轻型木结构墙体材料传热数值分析

轻型木结构墙体材料传热数值分析

随着世界低碳经济时代的到来，全面推进建筑节水已成为科技活动的重点。结构建筑注重可再生资源的利用、能耗的控制、生态环境的保护和居民的健康舒适生活环境，适应了现代建筑的发展理念。目前，在国家政策、科研机构和行业协会的积极支持下，低碳节能和结构木材建筑材料的技术和性能的研究越来越受到重视，结构木材建筑材料的数量也在增加。研究木结构复合墙体的稳态传热特性,有利于揭示节能保温机理,可为新型墙体材料和结构体系的开发研究奠定基础.本文采用国产杉木规格材、落叶松结构胶合板等材料,进行了轻型木结构墙体结构设计;选用不同类型的覆面板和保温材料及其组合方式,制备了12种新型试验墙体;通过传热数值计算得到了墙体结构中各层材料的温度,并与其热箱试验检测温度进行了对比;探讨了墙体的温度分布规律及各材料对传热的影响,以期为今后预制墙体的节能保温设计提供参考依据.1试验材料和方法1.1带皮的钢板bc选用截面尺寸分别为45mm×90mm,45mm×140mm的杉木规格材(CF)和厚度为11mm的落叶松结构胶合板(BB);采用12mm厚的防潮型石膏板(GB)作为内墙材料,选用岩棉(RW)、聚苯乙烯泡沫塑料板(EPS)、挤塑聚苯乙烯泡沫板(XPS)作为墙体保温层.参考国外轻型木结构住宅墙体的设计形式,结合GB50005—2003《木结构设计规范》要求,轻型木结构复合墙体结构设计如图1所示,其中阴影为木墙骨,黑点为温度测点.1.2基本热物理参数轻型木结构墙体构成见表1.1#～7#木墙骨截面尺寸为45mm×90mm,8#～12#木墙骨截面尺寸为45mm×140mm.各层材料基本热物理参数见表2.1.3轻结构墙体单元模型轻型木结构墙体传热过程为表面换热和结构传热.表面换热是对流与辐射换热量之和.墙体结构传热以导热为主.轻型木结构墙体由不同材料单元组成,导热单元如图2所示,节点i与节点i+1之间有:qi=Ki(Ti-Ti+1)(1)qi+1=Ki(Ti+1-Ti)(2)式中:Ki(i=1,2,3,……n)为各材料单元的传热系数,W/(m2·K);Ti,Ti+1为材料单元两壁面的温度,K;qi,qi+1为材料单元两壁面热流密度,W/m2.根据能量守恒定律:qi+qi+1=0(3)则有:(qiqi+1)=Ki(1−1−11)(TiTi+1)(4)(qiqi+1)=Κi(1-1-11)(ΤiΤi+1)(4)同理,对于表面换热单元有:(qiqi+1)=α(1−1−11)(TiTi+1)(5)(qiqi+1)=α(1-1-11)(ΤiΤi+1)(5)式中:α为表面换热系数,W/(m2·K).图3为轻型木结构墙体组成单元,其单元模型如图4所示,图4中:K为各材料传热系数,W/(m2·K);αi,αe为墙体内、外表面换热系数,W/(m2·K),根据GB50176—93《民用热工建筑设计规范》,分别取8.7,23.0W/(m2·k).对于稳态传热过程,轻型木结构墙体传热矩阵为:⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜αi+KGB−KGB000−KGBKGB+KRW(CF)−KRW(CF)000−KRW(CF)KRW(CF)+KBB−KBB000−KBBKBB+KEPS(XPS)−KEPS(XPS)000−KEPS(XPS)KEPS(XPS)+αe⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜t1t2t3t4t5⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟=⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜αiti000αete⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟(6)(αi+ΚGB-ΚGB000-ΚGBΚGB+ΚRW(CF)-ΚRW(CF)000-ΚRW(CF)ΚRW(CF)+ΚBB-ΚBB000-ΚBBΚBB+ΚEΡS(XΡS)-ΚEΡS(XΡS)000-ΚEΡS(XΡS)ΚEΡS(XΡS)+αe)(t1t2t3t4t5)=(αiti000αete)(6)式中:t1～t5分别为墙体从内到外各界面层温度,℃;ti,te为墙体内、外侧气温,℃.根据材料导热系数、墙体内外侧气温和内外表面换热系数,解方程可得到轻型木结构墙体内部木墙骨位置(f)和岩棉填充位置(i)的各层材料温度.1.4热箱检测方法按照GB/T13475—2008《建筑构件稳态热传递性质的测定——标定和防护热箱法》进行热箱检测.热箱结构如图5所示,它由冷箱、热箱和试件框3部分组成.在墙体试件表面和各材料单元中布置热电偶,采用热流/温度巡检仪采集记录温度数据.1.5稳态条件下墙体热箱与冷箱的温度检测由于12种轻型木结构墙体的组成材料和构造形式不同,各层材料的温度不同,导致墙体保温性能存在差异.本文传热数值计算的边界条件为墙体试件检测时热箱和冷箱的气温(见表3),温度检测选取2#墙体,并在其内部各相应计算节点布置热电偶,安装在热箱中,连接温度/热流巡检仪读取并储存不同时刻的检测温度,经2次重复测试(边界条件见表3中2#-1,2#-2),可得到稳态条件下2#墙体各界面层测点的温度.2结果与讨论2.1墙体材料单元温度与检测值对比经计算,得到12种轻型木结构墙体各材料单元的温度分布如图6所示.由图6可以看出,墙体从内到外温度呈下降趋势.为验证数值计算结果的可靠性,采用热箱—热流计法对2#墙体各层材料的温度进行了检测.在木墙骨和岩棉填充位置温度计算值与检测值如图7所示.由图7可以看出,温度计算值与检测值基本吻合,只有木墙骨位置的石膏板内外表面温度计算值与检测值相差1.2～2.5℃(见表4),这与木材在实际热环境中具有一定的蓄热能力有关,热量的蓄积会导致与木墙骨接触位置石膏板内外表面的实际温度比计算值略高.除此之外,其他材料单元的温度计算值与检测值相差不超过1℃.采用F检验方法对墙体各材料单元温度的计算值和检测值进行了差异性检验,结果表明,在0.01水平下计算值与检测值差异不显著,因此判定两者之间具有高度的一致性,证明轻型木结构墙体材料单元温度计算结果准确可靠.2.2岩棉两侧高差比较采用保温层设置在墙体外侧的外保温技术,可使木框架主体结构温度更接近室内温度,缓冲外界环境温度变化导致的结构应力,从而避免各种环境条件(如雨、雪、冻、融等)对墙体结构造成破坏.试验墙体中,4#～9#,11#,12#墙体均带有外保温覆面.图8为有无外保温材料墙体的木墙骨和岩棉两侧温差比较.由图8可见,在木墙骨厚度为90mm的墙体中,具有外保温覆面的4#～7#墙体比无外保温覆面的2#墙体木墙骨两侧温差小9.0～10.8℃,岩棉两侧的温差小5.8～7.9℃;在木墙骨厚度为140mm的墙体中,具有外保温覆面的8#,9#,11#,12#墙体比无外保温覆面的10#墙体木墙骨两侧温差小9.6～11.4℃,岩棉两侧的温差小5.6～7.1℃.这充分说明外保温构造可使墙体内部温度下降减缓.由图6可以看出,具有外保温构造墙体的木墙骨位置外保温材料两侧温差为12.6～18.1℃,岩棉填充位置外保温材料两侧温差为6.5～11.3℃,即木墙骨位置外保温材料两侧的温差大于岩棉填充位置.这说明保温材料外覆面可减少木框架因“热桥”作用所造成的热量损失,而且这种阻隔热量传递效果在杉木规格材墙骨截面为45mm×90mm的墙体中比在墙骨截面为45mm×140mm的墙体中表现更为明显.2.3各墙体的温度波场夹芯保温是一种将绝热材料放置在墙体内外覆面板之间的保温隔热形式.这种保温形式可提高整个墙体的保温性能.由图6可以看出,每个试验墙体岩棉两侧的温差均大于木墙骨两侧的温差(两者相差3.6～7.9℃),其温度下降幅度较大.这说明夹芯保温材料(岩棉)有效阻碍了墙体的热量传递,可明显提高其保温性能.2.4木墙骨厚度.表5列出了2种截面尺寸45mm×90mm,45mm×140mm的木墙骨位置和岩棉位置两侧的温差,其中2#,4#～7#墙体的木墙骨厚度为90mm,8#～12#墙体的木墙骨厚度为140mm.由表5可见,木墙骨厚度增加50mm,其两侧温差增大3.0～3.7℃,夹芯保温层两侧温差增大2.8～4.1℃.这是由于木墙骨厚度的增加,一方面增加了杉木规格材的阻碍热量传递的作用,另一方面为岩棉填充提供了更大的空间,而岩棉厚度的增加能更有效提高墙体的保温性能.因此,在严寒地区,增加木墙骨的厚度不失为有效节能的重要措施.综上所述,采用传热数值计算方法得到墙体各层温度分布切实可行,由此可知单元材料对外界环境的温度响应,从而为墙体的保温节能设计提供参考依据.3墙体热设计及热性能分析(1)对轻型木结构墙体进行传热数值计算,得到