輕型木結構墻體穩態傳熱性能及其保溫材料影響比較

張曉鳳，楊茹元，劉芯彤，孫友富,2*

(1.南京林業大學材料科學與工程學院，南京 210037；2.南京林業大學林業資源高效加工利用協同創新中心，南京 210037)

當前我國建筑行業正處于較為穩定的發展階段，建筑數量也處于穩定擴張期[1]。隨著建筑數量不斷增多，隨之而來的建筑住宅節能問題也日益突出。輕型木結構建筑因其自重輕、成本低、取材方便，綠色環保和易于施工等特點，在中國建筑領域具有十分廣闊的發展前景。輕型木結構墻體的特殊構造導致墻體的傳熱過程更為復雜，墻骨柱是墻體傳熱和熱量損失的重要環節，因此，輕型木結構建筑的保溫隔熱成為建筑設計師和住戶關注的重要問題。如何有效提升墻體的保溫隔熱性能是當前發展輕型木結構的關鍵問題之一[2-3]，也是對居住環境的有力保障，是建設綠色環保、低能耗建筑的關鍵。

目前，相關學者對墻體熱工的研究不再局限于單一的試驗法。Straube等[4]采用二維穩態熱流模型分析法，研究了熱阻較高的墻體熱工性能和結構構件對墻體傳熱性能的影響，并對其進行了量化。Kosny等[5]對真空保溫板和氣凝膠保溫板2種保溫材料的保溫性能和經濟性進行了分析，發現兩者的保溫性能和經濟性能較普通保溫板更具優勢，氣凝膠保溫板應用在建筑圍護結構中具有可行性。王志強等[6]采用實驗室測量法對銀杏材空心刨花板的傳熱性能進行測試，研究表明此類刨花板板材導熱系數較低，熱量不易通過，且厚度較薄，占用空間小，可用于建筑外墻。與此同時，許多大型模擬分析軟件被應用于墻體傳熱性能研究中，部分學者采用ANSYS有限元軟件對各種復合墻體進行熱工性能研究，得到孔洞排數與孔洞長度是影響腹板開孔輕鋼龍骨墻體傳熱性能以及主要參數的結論，同時證明了模擬分析法具有可行性[7-8]。張穎璐等[9]研究分析了如何利用BECS計算機模擬軟件高效地進行建筑能耗模擬和節能設計，并以常州某住宅進行實例說明，有效改善了建筑熱工性能，降低建筑能耗。為促進不同時期輕型木結構建筑墻體熱工性能的改善與提升，丁葉蔚等[10]實測南京地區A、B兩幢輕型木結構建筑外墻材料導熱系數和4種不同組合外墻體，試驗表明，4種墻體傳熱系數均小于0.4 W/(m2·K)，達到嚴寒地區熱工性能設計標準，其中，A幢軟木外墻體建筑保溫性能優于B幢防腐木外墻體建筑。馬艷秋等[11]通過試驗測定和數值模擬2種方法，研究了常用輕型木結構墻體的平均傳熱系數及其在嚴寒和寒冷地區各氣候分區中節能設計的適用性。闕澤利等[12]和王菲彬等[13]采用SIPs結構用于貴州傳統木構民居改良，芯層選用的發泡聚苯乙烯板(EPS)具有價格低廉、輕質、熱穩定性好的特點。王雪花等[14-15]對SIP結構的外覆保溫板開展研究，分別對木質OSB、重組竹及竹簾膠合板為覆面材料(厚度12 mm)、EPS為芯層(厚度89 mm)的SIP保溫性能進行對比，試驗表明，OSB、重組竹、竹簾膠合板的導熱系數差異較大，但組合構件SIP傳熱系數差異不大。可能的原因在于EPS具有良好的保溫隔熱性能[16-17]。

以上研究為本試驗提供了良好的研究基礎及可靠的試驗依據，然而實際工程調研發現，輕型木結構墻體墻骨柱缺少保溫結構，易產生冷熱橋，寒冷地區或者室內外溫差較大地區冷熱橋效應尤其顯著。現代木結構外墻保溫方式和工程做法與鋼筋混凝土墻體的比較尚未形成統一、有效的標準；新型材料具有更加優良的保溫隔熱性能，且質輕體積小，其優越性對傳統保溫材料提出了挑戰。因此，針對上述3個方面開展輕型木結構墻體穩態傳熱性能及保溫材料影響比較研究，對提高墻體保溫能力及建筑節能具有重要意義。

1 材料與方法

選用氣凝膠隔熱氈、EPS保溫板、納米微珠保溫涂料，分別應用于墻骨柱表面層、墻體內側、石膏板內表面，并根據理論計算優選12種不同構造的墻體試件作為研究對象，通過試驗驗證保溫效果，從而改善墻體的傳熱系數。

1.1 試驗材料

墻體試驗材料規格參數及導熱系數見表1。此外，納米微珠保溫涂料以自交聯丙烯乳液作為成膜物質，以二氧化硅、空心玻璃微珠和六鈦甲酸晶須等作為填充材料，并在多種助劑的作用下制備而成；其他材料包括石膏板自攻螺釘、普通圓釘等。

表1 墻體材料規格參數及導熱系數Table 1 The specification and thermal conductivity of the wall materials

1.2 試驗方法

根據結構特點與材料特性對輕型木結構墻體進行保溫措施提升設計，設計12種不同構造的墻體(表2)。因基層墻體和保溫層是影響墻體傳熱性能最重要的環節，且本試驗重點分析保溫材料對輕型木結構墻體傳熱性能的影響，為減少試驗誤差，暫不考慮抹面層及飾面層的作用。12種墻體所采用的OSB和石膏板厚度均為12 mm，所采用的保溫棉均為聚酯纖維棉。

表2 墻體保溫構造設計Table 2 Wall insulation structure designs

根據試驗設備對試驗墻體的尺寸要求[18]，本試驗墻體尺寸規格確定為1 100 mm×900 mm，墻體框架鋪設如圖1所示。

注：1～9為溫度傳感器；a和b為熱流計。圖1 墻體框架(A)及熱流計和溫度傳感器布置圖(B)Fig.1 Wall frame (A)，heat flow meter and temperature sensor layout (B)

1.2.1 測試設備

采用浙江金華試驗機銷售有限公司制造的JTRG-B建筑熱工溫度與熱流自動測試系統進行測試。系統包括JTRG-B型建筑熱工溫度與熱流自動測試儀、JTRG-B型熱箱控制儀、噴墨打印機、系統軟件、數字式溫度傳感器、熱流計、Pt100鉑熱電阻和USB通訊電纜等。

1.2.2 試驗過程

木結構墻體構造較為特殊，中間層由墻骨柱和保溫棉共同組成，由于2種材料導熱系數和所占面積比例不同，導致其傳熱較為復雜。為讓試驗更加全面反映整個墻體的傳熱系數，也為能夠測試導熱系數較高的墻骨柱位置對墻體傳熱性能的影響，將溫度傳感器均勻分布在試件墻體兩側表面的同時，區別測試墻骨柱位置和保溫棉位置處的溫度和熱流密度。基于上述要求，熱流計和溫度傳感器的布置如圖1所示。

1.2.3 測試方法

本試驗采用標定熱箱法與熱流計法相結合的試驗方法——控溫箱-熱流計法。根據GB/T 13475—2008《絕熱穩態傳熱性質的測定標定和防護熱箱法》的要求，當智能檢測儀顯示溫度沒有升高或降低趨勢，且誤差在1%范圍內波動時，系統達到穩定狀態。

1.2.4 墻體傳熱系數和日傳熱量測試

根據測試與計算要求，將測試系統達到穩定狀態之后測得的數據進行整理分析。依據GB/T 23483—2009《建筑物圍護結構傳熱系數及采暖供熱量檢測方法》和GB/T 13475—2008，圍護結構的傳熱系數數據分析一般優先采用算術平均法，根據經驗公式(1)和(2)即可計算出墻體熱阻和傳熱系數：

(1)

K=1/(Ri+R+Re)

(2)

式中：R為熱阻，m2·K/W；Tij和T0j分別為墻體傳熱達到穩態后熱面和冷面的第j次溫度測量值，℃；Ej為墻體傳熱達到穩態后熱流計第j次的測量值，mV；C為熱流計的測試系數，取0.1；K為傳熱系數，W/(m2·K)；Ri和Re分別為墻體內外表面的換熱阻，分別取0.11和 0.04 m2·K/W。

由于保溫棉與墻骨柱所占面積比例不相等，為保證試驗結果的準確性，采用面積加權法經驗公式(3)進行計算：

Ka=Kw·Sw+Kc·Sc

(3)

式中：Ka、Kw和Kc分別為墻體、保溫棉位置和墻骨柱位置平均傳熱系數，W/(m2·K)；Sw和Sc分別為保溫棉和墻骨柱位置所占比例，本試驗分別取79%和20%(綜合考慮釘子所占比例及金屬對熱傳遞的影響取值)。

墻體日傳熱量是墻體在一天中傳遞的熱量，由墻體傳熱經驗公式(4)[19-20]確定：

Qday=c/Rk

(4)

(5)

可得出墻體日傳熱量計算公式為:

(6)

2 結果與分析

2.1 墻體傳熱系數理論值與實測值比較

將墻體傳熱系數理論值與試驗測量值進行比較(表3)。從表3中可以看出，理論計算值與試驗測量值差異不大，各組誤差均在10%以內，說明輕型木結構墻體傳熱系數的理論計算值與試驗測量值較為吻合，可在試驗前采用理論計算值預估墻體的傳熱系數值，從而更好地對墻體傳熱性能進行設計。

表3 理論值與試驗測量值的比較Table 3 Comparison of calculated values and experimental measured values

2.2 墻骨柱墊層對墻體傳熱性能的影響

由表3分析可知，12種墻體墻骨柱處的熱流密度比保溫棉處的熱流密度高16.9%～54.1%，可見墻骨柱確實是熱流高度集中的位置。墻骨柱墊層是采用極小導熱系數的材料，通過阻礙墻骨柱熱量傳遞減少此處熱流密度，從而達到降低墻體傳熱系數的目的。

鋪設墊層的墻骨柱熱流密度較未鋪設墊層的低很多，經計算，鋪設1層和2層墻骨柱墊層比沒有鋪設墊層的墻骨柱熱流密度分別低11.3%～15.1% 和2.1%～28.1%，由此可知，墻骨柱墊層能夠有效降低墻骨柱處的熱流密度，從而有效降低墻體傳熱系數。經計算，鋪設1層和2層墻骨柱墊層比未鋪設墊層的墻體傳熱系數分別低3.8%～8.1%和11.5%～15.0%。這是因為此種保溫措施使墻骨柱位置不易發生冷橋和熱橋現象，墻體整面的熱流密度也隨之降低，從而降低墻體導熱系數。國內外研究[21-22]表明，在荷載條件允許的前提下，減少墻骨柱數量可降低墻體傳熱系數，墻骨柱位置鋪設墊層則可在荷載較大、墻骨柱較多時減弱墻骨柱對墻體傳熱性能的不良影響。

2.3 內保溫層對墻體傳熱性能的影響

內保溫層措施借鑒鋼筋混凝土外墻保溫較為成熟的做法，根據木結構建筑特點在外墻內側加1層EPS保溫板夾層。由于EPS保溫板傳熱系數較低且具有一定的厚度，可達到阻礙熱量傳遞、改善墻體保溫性能的效果[18]。

設置內保溫層的墻體比沒有內保溫層的墻體平均熱流密度和傳熱系數均低較多。經計算，前者比后者的平均熱流密度低23.8%～25.7%，傳熱系數低32.4%～35.1%，兩者的改善效果均較為理想。此外，由表3可知，有內保溫層的墻體比沒有內保溫層的墻體冷熱面溫差高2.5 ℃左右，由此可見，內保溫層EPS對墻體傳熱性能的提升效果較為顯著。

2.4 保溫涂層對墻體傳熱性能的影響

保溫涂層采用低導熱系數的納米微珠保溫涂料，制作試件時涂刷在墻體內側石膏板上，達到增加整面墻體熱阻，降低墻體傳熱系數的目的。納米微珠保溫涂料不僅導熱系數較低，而且能夠有效減弱熱輻射，集反射型與阻隔型于一體[23]。

由12種墻體傳熱系數試驗值比較可知，涂刷保溫涂層的墻體傳熱系數低于未涂刷保溫涂層的墻體，經計算，前者比后者低5.9%～8.7%。實際工程中輕型木結構建筑外墻多為外掛板裝飾，不宜涂刷涂料。因此，本試驗將涂料涂刷在墻體內側，不對其熱阻修正值進行計算。此種改善措施施工簡單方便，環保可靠，不占用建筑面積。

2.5 墻體日傳熱量

計算與分析以北京1月份溫度為例，室內溫度為18 ℃，日平均氣溫為-4.1 ℃。根據試驗測得12種墻體的熱阻，得到墻體日傳熱量(圖2)。從圖2中可以看出，12種輕型木結構墻體的日傳熱量最高為0.26 kW·h/m2，最低為0.13 kW·h/m2。經計算，采取保溫隔熱改善措施的墻體日傳熱量比其他類型墻體低7.5%～50.0%，可見所采取的試驗方案對墻體保溫隔熱性能有良好提升。

圖2 墻體日傳熱量Fig.2 Daily heat transfer quantities of walls

2.6 墻體適用氣候分區判定

根據我國居住節能設計標準，不同地區對當地建筑節能設計標準有明確規定。根據JGJ26—2010《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》和DB23/1270—2008《黑龍江省居住建筑節能65%設計標準》規定，將我國嚴寒和寒冷地區分別分為3個區和2個區，其中，嚴寒地區分為嚴寒(A)區、嚴寒(B)區和嚴寒(C)區，寒冷地區分為寒冷(A)區和寒冷(B)區。12種墻體的傳熱系數和每個區域所對應的外墻圍護結構熱工性能參數值如圖3所示。由于我國木結構建筑的層高限值一般在3層以下，此處僅考慮建筑小于或等于3層時外墻圍護結構的傳熱系數。

圖3 墻體傳熱系數與各區域傳熱系數極限值Fig.3 Heat transfer coefficients of walls and limited values of heat transfer coefficients in different regions

每個區域對應的外墻圍護結構熱工性能參數限值和每個地區的適用墻體編號如表4所示。由表4可知，本試驗所測12種墻體傳熱系數范圍為0.25～0.40 W/(m2·K)，墻體熱工級別均為Ⅰt級。適用于嚴寒(A)區、嚴寒(B)區和嚴寒(C)區的墻體分別有5，6和9種。

表4 嚴寒地區墻體適用地區判定Table 4 Applications of different wall structures in different severe cold areas

3 結 論

本研究通過試驗對12種輕型木結構墻體進行穩態傳熱性能測試，并對試驗結果進行分析比較研究。

1)氣凝膠氈、EPS保溫板及納米微珠保溫涂層3種保溫材料具有各自的保溫特性。氣凝膠氈墻骨柱墊層隨厚度增加可減弱或消除輕型木結構墻體冷熱橋；EPS內保溫層構造墻體蓄熱能力較好，改善熱傳遞效果顯著；納米微珠保溫涂層可反射與阻隔熱量，平衡室內外溫差。

2)3種保溫材料均能降低墻體的傳熱系數，提高墻體整體保溫性能，但傳熱系數降低程度存在差異。通過比較分析可知：EPS內保溫層傳熱系數降低百分比>氣凝膠氈墻骨柱墊層傳熱系數降低百分比>納米微珠保溫涂層傳熱系數降低百分比。理論計算結果與試驗結果誤差在10%以內，試驗可靠性較好。

3)所測12種墻體熱工級別均為Ⅰt級，傳熱系數均低于0.40 W/(m2·K)。其中，5種墻體適用于嚴寒(A)區、6種墻體適用于嚴寒(B)區、9種墻體適用于嚴寒(C)區。采用3種保溫材料改善保溫措施的墻體具有更加優良的保溫性能，各氣候分區可根據節能標準合理選擇，充分發揮輕型木結構建筑保溫隔熱、綠色節能的優勢，為環境熱舒適提供有力保障[24]。