濕熱地區墻體傳熱系數實驗室測試溫度研究★

馮旭明 黃嘉樑 李鍔峰 彭 翔 羅陸平

(廣州市建筑材料工業研究所有限公司，廣東省材料與構件防火檢測技術企業重點實驗室，廣東 廣州 510663)

建筑通過圍護結構與環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，各類建筑節能設計標準[1,2]和規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 穩態傳熱性質的測定標定和防護熱箱法[3]規定開展，現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，常規測試中冷熱箱設定溫度與夏熱冬暖地區環境溫度存在明顯差異。基于此，選取濕熱地區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，確定適合濕熱地區墻體傳熱系數測試的溫度范圍，為工程檢測和質量監管提供參考。

1 研究方法

1.1 研究對象

通過前期調研得知，濕熱地區圍護結構常用主體材料為加氣混凝土砌塊，根據節能設計需求，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玻化微珠保溫砂漿+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，在穩定狀態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定的溫度場，通過設置防護箱在計量箱內外保持溫度穩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為熱側環境溫度；Tne為冷側環境溫度，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能性能主要體現在隔熱以節省空調能耗。本地區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室進行養護以減小含水率[8]。本文采用后一種方法，在調節室溫度60 ℃下將試件調節至質量穩定。

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。總體來看，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結果，而測試墻體雖經含水率調節，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。