綠色建筑外墻泡沫混凝土復合墻板傳熱性能檢測

廖榮國

外墻面板是建筑物外部防護結(jié)構(gòu)的主體，其隔熱、節(jié)能效果一般不佳。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，與發(fā)達國家相比，我國建筑外墻單位面積的能源消耗是發(fā)達國家的4 ～5 倍，而與類似氣候條件下的發(fā)達國家相比，我國冬季供暖的能源消耗是其3 ～5 倍[1]。我國的建筑節(jié)能技術(shù)同發(fā)達國家相比，仍有較大的差距，特別是在面積較大的農(nóng)村和城鎮(zhèn)，建筑住宅外護體結(jié)構(gòu)的節(jié)能技術(shù)更落后，大部分僅能達到遮風擋雨的建筑功能。如何在房屋建設中節(jié)約能源，降低外墻面板能耗，是相關(guān)領(lǐng)域研究人員重點關(guān)注的問題[2]。綠色建筑和綠色施工是我國建筑業(yè)今后發(fā)展的重要方向。所以，在大力發(fā)展建筑技術(shù)節(jié)能的背景下，對混凝土結(jié)構(gòu)的新材料和新結(jié)構(gòu)的不斷革新顯得特別重要。

泡沫混凝土復合墻板相對于傳統(tǒng)混凝土墻體結(jié)構(gòu)，具有輕質(zhì)、高強、保溫隔熱、耐火系數(shù)高、施工簡便及可模塊化制造等優(yōu)點，但鋼龍骨的導熱系數(shù)是普通墻體的1000～1500倍，由于其優(yōu)良的傳熱特性，會在龍骨處產(chǎn)生過量的熱量，造成熱橋效應，從而減小墻體的熱阻，提高建筑能耗。基于此，本文將開展綠色建筑外墻泡沫混凝土復合墻板傳熱性能檢測研究。

1 設置泡沫混凝土復合墻板傳熱系數(shù)測量裝置

為了實現(xiàn)對泡沫混凝土復合墻板傳熱性能的準確測定，本文選擇利用泡沫板制作測量裝置。在測量裝置中，利用泡沫混凝土復合墻板將裝置劃分為冷室和熱室[3]。操作示意如圖1所示。

圖1 測量操作示意圖（來源：作者自繪）

在測量的過程中，利用電爐、風扇、空調(diào)等裝置，對室內(nèi)外溫度進行模擬和調(diào)整。對于傳熱性能檢測所需的熱流密度和溫度數(shù)據(jù)等參數(shù)，可通過熱流密度測量儀和溫度采集儀進行采集。在復合墻板的內(nèi)外表面上，對稱安裝有熱流密度探針和熱電偶，而在冷熱室內(nèi)分別懸掛一個熱電偶，用于測量模擬的環(huán)境溫度[4]。復合墻板平均傳熱系數(shù)的計算公式為：

式中：K為復合墻板平均傳熱系數(shù)；q為傳熱量；ΔT為溫度差。在選擇熱流密度測量儀時，為不影響最終的檢測結(jié)果，可選用HFM-8 型號的八通熱流密度測量儀。該熱流密度測量儀的分辨率為0.1 μV，采樣頻率最快可達200 Hz。

2 生成綠色建筑外墻泡沫混凝土復合墻板模型單元

完成對泡沫混凝土復合墻板傳熱系數(shù)測量裝置的設置之后，可基于以下3 個假設條件，生成綠色建筑外墻泡沫混凝土復合墻板模型單元：第1，假設在不考慮復合墻板不同材料之間可能存在接觸熱阻的條件下生成；第2，假設在室內(nèi)外恒溫的條件下生成；第3，假設在忽略內(nèi)外墻面輻射換熱的情況下生成[5-6]。

完成上述假設后，對模型單元的相關(guān)參數(shù)進行合理選擇。在此基礎(chǔ)上，將該問題歸結(jié)為穩(wěn)態(tài)熱傳遞。本文設計了一種泡沫混凝土復合墻板的標準模型，其尺寸參數(shù)如表1 所示。

表1 泡沫混凝土復合墻板材料的尺寸參數(shù) 單位：mm

復合墻板構(gòu)件的尺寸選用國際通用的輕鋼墻體設計標準。墻體的兩邊是隔熱邊界，按照《民用建筑熱工設計規(guī)范》（GB 50176—2016）中的有關(guān)要求，室內(nèi)和室外的對流換熱系數(shù)分別為8.5 和21.4 W/（m2·K）。

3 模型驗證與復合墻板傳熱系數(shù)計算

本文采用分區(qū)熱阻法計算復合墻板的傳熱系數(shù)，再通過模擬計算值進行驗證[7]。結(jié)合上文敘述的對模型單元的3 個假設，將傳熱性能檢測問題轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)傳熱后計算復合墻板的傳熱系數(shù)。如圖2 所示，將復合墻板模型單元劃分為4 個分區(qū)，每個分區(qū)對應的熱阻為Rn，對應的面積為Fn。

圖2 復合墻板熱阻分區(qū)示意圖（來源：作者自繪）

假設復合墻板沿厚度方向上的截面總面積為F0，針對4 個不同分區(qū)，其對應的面積分別為F1、F2、F3、F4。平均熱阻的計算公式為：

式中：Rˉ為平均熱阻；R1、R2、……、Rn為每個分區(qū)的熱阻；Ri為內(nèi)表面換熱阻；Re為外表面換熱阻；φ為修正系數(shù)。

在結(jié)合上述3 個假設條件的基礎(chǔ)上，認定復合墻板的厚度方向截面的熱流密度相同，本文提出了一種計算方法，該方法可以用墻體在壁厚方向上的任何剖面的平均熱流量表示。在此基礎(chǔ)上，計算出墻體模型中各節(jié)點的溫度分布[8]。將溫度—墻板寬度曲線進行積分，然后取平均，就可以得出復合墻板的內(nèi)外表面的平均溫度。這一過程的計算公式為：

在測量的過程中，通過熱箱裝置可以測定標準不開孔條件下泡沫混凝土復合墻板的平均傳熱系數(shù)[9]。對泡沫混凝土復合墻板傳熱系數(shù)的理論計算值、測量值和模擬分析值進行對比分析，可進一步驗證該檢測方法是否適用于泡沫混凝土復合墻板傳熱性能檢測[10]。將完成驗證并合格的檢測方法應用到實際綠色建筑外墻泡沫混凝土復合墻板傳熱性能檢測中，獲取傳熱性能以及相關(guān)參數(shù)結(jié)果，完成檢測。

4 實例應用分析

為了驗證該方法在實際應用中是否能夠?qū)崿F(xiàn)對復合墻板結(jié)構(gòu)傳熱性能的準確檢測，以及哪些因素會影響復合墻板的傳熱性能，設計以下檢測實例。選擇將某綠色建筑中使用的泡沫混凝土復合墻板作為研究對象，實物如圖3 所示。該墻板以寬度1200 mm、高度2400 mm、厚度250 mm 作為一個計算單元，配置15 個高強螺栓。泡沫混凝土復合墻板的主要材料消耗情況如表2 所示。

表2 泡沫混凝土復合墻板的主要材料消耗情況

圖3 測試用泡沫混凝土復合墻板（來源：作者自繪）

在明確該泡沫混凝土復合墻板的基本概況后，為驗證本文檢測方法的應用可行性，選擇將墻板厚度作為變量，應用本文檢測方法，針對不同墻板厚度條件下復合墻板的傳熱系數(shù)進行檢測，將檢測結(jié)果與實際測量得到的傳熱系數(shù)進行對比，若二者的差值不超過0.05 W/（m2·K），則證明該檢測方法具有可行性；反之，若二者之間差值超過0.05 W/（m2·K），則證明該檢測方法的檢測結(jié)果不準確，不具備實際應用可行性。本文檢測方法的檢測結(jié)果與實測結(jié)果如表3 所示。

表3 本文檢測方法的檢測結(jié)果與實測結(jié)果

從表2 可以看出，隨著墻板厚度增加，傳熱系數(shù)檢測結(jié)果和傳熱系數(shù)實測結(jié)果都呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢，在相同墻板厚度條件下，2 種傳熱系數(shù)結(jié)果的差值不超過0.005 W/（m2·K），充分滿足差值不超過0.05 W/（m2·K）的要求。通過上述實例可以證明，本文提出的檢測方法能夠?qū)崿F(xiàn)對泡沫混凝土復合墻板傳熱系數(shù)的高精度檢測，該檢測方法具有極高的應用可行性。在此基礎(chǔ)上，利用該檢測方法對影響泡沫混凝土復合墻板傳熱性能的因素進行研究。以上述選擇的泡沫混凝土復合墻板為研究對象，記錄不同開孔排數(shù)條件下復合墻板的傳熱系數(shù)，得到的檢測結(jié)果如表4 所示。

表4 不同開孔排數(shù)條件下的墻板傳熱系數(shù)

為了更好的體現(xiàn)墻板傳熱系數(shù)的變化，將表4 繪制為曲線圖，如圖4所示。從圖4可以看出，在檢測過程中，隨著孔洞排數(shù)的增加，泡沫混凝土復合墻板的傳熱系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的遞減趨勢。從檢測結(jié)果可以看出，開孔排數(shù)對泡沫混凝土復合墻板的傳熱性能會產(chǎn)生一定影響，二者之間存在一定的負相關(guān)關(guān)系，為確保復合墻板具備較強的傳熱性能，需要合理設置開孔排數(shù)。

圖4 墻板傳熱系數(shù)曲線圖（來源：作者自繪）

5 結(jié)語

綜上所述，本文以綠色建筑外墻泡沫混凝土復合墻板為研究對象，針對其傳熱性能，提出一種全新的檢測方法，并且通過實驗證明了該檢測方法的有效性。在后續(xù)的研究中，為進一步實現(xiàn)對泡沫混凝土復合墻板傳熱性能的掌握，將對不同開孔長度、不同開孔寬度以及復合墻板中不同龍骨厚度條件下的泡沫混凝土復合墻板傳熱性能進行檢測，從而確定具備最優(yōu)傳熱性能的泡沫混凝土復合墻板結(jié)構(gòu)參數(shù)。