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，廣東省材料與構件防火檢測技術企業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 510663)

建筑通過圍護結構與環(huán)境之間進行直接能量交換，因而圍護結構熱工性能對建筑節(jié)能效果產生重要影響。外墻是圍護結構的重要組成部分，各類建筑節(jié)能設計標準[1,2]和規(guī)范都對外墻傳熱系數有明確的要求。

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

1 研究方法

1.1 研究對象

通過前期調研得知，濕熱地區(qū)圍護結構常用主體材料為加氣混凝土砌塊，根據節(jié)能設計需求，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。據此，確定兩類墻體為試驗對象，具體構造見圖1。

試件1構造形式自內向外為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構造形式自內向外為20 mm水泥砂漿+200 mm加氣混凝土砌塊+20 mm?；⒅楸厣皾{+8 mm外墻磚。

墻體傳熱系數計算方法參照GB 50176—2016民用建筑熱工設計規(guī)范[5]，傳熱系數表達式為：

(1)

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

Rou表達式為：

(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。

傳熱阻表達式為：

(3)

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

Rol表達式為：

Rol=Ri+R1+R2+…+Rj+…+Rn+Re

(4)

R1，R2，…，Rn表達式如下：

(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，傳熱系數理論計算結果如表2所示。試件1傳熱系數為0.984 W/(m2·K)，試件2外側附有保溫砂漿，熱阻增大，傳熱系數降低，為0.754 W/(m2·K)。

表1 墻體材料熱工性能

表2 傳熱系數理論計算結果

1.2 測試原理

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

(7)

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

Φ1=Φp-Φ2

(8)

其中,Φp為輸入功率，W；Φ2為計量箱熱損，W。

計量箱熱損表達式為：

Φ2=M2(Tji-Tje)

(9)

其中,M2為計量箱壁熱流系數，W/K；Tji為計量箱內表面溫度，K；Tje為計量箱外表面溫度，K。

環(huán)境溫度表達式為：

(10)

輻射換熱系數表達式為：

(11)

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

平均輻射溫度表達式為：

(12)

表面熱阻表達式為：

(13)

1.3 試驗工況

廣州是濕熱地區(qū)的典型城市，屬亞熱帶季風氣候，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]。根據廣州市氣候特點及居民空調使用習慣，一年中多數時間室外溫度高于室內溫度，且冬季不采暖，因而墻體傳熱系數節(jié)能性能主要體現(xiàn)在隔熱以節(jié)省空調能耗。本地區(qū)的傳熱系數測試時應將墻體室外側置于熱箱高溫側，室內側置于冷箱低溫側。綜合以上，傳熱系數試驗工況做如下選擇：低溫側確定兩個溫度選項，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；高溫側確定三個溫度選項，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；考慮試驗冷熱側溫差要求，選擇以下三種工況進行試驗，分別為0 ℃～20 ℃，0 ℃～30 ℃和10 ℃～35 ℃，與常規(guī)測試溫度范圍(-10 ℃～35 ℃)進行比較。

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

2 測試結果與分析

傳熱系數測試結果及與理論計算值偏差見圖2?？傮w來看，各溫度范圍下傳熱系數測試結果均大于理論計算結果，其原因是理論計算過程中材料導熱系數取值為干燥狀態(tài)結果，而測試墻體雖經含水率調節(jié)，各構造材料依然含有一定水分，導熱系數大于理論值，致使傳熱系數計算結果偏大。詳細來看，試件1在冷熱側溫度為0 ℃～20 ℃時傳熱系數U為1.216 W/(m2·K)，較理論值高23.5%，誤差最大；冷熱側溫度為0 ℃～30 ℃,10 ℃～35 ℃和-10 ℃～35 ℃時，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果表現(xiàn)與試件1相似，冷熱側溫度為0 ℃～20 ℃時U為0.874 W/(m2·K)，誤差最大，為15.9%；冷熱側溫度為0 ℃～30 ℃，10 ℃～35 ℃和-10 ℃～35 ℃時，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%。

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

表面熱阻測試結果見圖3。試件熱側表面熱阻測試結果介于0.045(m2·K)/W～0.059(m2·K)/W之間，與GB 50176—2016民用建筑熱工設計規(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民用建筑熱工設計規(guī)范附表B.4.1-1中推薦的內表面換熱阻(0.11(m2·K)/W)，說明標準推薦值偏大。

3 結語

通過對濕熱地區(qū)典型城市(廣州)氣候進行分析確定試驗工況，應用防護熱箱法對兩類典型墻體構造進行傳熱系數測試，以分析測試時冷熱箱適宜設定溫度，得到主要結論如下：1)傳熱系數實驗室測試冷熱箱溫差越大，結果準確度越高。結合廣州市氣候和室內外溫度特點，確定適合本地的傳熱系數實驗室測試溫度如下：冷箱溫度0 ℃～10 ℃，冷熱箱溫差不小于25 ℃，最好超過30 ℃。2)GB 50176—2016民用建筑熱工設計規(guī)范附表B.4.1推薦的外表面換熱阻與測試結果相近，內表面換熱阻偏大。