫度，就會出現表面結露現象。

表1 室內側墻面最低溫度 ℃

表1，表2分別給出隨孔洞參數以及開孔排數變化室內墻體表面最低溫度表。其中只有孔長較小的墻體模型室內側墻體溫度低于露點溫度，其他均滿足要求，開孔排數越小越容易出現結露現象。綜合上述，孔洞參數對室內墻體表面溫度影響較大，在選用時應慎重考慮其影響。

表2 隨開孔排數變化墻面最低溫度 ℃

2)墻體內部冷凝分析。

內部冷凝是指空氣水蒸氣會在水蒸氣分壓力差的作用下通過圍護結構，進行濕傳遞[8]。當水蒸氣遇到滲透阻較大的材料層會被阻擋在低溫部位，在不同材料層之間空隙中形成冷凝。內部冷凝取決于各層的溫度分布和各材料層的滲透阻的大小。內部冷凝計算方法：

a.墻體各層材料水蒸氣滲透阻計算公式：

式中：dn——圍護結構內一種材料層的厚度，m； μ——材料的蒸汽滲透系數，g/(m·h·Pa)。

b.墻體內部實際水蒸氣分壓力值計算公式：

式中：ei——室內空氣的水蒸氣分壓力，Pa；ee——室外空氣的水蒸氣分壓力，Pa；H0——圍護結構的水蒸氣滲透阻，m2·h·Pa/g；從室內側算起，由第1層至第(n-1)層的蒸氣滲透阻之和。

c.墻體內部冷凝強度計算公式：

式中：eA——分壓力較高一側空氣的水蒸氣分壓力，Pa； eB——分壓力較低一側空氣的水蒸氣分壓力，Pa； EC——冷凝界面處的最大水蒸氣分壓力，Pa； H0·A——在冷凝界面蒸汽流入一側的蒸氣滲透阻，m2·h·Pa/g；

H0·B——在冷凝界面蒸汽流出一側的蒸氣滲透阻，m2·h·Pa/g。

d.S1-200HF1-1.2墻體冷凝分析。

冷凝計算參數根據GB 50176—93民用建筑熱工設計規范[9]規定：室內溫度ti=18 ℃、相對濕度φi=60%，室內表面換熱系數αi=8.7 W/(m2·K)、室內表面換熱阻Ri=0.11 m2·K/W；哈爾濱地區采暖期室外平均溫度te=-8.5 ℃、相對濕度φe=62%，室外表面換熱系數αe=23 W/(m2·K)、室外表面換熱阻Re=0.04 m2·K/W。

情況一：龍骨影響區外的墻體。

由表3可得：

R0=0.11+0.036+4.4+0.036+0.04=4.622 m2·K/W；

H0=151.9+409.84+151.9=713.64 m2·h·Pa/g。

表3 材料參數及熱阻

計算各層飽和水蒸氣分壓力。

ANSYS計算得各層溫度值T1=16.9 ℃；T2=16.5 ℃；T3=-7.8 ℃；T4=-8.1 ℃。

查表得：E1=1 925.2 Pa；E2=1 875.8 Pa；E3=314.6 Pa；E4=306.6 Pa。

計算室內、外實際水蒸氣分壓力。

室內水蒸氣分壓力：ti=18 ℃，查表得Ei=2 062.5 Pa；

室內實際水蒸氣分壓力：ei=2 062.5×60%=1 237.5 Pa；

室外水蒸氣分壓力：由te=-8.5 ℃，查表得Ee=296.0 Pa；

室外實際水蒸氣分壓力：ee=296.0×62%=183.52 Pa。

計算各層實際水蒸氣分壓力。

e1=ei=1 237.5 Pa；

e2=1 237.5-(151.9/713.64)×(1 237.5-183.52)=1 013.05 Pa；

e3=1 237.5-((151.9+409.84)/713.64)×(1 237.5-183.52)=407.86 Pa；

e4=ee=183.52 Pa。

結果匯總分析見表4。

表4 結果匯總表(一) Pa

由表4結果可知，復合墻體中龍骨影響區外巖棉與室外側石膏板接觸處實際水蒸氣分壓力大于飽和水蒸氣分壓力，也就是說，此處會出現冷凝。

計算冷凝強度。

冷凝界面位于巖棉與室外側石膏板接觸處，所以EC=E3=314.60 Pa。

H0·A=151.90+409.84=561.74 m2·h·Pa/g;H0·B=151.90 m2·h·Pa/g。

得冷凝強度：WC=(1 237.5-314.60)/561.74-(314.60-183.52)/151.90=0.78 g/(m2·h)。

情況二：龍骨影響區內的墻體。

計算各層飽和水蒸氣分壓力。

ANSYS計算得各層溫度值T1=13.6 ℃；T2=11.8 ℃；T3=-4.6 ℃；T4=-6.6 ℃。

查表得：E1=1 557.2 Pa；E2=1 383.9 Pa；E3=416 Pa；E4=349.3 Pa。

計算室內、室外以及各層實際水蒸氣分壓力同情況一相同。

結果匯總分析見表5。

表5 結果匯總表(二) Pa

由表5中結果可知，各層實際水蒸氣分壓力均小于各層飽和水蒸氣分壓力，也就是說，龍骨影響區內的墻體部分內部不會出現冷凝。

5 結語

1)HF1龍骨腹板開孔后能明顯降低龍骨熱橋效應，降低墻體傳熱系數，提高墻體保溫性能；

2)孔長是影響墻體傳熱性能的重要開孔參數，孔寬則影響不大；孔洞橫向間距對墻體傳熱性能影響較為明顯，且隨孔洞橫向間距的增大沿HF1輕鋼龍骨的熱傳遞明顯減小，孔洞縱向間距影響則不大；開孔排數對墻體傳熱性能影響較大，且隨著開孔排數增多，傳熱系數變化趨勢漸緩和；

3)表面結露、內部冷凝與復合墻體的保溫性能關系密切，孔洞參數選擇將直接影響復合墻體的傳濕結果。

[1] 武 勝,張素梅.輕鋼龍骨復合墻體節能設計方法與研究進展[J].鋼結構,2009(11):1-6.

[2] 武 勝,張素梅.新型冷彎翼緣閉合軸壓構件力學性能[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版),2008(4):581-585.

[3] 武 勝,張 厚,王 偉.新型冷彎翼緣閉合構件力學性能研究[J].哈爾濱工業大學學報,2011(10):12-17.

[4] JGJ 26—2010,嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準[S].

[5] 王昭俊,崔永旗,張素梅.腹板開孔輕鋼龍骨復合墻體截面參數對傳熱的影響[J].哈爾濱工業大學學報,2006(10):1786-1788,1792.

[6] 武 勝.新型冷彎構件力學性能及輕鋼龍骨復合墻體傳熱性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2008.

[7] 《建筑設計資料集》編委會.建筑設計資料集[M].第2版.北京:中國建筑工業出版社,1994.

[8] 華南理工大學.建筑物理[M].廣州：華南理工大學出版社,2002.

[9] GB 50176—93,民用建筑熱工設計規范[S].

Heat transfer and moisture transfer performance analysis of slotted light steel-framed HF1 composite wall★

Wu Sheng Han Biao

(CollegeofCivilEngineering，NortheastForestryUniversity，Harbin150040，China)

On the basis of the research of the C type light steel framed with web-perforated, the perforated parameters of the new web-perforated HF1 light steel framed composite wall are analyzed by finite element software, on heat transfer and moisture transfer performance, point out the slotted light steel framed composite wall can greatly improve the wall heat transfer performance, reduce the heat loss, and control the thermal bridge effect.

composite wall, heat transfer performance, perforated parameters, ANSYS

1009-6825(2017)01-0194-03

2016-10-24

★：教育部中央高校基本科研業務專項基金項目(項目編號：DL13CB10)；國家自然科學基金項目(項目編號：51008054)

武 勝(1976- )，男，博士，副教授； 韓 彪(1992- )，男，在讀碩士

TU111

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