盧宇杰 呂清芳 劉 燁

(1 東南大學土木工程學院 南京 211189；2 四川大學建筑與環(huán)境學院深地科學與工程教育部重點實驗室 成都 610065)

原竹材料的幾何尺寸和力學性能變異性較大[1]，較難滿足現(xiàn)代建筑結構的要求。以竹集成材和重組竹[2]為主的現(xiàn)代工程竹材，能夠較好地解決原竹在幾何尺寸和力學性能上的變異性，其中集成竹需以大直徑竹材為原材料，而重組竹[3]能夠以小徑雜竹為原料，進一步降低了對竹材原材料的要求。針對竹集成材和重組竹的制備工藝[4-5]、力學性能[6-9]、燃燒性能[10]和材料改性[11]等方面，已開展有一定的研究，推動了我國竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

目前，對于竹墻體保溫性能的研究仍然十分有限[12-15]，且多集中于輕框架結構中的竹復合墻體。為突破輕型竹結構高度的限制，推動現(xiàn)代重型竹結構的發(fā)展。在正交膠合木(CLT) 的啟發(fā)下，本文針對一種新型工程竹產(chǎn)品——正交膠合竹(Cross-Laminated Bamboo，簡稱CLB) 結構使用的可行性開展了系列研究，基于已有試驗數(shù)據(jù)建立了CLB 墻體和EPS (聚苯乙烯) -CLB 復合墻體的有限元模型，通過對比穩(wěn)態(tài)傳熱過程，驗證了有限元模型的有效性。在此基礎上，進一步研究CLB 墻體和EPS-CLB 復合墻體的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，研究內(nèi)保溫、外保溫以及夾心保溫3 種不同形式的復合墻體在高溫、低溫作用下的墻體內(nèi)溫度場隨時間的變化規(guī)律。最后為了定性判斷CLB 墻體建筑整體能耗的影響，采用能耗模擬軟件DeST 建立了一棟竹結構別墅的住宅模型，研究CLB 墻體對竹結構建筑全年溫度負荷的影響，以評價采用CLB 墻體的竹結構的節(jié)能性能。

1 基于CLB 穩(wěn)態(tài)試驗的有限元模型

正交膠合竹(CLB) 由順紋和橫紋板材正交交錯層積而成，層板為由原竹加工而成的重組竹單板，層板膠合后經(jīng)熱壓固化處理形成CLB 板。本研究利用有限元分析軟件Abaqus 建立了穩(wěn)態(tài)熱傳遞過程下的CLB 墻體和EPS-CLB 復合墻體的模型，通過有限元模擬數(shù)據(jù)和相關公式計算得到穩(wěn)態(tài)傳熱下CLB 墻體和EPS-CLB 復合墻體的傳熱系數(shù)，并與控溫箱—熱流計法試驗測得傳熱系數(shù)值相比較，以驗證該有限元模型的有效性。

1.1 試驗概況

控溫箱—熱流計法[16]是將熱流計法和熱箱法相結合的試驗方法，利用冷熱箱裝置建立穩(wěn)態(tài)傳熱環(huán)境，通過傳感器測量流經(jīng)墻體的熱流密度和兩側溫度，當達到穩(wěn)態(tài)傳熱后，選取相鄰2 個周期(1 個周期為3 h) 的數(shù)據(jù)進行分析，得到墻體的熱阻和傳熱系數(shù)。通過試驗控溫箱—熱流計法對10 種不同構造的CLB 墻體和EPS-CLB 復合墻體進行試驗，墻體長寬均為980 mm，墻體厚度以及詳細構造見表1。

表1 CLB 墻體厚度及其構造Tab.1 Thickness and configuration of CLB walls

將熱箱溫度設置為26 ℃，冷箱溫度設置為-5 ℃，經(jīng)過24 h 后進入穩(wěn)態(tài)傳熱過程，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和《采暖居住建筑節(jié)能檢驗標準》[17]可計算單個測量周期的傳熱系數(shù)，如公式 (1) 和(2) 所示。當2 個連續(xù)測量周期的傳熱系數(shù)誤差均小于1%時，則定義此數(shù)據(jù)為有效并將其平均值定義為傳熱系數(shù)試驗值，結果如表2 所示。

表2 墻體傳熱系數(shù)試驗計算結果Tab.2 Experimental results of walls' heat transfer coefficient

公式(1) 和(2) 中，R為墻體自身的熱阻，(m2·K)/W；ΔT為墻體內(nèi)、外表面溫差，℃；q為墻體內(nèi)表面的熱流密度，W/m2；θ1j、θ2j分別為墻體內(nèi)、外表面溫度的第j次測量值，℃；qj為熱流密度的第j次測量值，W/m2；K為墻體的傳熱系數(shù)，W/ (m2·K)；R′為墻體的總傳熱阻，(m2·K)/W；Ri為墻體內(nèi)表面換熱阻，(m2·K)/W，根據(jù)《民用建筑熱工設計規(guī)范》[18]取0.11 (m2·K)/W；Re為墻體外表面換熱阻，(m2·K)/W，根據(jù)《民用建筑熱工設計規(guī)范》取0.04 (m2·K)/W。

1.2 穩(wěn)態(tài)傳熱有限元模型的建立

通過Abaqus 軟件分別對1.1 中的B4 (30)E0、B3 (30) E1 和B3 (40) E1 建立模型。重組竹和EPS 泡沫板的導熱系數(shù)(λ) 通過試驗防護熱板法測得，其比熱容(C) 通過規(guī)范《民用建筑熱工設計規(guī)范》和文獻[19]查得，膠的熱物理性能參數(shù)由廠家提供。墻體各組成材料的熱物理性能參數(shù)見表3。

表3 墻體中各組成材料的熱物理性能參數(shù)Tab.3 Thermal physical parameters of materials used in the wall

模型邊界條件定義為墻體所處環(huán)境溫度及墻體與空氣間的表面換熱系數(shù)。為了與試驗進行對比驗證，將墻體一側的溫度設為26 ℃，用以模擬室內(nèi)環(huán)境溫度；墻體另一側的溫度設定為-5 ℃，以模擬室外環(huán)境溫度。墻體內(nèi)表面和外表面換熱系數(shù)分別取8.7 W/ (m2·K) 及23.0 W/ (m2·K)[18]?？紤]到墻體內(nèi)、外的表面輻射，取表面輻射率εr為0.9[20]。此外將絕對零度設為-273.15 ℃，斯忒藩—玻爾茲曼 (Stefan-Boltzmann) 常數(shù)取5.67×10-8W/ (m2·K)[20]。模型中網(wǎng)格單元采用DC2D4 四節(jié)點四邊形傳熱單元。

1.3 穩(wěn)態(tài)傳熱有限元模型的驗證

通過有限元模擬，計算得到達穩(wěn)態(tài)后CLB 墻體和EPS-CLB 墻體的熱流密度，圖1 為3 種墻體的熱流密度模擬值和通過控溫箱—熱流計法測得熱流密度試驗值對比圖。可以看出，模擬值與試驗值吻合較好。

圖1 熱流密度模擬值與試驗值對比Fig.1 Comparison of simulated and experimental values of heat flux density

根據(jù)有限元分析得到的結果和公式 (1)、(2)，可以計算出墻體傳熱系數(shù)的模擬值Ks，見表4。墻體傳熱系數(shù)的試驗值(表2) 與模擬值(表4) 對比可得(表5)，模擬值與試驗值的最大誤差為15.41%，平均誤差為5.67%，其誤差較小，證明了該有限元模型的有效性，說明該模型可以用于墻體的非穩(wěn)態(tài)傳熱分析中。

表4 墻體傳熱系數(shù)模擬值Tab.4 Simulated value of walls' heat transfer coefficient

表5 墻體傳熱系數(shù)試驗值與模擬值對比Tab.5 Comparison between experimental and simulatedvalues of wall heat transfer coefficient

2 非穩(wěn)態(tài)傳熱分析

將墻體受到的太陽輻射轉化為當量溫度，使太陽輻射作用和室外干球溫度能夠相疊加用來分析墻體的非穩(wěn)態(tài)傳熱。建立在受到溫度周期性變化下的5 種不同墻體的有限元模型，分析CLB 墻體的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，并比較EPS 保溫板放置在墻體不同位置處對CLB 墻體傳熱性能的影響。

2.1 太陽輻射當量溫度

基于氣象模型Medpha 中南京市典型氣象年數(shù)據(jù)，通過《建筑熱過程》[21]計算得到朝向為南的墻體所受的直射輻射和散射輻射后，再根據(jù)《民用建筑熱工設計規(guī)范》附錄B.4 和《建筑熱過程》將直射輻射和散射輻射計算為當量溫度后與干球溫度疊加成為綜合溫度，如圖2 所示。

圖2 夏季及冬季室外空氣綜合溫度Fig.2 Comprehensive temperature of outdoor air in summer and winter

從圖2 可得，在夏季中午，太陽輻射引起的等效氣溫增量高達10 ℃之多，在冬季中午，太陽輻射引起的等效氣溫增量也超過了5 ℃，足見太陽輻射的影響之大。因此，在研究建筑墻體溫度荷載作用時，必須考慮太陽輻射的作用。采用Origin 軟件使用正交距離回歸的迭代算法將作用于CLB 外墻的室外綜合溫度荷載擬合成正弦函數(shù)，夏季和冬季室外綜合溫度荷載的擬合結果如圖3 和圖4 所示。

圖3 夏季室外綜合溫度擬合圖Fig.3 Fitting curve of outdoor comprehensive temperature in summer

圖4 冬季室外綜合溫度擬合圖Fig.4 Fitting curve of outdoor comprehensive temperature in winter

2 個擬合曲線的相關系數(shù)(R) 均在0.95 以上，逐時溫度數(shù)據(jù)和擬合函數(shù)對應點的殘差平方均值小于1 ℃，離散數(shù)據(jù)和擬合函數(shù)的相關性較好，擬合的正弦函數(shù)準確度較高。在下一步Abaqus 的非穩(wěn)態(tài)傳熱分析中，將此周期性分布函數(shù)施加為墻體的溫度荷載邊界條件。

2.2 非穩(wěn)態(tài)傳熱有限元模型的建立

為考慮實際墻體外側砂漿抹面的影響，在墻體外側添加10 mm 厚的砂漿層，圖5 是5 種墻體的構造剖面圖。每種墻體總厚度均為160 mm(包含10 mm 砂漿層)，且長、寬均為980 mm，模型參照1.1 中的穩(wěn)態(tài)傳熱模型建立。表6 和表7 分別為部分組成材料的熱物理參數(shù)[18]以及各墻體的詳細構造，其余材料的熱物理參數(shù)見表3。

圖5 5 種墻體模型的構造剖面圖Fig.5 Structural profiles of five kinds of walls models

表6 墻體各組成材料的熱物理參數(shù)Tab.6 Thermal physical parameters of materials used in the wall

表7 5 種墻體的詳細構造Tab.7 Detailed configurations of five kinds of walls

2.3 非穩(wěn)態(tài)傳熱模擬結果與分析

2.3.1 夏季各墻體傳熱變化

由于外保溫式、內(nèi)保溫式和夾心保溫式CLB復合墻體的EPS 泡沫板所在的位置不同，為分析不同保溫層所在位置不同帶來的影響，分別取距離外表面0 (外表面)、10、40、100、160 mm(內(nèi)表面) 處的表面進行分析，圖6 為夏季高溫下墻體各位置溫度隨時間的變化。

從圖6 可以看出，在相同外部溫度荷載作用下，5 種墻體外表面溫度分布并不相同，其中外表面溫度峰值從高到低分別為:外保溫式CLB 復合墻體42.8 ℃、夾心保溫式CLB 復合墻體41.8 ℃、CLB 墻體41.7 ℃、內(nèi)保溫式CLB 復合墻體41.7 ℃、鋼筋混凝土墻體39.5 ℃。原因主要是采用外保溫方式的CLB 復合墻體由于保溫材料的導熱系數(shù)小、熱阻大，使熱量大部分被阻擋在砂漿層和保溫層的局部區(qū)域；而鋼筋混凝土材料相較CLB 材料熱阻更小，所以鋼筋混凝土墻體外表面溫度峰值最小，相對應的是鋼混墻體抵御室外環(huán)境變化的能力最低。由圖6 (b) 可以看出，鋼混墻體的衰減延遲現(xiàn)象最不明顯，墻體內(nèi)表面溫度隨著外部溫度變化產(chǎn)生較大波動，波峰為37.8 ℃，波谷為29.5 ℃，差值達8.3 ℃，內(nèi)外表面波峰的溫差為1.7 ℃。而CLB 墻體內(nèi)表面溫度最高值為34.8 ℃，最低值為32.5 ℃，差值為2.3 ℃，內(nèi)、外表面溫度最高值的差值為6.9 ℃。顯然，CLB 墻體相較于鋼筋混凝土墻體，隔熱性能優(yōu)越，內(nèi)表面溫度變化幅度小，室內(nèi)熱環(huán)境也更為穩(wěn)定，可作為一種優(yōu)異的建筑墻體推廣應用。

圖6 夏季不同墻體各位置處溫度時程曲線Fig.6 Temperature time-history curves of different wall positions in summer

比較圖6 (c)、(d) 和(e)，可以發(fā)現(xiàn)采用外保溫和夾心保溫方式的CLB 墻體在分析的最后1 個周期內(nèi)，內(nèi)表面溫度的波峰與波谷的差值僅為1 ℃左右，而采用內(nèi)保溫方式的CLB 墻體在分析的最后1 個周期內(nèi)，內(nèi)表面溫度的波峰與波谷的差值為3.8 ℃。3 種保溫方式的CLB 墻體在最后1 個周期內(nèi)的內(nèi)表面平均溫度相差小于1 ℃，其中外保溫式CLB 復合墻體的內(nèi)表面平均溫度最低，為33.24 ℃。因此，從保溫性能上來看，在夏季高溫作用下墻體采用外保溫方式最佳。

2.3.2 冬季各墻體傳熱變化

取16 ℃為初始墻體溫度，加載時間設為8 d。其中，圖7 為冬季低溫下墻體各位置溫度隨時間的變化。如圖7 所示，各種墻體在低溫環(huán)境下的內(nèi)部溫度場變化與高溫作用下類似，即各墻體表面溫度隨著室外溫度的變化而發(fā)生周期性的變化，且隨著時間增加逐漸趨于穩(wěn)定。CLB 墻體、鋼筋混凝土墻體、外保溫式墻體、夾心保溫式墻體、內(nèi)保溫式墻體的內(nèi)表面溫度變化幅度分別為2.5、8.5、0.8、1.3 和3.9 ℃?？梢钥闯?，CLB墻體比鋼筋混凝土材料墻體有著更為優(yōu)秀的保溫隔熱性能。同時，保溫層的合理添加可以顯著減少墻體與外部環(huán)境之間的熱交換，減少外部溫度變化對墻體內(nèi)表面溫度即室內(nèi)環(huán)境的影響，并有助于保持室內(nèi)熱條件的穩(wěn)定性和室內(nèi)環(huán)境的舒適性。

圖7 冬季不同墻體各位置處溫度時程曲線Fig.7 Temperature time-history curves of different wall positions in winter

然而，保溫層的不同位置會影響墻體結構層的耐久性。比較40 mm 處各墻體的溫度分布可知，CLB 外保溫復合墻體表面溫度最高點與最低點溫差僅為3.2 ℃，溫度變化明顯小于其他墻體。CLB 夾層保溫復合墻體的溫度變化范圍最大，最高點與最低點溫差為12.5 ℃。在循環(huán)往復作用的情況下，對墻體持力層的長期耐久性，如抗低溫性和抗疲勞性是非常不利的因素。因此，在冬季低溫作用下墻體采用外保溫方式最佳。

3 建筑能耗分析

以南京市的一棟竹結構建筑為原型，通過DeST 建立了采用CLB 墻體的竹結構模型，以分析采用CLB 墻體的竹結構建筑其能耗情況。

3.1 建筑模型

原型建筑為2 層:一層層高3.2 m，二層層高3.0 m，建筑朝向為南向，住宅建筑面積為184.24 m2，體積為667.1 m3，體形系數(shù)為0.49，外墻總面積為291.6 m2，外窗面積為36.72 m2，其中，東、西、南、北的窗墻比分別為0.06、0.06、0.19、0.25。

3.2 模型參數(shù)設置

該建筑各圍護結構(外墻、內(nèi)墻、屋面、樓板、門窗) 的結構構造、熱工參數(shù)及對應的限值見表8。

表8 建筑圍護結構構造和傳熱系數(shù)及對應的限值Tab.8 Heat transfer coefficient and corresponding limits of different enclosure structures

建筑模型房間布局如圖8 所示，住宅總人數(shù)設為5 人，對房間功能類型和人員、燈光、設備熱擾等參數(shù)的設置如表9 所示。

圖8 建筑模型房間布局Fig.8 Room layout of building model

表9 不同房間類型的參數(shù)設置Tab.9 Parameter settings for different room types

根據(jù)《江蘇省居住建筑熱環(huán)境與節(jié)能設計標準》[22]，被動式建筑(無中央空調(diào)和中央供暖系統(tǒng)的節(jié)能建筑) 的室內(nèi)熱環(huán)境計算參數(shù)應滿足以下要求:冬季室內(nèi)平均溫度不低于18 ℃，夏季室內(nèi)平均溫度不高于26 ℃，通風換氣次數(shù)為1.0次/h。

因此，在建筑能耗模擬計算中，冬季室內(nèi)設計溫度取18 ℃，夏季室內(nèi)設計溫度取26 ℃，空調(diào)采用連續(xù)能耗模型。冬季采暖計算時間取當年12 月1 日至次年2 月28 日，歷時90 d；夏季空調(diào)制冷計算時間為當年6 月15 日至8 月31 日，共77 d。采暖空調(diào)設備為家用空氣源熱泵空調(diào)，空調(diào)額定能效比值取3.1。

3.3 能耗模擬結果與分析

利用DeST-h 計算了帶高山墻的竹結構住宅的全年能耗，如表10 所示。竹結構住宅的年累計熱負荷指標為室內(nèi)平均計算溫度保持在18 ℃，單位建筑面積總采暖能耗為33.99 (kW·h)/m2，全年累計冷負荷指標為室內(nèi)平均計算溫度保持在26 ℃，單位建筑面積總制冷能耗為31.54 (kW·h)/m2。由于空調(diào)器的額定能效比為3.1，因此計算出采暖期的耗電量為10.96 (kW·h)/m2，制冷期的耗電量為10.17 (kW·h)/m2。根據(jù)江蘇省《居住建筑熱環(huán)境與節(jié)能設計標準》DGJ32/J 71-2014，被動式建筑的室內(nèi)熱環(huán)境應通過采暖和空調(diào)降溫措施滿足標準要求，建筑用電量之和不得超過規(guī)定的采暖用電量和空調(diào)用電量指標之和，如表11 所示。相比舊標準DGJ32/J 71-2008，新標準要求江蘇省所有住宅建筑的設計符合65%的節(jié)能率。南京是夏熱冬冷地區(qū)，因此用電量指標之和應為22.4 (kW·h)/m2。通過在竹結構住宅外采用CLB 圍護墻，可使建筑達到江蘇省住宅建筑節(jié)能率65%的水平。

表10 CLB 結構建筑模擬結果匯總Tab.10 Summary of simulation results of the CLB building

表11 被動建筑供暖耗熱量、空調(diào)耗冷量、耗電量指標Tab.11 Heating consumption，cooling consumption and power consumption index of passive building

4 結論

本研究將太陽輻射強度轉換為空氣當量溫度，將其與干球溫度相加得到室外綜合溫度。通過有限元模擬5 種墻體的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，探討了不同季節(jié)外保溫、夾層保溫和內(nèi)保溫3 種不同保溫形式的CLB 復合墻體內(nèi)部溫度場隨時間的變化規(guī)律，最后采用DeST 軟件對帶CLB 墻體的竹結構住宅的能耗進行了模擬分析。主要結論如下:

1) 夏季午時太陽輻射引起的等效溫升高達10℃，冬季中午太陽輻射引起的等效溫升也在5 ℃以上，說明日照強度的影響很大。因此，在研究建筑墻體的溫度效應時，必須考慮太陽輻射的影響。

2) CLB 墻體保溫性能優(yōu)于鋼筋混凝土墻體，室內(nèi)熱環(huán)境更穩(wěn)定，可推廣應用。

3) 冬季和夏季的保溫層最合理位置均為CLB墻外側。采用外保溫方法的墻體不僅能顯著減少從外部環(huán)境流入或流出的熱量，使墻體內(nèi)表面即室內(nèi)環(huán)境受室外溫度變化的影響最小化，也可有效降低外界溫度波動對墻體承重持力層的影響，更有利于建筑墻體的耐久性，從而延長建筑圍護墻體的使用壽命。

4) 采用CLB 墻體的竹結構建筑可滿足江蘇省住宅建筑節(jié)能率(65%) 的要求。