濕熱地區(qū)墻體傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)室測試溫度研究★

馮旭明 黃嘉樑 李鍔峰 彭 翔 羅陸平

(廣州市建筑材料工業(yè)研究所有限公司，廣東省材料與構(gòu)件防火檢測技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510663)

建筑通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)與環(huán)境之間進(jìn)行直接能量交換，因而圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對建筑節(jié)能效果產(chǎn)生重要影響。外墻是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，各類建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1,2]和規(guī)范都對外墻傳熱系數(shù)有明確的要求。

墻體傳熱系數(shù)測試主要為實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場兩種類型，實(shí)驗(yàn)室測試多采用防護(hù)熱箱法和標(biāo)定熱箱法根據(jù)GB/T 13475—2008絕熱 穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定標(biāo)定和防護(hù)熱箱法[3]規(guī)定開展，現(xiàn)場測試多采用熱流計(jì)法[4]開展。實(shí)驗(yàn)室測試中在墻體室內(nèi)側(cè)設(shè)置熱箱，溫度多設(shè)定為35 ℃，墻體室外側(cè)設(shè)置冷箱，多設(shè)定為-10 ℃，該方法測試的結(jié)果為熱流從室內(nèi)向室外傳遞時(shí)的傳熱系數(shù)。濕熱地區(qū)由于溫高濕重，空調(diào)使用時(shí)間超過半年，且多數(shù)建筑不采暖，全年大部分時(shí)間室內(nèi)溫度低于室外溫度，熱流從室外傳向室內(nèi)。另一方面，常規(guī)測試中冷熱箱設(shè)定溫度與夏熱冬暖地區(qū)環(huán)境溫度存在明顯差異。基于此，選取濕熱地區(qū)常見墻體材料和構(gòu)造形式，通過對比分析不同冷熱箱溫度下的測試結(jié)果，確定適合濕熱地區(qū)墻體傳熱系數(shù)測試的溫度范圍，為工程檢測和質(zhì)量監(jiān)管提供參考。

1 研究方法

1.1 研究對象

通過前期調(diào)研得知，濕熱地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)常用主體材料為加氣混凝土砌塊，根據(jù)節(jié)能設(shè)計(jì)需求，分為附加保溫材料層和不附加保溫材料層兩類，保溫材料以保溫砂漿較為常見。據(jù)此，確定兩類墻體為試驗(yàn)對象，具體構(gòu)造見圖1。

試件1構(gòu)造形式自內(nèi)向外為20 mm水泥砂漿+200 mm加氣混凝土砌塊+20 mm水泥砂漿+8 mm外墻磚，試件2構(gòu)造形式自內(nèi)向外為20 mm水泥砂漿+200 mm加氣混凝土砌塊+20 mm玻化微珠保溫砂漿+8 mm外墻磚。

墻體傳熱系數(shù)計(jì)算方法參照GB 50176—2016民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[5]，傳熱系數(shù)表達(dá)式為：

(1)

其中，U為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ri為內(nèi)表面換熱阻；Re為外表面換熱阻，(m2·K)/W。

Rou表達(dá)式為：

(2)

其中，fa，fb，…,fq均為與熱流平行各部分面積與總面積的比值；Roua，Roub，…,Rouq為與熱流平行各部分的傳熱阻，(m2·K)/W。

傳熱阻表達(dá)式為：

(3)

其中，δ1，δ2，…，δn均為材料層厚度，m；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

Rol表達(dá)式為：

Rol=Ri+R1+R2+…+Rj+…+Rn+Re

(4)

R1，R2，…，Rn表達(dá)式如下：

(5)

其中，Raj，Rbj，…，Rqj為與熱流垂直方向第j層各部分的熱阻，(m2·K)/W。

單一均值材料層熱阻表達(dá)式如下：

(6)

墻體用水泥砂漿砌筑，水平和垂直灰縫寬度都為10 mm。墻體材料熱工性能見表1，傳熱系數(shù)理論計(jì)算結(jié)果如表2所示。試件1傳熱系數(shù)為0.984 W/(m2·K)，試件2外側(cè)附有保溫砂漿，熱阻增大，傳熱系數(shù)降低，為0.754 W/(m2·K)。

表1 墻體材料熱工性能

表2 傳熱系數(shù)理論計(jì)算結(jié)果

1.2 測試原理

傳熱系數(shù)測試采用防護(hù)熱箱法，在穩(wěn)定狀態(tài)下測量試件兩側(cè)溫度和通過試件的熱量計(jì)算得到傳熱系數(shù)。為提高測試精度，在試件兩側(cè)營造均勻穩(wěn)定的溫度場，通過設(shè)置防護(hù)箱在計(jì)量箱內(nèi)外保持溫度穩(wěn)定均勻以減小熱量損失。試件面積2.56 m2(1.6 m×1.6 m)，計(jì)量區(qū)域面積1.56 m2(1.25 m×1.25 m)。傳熱系數(shù)計(jì)算式如下：

(7)

其中,U為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Φ1為通過試件的熱流量，W；A為計(jì)量面積，m2；Tni為熱側(cè)環(huán)境溫度；Tne為冷側(cè)環(huán)境溫度，K。

Φ1=Φp-Φ2

(8)

其中,Φp為輸入功率，W；Φ2為計(jì)量箱熱損，W。

計(jì)量箱熱損表達(dá)式為：

Φ2=M2(Tji-Tje)

(9)

其中,M2為計(jì)量箱壁熱流系數(shù)，W/K；Tji為計(jì)量箱內(nèi)表面溫度，K；Tje為計(jì)量箱外表面溫度，K。

環(huán)境溫度表達(dá)式為：

(10)

輻射換熱系數(shù)表達(dá)式為：

(11)

其中,δ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；Tm為平均輻射溫度，K。

平均輻射溫度表達(dá)式為：

(12)

表面熱阻表達(dá)式為：

(13)

1.3 試驗(yàn)工況

廣州是濕熱地區(qū)的典型城市，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，暖濕多雨，月平均氣溫13.6 ℃～28.9 ℃，月極端最高氣溫27.2 ℃～39.1 ℃，月極端最低氣溫0.8 ℃～22.7 ℃[6]。根據(jù)廣州市氣候特點(diǎn)及居民空調(diào)使用習(xí)慣，一年中多數(shù)時(shí)間室外溫度高于室內(nèi)溫度，且冬季不采暖，因而墻體傳熱系數(shù)節(jié)能性能主要體現(xiàn)在隔熱以節(jié)省空調(diào)能耗。本地區(qū)的傳熱系數(shù)測試時(shí)應(yīng)將墻體室外側(cè)置于熱箱高溫側(cè)，室內(nèi)側(cè)置于冷箱低溫側(cè)。綜合以上，傳熱系數(shù)試驗(yàn)工況做如下選擇：低溫側(cè)確定兩個(gè)溫度選項(xiàng)，為0 ℃和10 ℃，分別代表月極端最低氣溫和月平均最低氣溫最小值；高溫側(cè)確定三個(gè)溫度選項(xiàng)，為20 ℃，30 ℃和35 ℃，分別代表月極端最低氣溫、月平均氣溫和月極端最高氣溫最大值；考慮試驗(yàn)冷熱側(cè)溫差要求，選擇以下三種工況進(jìn)行試驗(yàn)，分別為0 ℃～20 ℃，0 ℃～30 ℃和10 ℃～35 ℃，與常規(guī)測試溫度范圍(-10 ℃～35 ℃)進(jìn)行比較。

水的傳熱系數(shù)較大，含水率對材料和構(gòu)造的熱工性能影響較大。由于生產(chǎn)工藝的原因，加氣混凝土砌塊含有一定水分；另外砌筑時(shí)需對砌塊表面進(jìn)行潤濕處理[7]以增加砌塊之間的粘結(jié)力，致使試件水分含量較高，較干燥狀態(tài)熱阻減小，傳熱系數(shù)增大。因而試驗(yàn)前應(yīng)將試件在通風(fēng)處充分干燥或是通過人工調(diào)節(jié)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)以減小含水率[8]。本文采用后一種方法，在調(diào)節(jié)室溫度60 ℃下將試件調(diào)節(jié)至質(zhì)量穩(wěn)定。

2 測試結(jié)果與分析

傳熱系數(shù)測試結(jié)果及與理論計(jì)算值偏差見圖2。總體來看，各溫度范圍下傳熱系數(shù)測試結(jié)果均大于理論計(jì)算結(jié)果，其原因是理論計(jì)算過程中材料導(dǎo)熱系數(shù)取值為干燥狀態(tài)結(jié)果，而測試墻體雖經(jīng)含水率調(diào)節(jié)，各構(gòu)造材料依然含有一定水分，導(dǎo)熱系數(shù)大于理論值，致使傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果偏大。詳細(xì)來看，試件1在冷熱側(cè)溫度為0 ℃～20 ℃時(shí)傳熱系數(shù)U為1.216 W/(m2·K)，較理論值高23.5%，誤差最大；冷熱側(cè)溫度為0 ℃～30 ℃,10 ℃～35 ℃和-10 ℃～35 ℃時(shí)，U分別為1.019 W/(m2·K)，1.031 W/(m2·K)和1.014 W/(m2·K)，與理論值誤差依次為3.5%，4.8%和3.1%。試件2在各溫度范圍下測試結(jié)果表現(xiàn)與試件1相似，冷熱側(cè)溫度為0 ℃～20 ℃時(shí)U為0.874 W/(m2·K)，誤差最大，為15.9%；冷熱側(cè)溫度為0 ℃～30 ℃，10 ℃～35 ℃和-10 ℃～35 ℃時(shí)，U分別為0.767 W/(m2·K)，0.787 W/(m2·K)和0.771 W/(m2·K)，與理論值誤差依次為1.8%，4.3%和2.3%。

從以上測試結(jié)果來看，冷熱箱溫差超過30 ℃(冷熱側(cè)溫度0 ℃～30 ℃和-10 ℃～35 ℃)的測試中，誤差范圍介于1.8%～3.5%，準(zhǔn)確度最高。冷熱箱溫差為25 ℃(冷熱側(cè)溫度10 ℃～35 ℃)的兩次測試中，誤差略高但小于5%，準(zhǔn)確度稍低。冷熱箱溫差為20 ℃(冷熱側(cè)溫度0 ℃～20 ℃)的兩次測試中誤差超過15%，偏離較多。結(jié)合廣州市氣候特點(diǎn)，確定適合本地的傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)室測試溫度如下：冷箱溫度0 ℃～10 ℃，冷熱箱溫差不小于25 ℃，最好超過30 ℃。

表面熱阻測試結(jié)果見圖3。試件熱側(cè)表面熱阻測試結(jié)果介于0.045(m2·K)/W～0.059(m2·K)/W之間，與GB 50176—2016民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范附表B.4.1-2中推薦的夏季外表面換熱阻(0.05(m2·K)/W)相近。試件冷側(cè)表面熱阻為0.002(m2·K)/W～0.015(m2·K)/W，小于GB 50176—2016民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范附表B.4.1-1中推薦的內(nèi)表面換熱阻(0.11(m2·K)/W)，說明標(biāo)準(zhǔn)推薦值偏大。

3 結(jié)語

通過對濕熱地區(qū)典型城市(廣州)氣候進(jìn)行分析確定試驗(yàn)工況，應(yīng)用防護(hù)熱箱法對兩類典型墻體構(gòu)造進(jìn)行傳熱系數(shù)測試，以分析測試時(shí)冷熱箱適宜設(shè)定溫度，得到主要結(jié)論如下：1)傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)室測試?yán)錈嵯錅夭钤酱螅Y(jié)果準(zhǔn)確度越高。結(jié)合廣州市氣候和室內(nèi)外溫度特點(diǎn)，確定適合本地的傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)室測試溫度如下：冷箱溫度0 ℃～10 ℃，冷熱箱溫差不小于25 ℃，最好超過30 ℃。2)GB 50176—2016民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范附表B.4.1推薦的外表面換熱阻與測試結(jié)果相近，內(nèi)表面換熱阻偏大。