李建華，曹萬林

（1.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

在建筑物的屋頂、門、窗和外墻體等圍護(hù)構(gòu)件中，外墻體面積所占比例較大，其保溫隔熱性能對建筑物的整體保溫隔熱性能具有較大影響［1－2］.通過墻體的熱流量由其保溫隔熱性能決定，并與建筑物消耗的采暖或空調(diào)能量成正比［3－4］，一般用傳熱系數(shù)作為衡量圍護(hù)墻體保溫隔熱性能的指標(biāo).

對圍護(hù)墻體熱傳遞的細(xì)化研究是建筑節(jié)能的基礎(chǔ).周理安［5］研究了碎磚類再生細(xì)骨料再生磚墻體的熱工性能；唐響亮［6］對聚苯乙烯板夾心墻的熱工性能進(jìn)行了研究，但上述研究均忽略了墻體所處工作環(huán)境溫、濕度對墻體傳熱系數(shù)理論計(jì)算值的影響.在進(jìn)行細(xì)化研究時(shí)，應(yīng)把溫、濕度作為影響因素考慮進(jìn)去.磚－粉煤灰砌塊復(fù)合墻體作為一種新型墻體構(gòu)造型式，其保溫隔熱性能不同于普通磚墻體，但對其熱工性能尚未見相關(guān)報(bào)道.近些年，部分國內(nèi)外學(xué)者［7－8］在進(jìn)行熱濕環(huán)境對圍護(hù)墻體傳熱性能的影響研究時(shí)，認(rèn)為材料的性能參數(shù)不變或使用求解過程復(fù)雜的函數(shù)表達(dá)式會造成實(shí)際工程設(shè)計(jì)應(yīng)用的不方便.因此，有必要對新型抗震節(jié)能一體化的磚－粉煤灰砌塊夾心復(fù)合墻體進(jìn)行傳熱系數(shù)細(xì)化研究，得出考慮溫、濕度的傳熱系數(shù)工程設(shè)計(jì)計(jì)算方法.

本文對磚－粉煤灰砌塊夾心復(fù)合墻體的傳熱系數(shù)進(jìn)行研究，提出考慮環(huán)境溫、濕度并適用于工程設(shè)計(jì)的傳熱系數(shù)真實(shí)值計(jì)算方法.通過對比分析4種構(gòu)造型式墻體試件傳熱系數(shù)的試驗(yàn)值、理論值及真實(shí)值，證明采用真實(shí)值進(jìn)行設(shè)計(jì)更為合理，為磚－粉煤灰砌塊夾心復(fù)合墻體節(jié)能細(xì)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)及方法.

1 傳熱性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在北京市建筑材料檢驗(yàn)中心進(jìn)行，采用CD－WTF穩(wěn)態(tài)熱傳遞性質(zhì)測定系統(tǒng)，依據(jù)GB／T 13475—2008《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》，對試件傳熱系數(shù)進(jìn)行測定.試驗(yàn)裝置原理是基于一維穩(wěn)態(tài)傳熱原理，將試件置于兩個溫度場的箱體之間，其中的計(jì)量箱（熱室）模擬冬季室內(nèi)空氣溫度、風(fēng)速、輻射條件，冷箱（冷室）模擬冬季室外空氣溫度、風(fēng)速.運(yùn)行穩(wěn)定后，測量試件兩側(cè)的表面溫度、空氣溫度等主要參數(shù)，并計(jì)算試件的傳熱系數(shù).測試裝置如圖1所示.

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱測試裝置Fig.1 Heat transfer test equipment of maintenance structure

測試前先要對測試裝置進(jìn)行標(biāo)定；墻體試件內(nèi)、外面與測試裝置的熱、冷室相對應(yīng).試驗(yàn)步驟為：（1）按測試裝置規(guī)定的尺寸砌筑墻體試件；（2）試件自然干燥28d后移入試件框內(nèi)，并用聚氨酯發(fā)泡劑密封試件與試件框之間的縫隙，待聚氨酯發(fā)泡劑干透后即可將試件框放入測試裝置的冷箱與計(jì)量箱之間；（3）在試件兩側(cè)面各布置9 個溫度傳感器，用測試裝置上自帶扣件連結(jié)試件框與防護(hù)箱；（4）運(yùn)行測試軟件，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：冷箱內(nèi)溫度設(shè)為－10 ℃，計(jì)量箱溫度和防護(hù)箱內(nèi)溫度設(shè)為35 ℃；熱室允許溫差0.1 ℃，冷室允許溫差0.2℃，表面允許溫差0.5 ℃；采集時(shí)間間隔根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為10min；（5）設(shè)置完成后開始試驗(yàn)，若連續(xù)3h熱室允許溫差、冷室允許溫差和表面允許溫差均在允許范圍內(nèi)，即結(jié)束試驗(yàn).

1.2 墻體試件構(gòu)造型式及材料特性

對4種構(gòu)造型式墻體試件進(jìn)行研究：普通磚墻體SJ1，普通磚－粉煤灰砌塊夾心復(fù)合墻體SJ2，再生磚墻體SJ3，再生磚－粉煤灰砌塊夾心復(fù)合墻體SJ4，各構(gòu)造型式墻體試件如圖2所示.

圖2 試件構(gòu)造型式圖Fig.2 Tactic form of wall specimens（size：mm）

經(jīng)過實(shí)測，各試件組成材料的物理參數(shù)為：再生磚砌體密度為1 887 kg／m3；普通磚砌體密度為1 662kg／m3；粉煤灰砌塊密度為564kg／m3.依據(jù)文獻(xiàn)［9］，粉煤灰砌塊導(dǎo)熱系數(shù)為0.155W／（m·K）（平均溫度10℃下測試）；水泥砂漿密度為1 990kg／m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.999W／（m·K）（常溫下測試）.

2 傳熱系數(shù)計(jì)算模型

2.1 理論計(jì)算模型

根據(jù)傳熱系數(shù)理論計(jì)算方法［10］，墻體傳熱系數(shù)K0計(jì)算式為：

式中：RN，RW分別為內(nèi)、外表面換熱阻，（m2·K）／W；Ri（i＝1～n）為組成圍護(hù)結(jié)構(gòu)的第i種材料換熱阻，（m2·K）／W，Ri＝di／λi，其中的di為第i 種材料厚度，m，λi為第i種材料導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）；R0為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻，（m2·K）／W.

2.2 傳熱系數(shù)真實(shí)值計(jì)算方法

2.2.1 導(dǎo)熱系數(shù)真實(shí)值計(jì)算方法

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)主要由組成圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻體材料導(dǎo)熱系數(shù)決定，而墻體材料的導(dǎo)熱系數(shù)是按照測試標(biāo)準(zhǔn)，在特定環(huán)境下按規(guī)定試驗(yàn)方法測出并用于傳熱系數(shù)理論計(jì)算，可稱為導(dǎo)熱系數(shù)參考計(jì)算值.但是，隨著環(huán)境溫、濕度的改變，墻體材料導(dǎo)熱系數(shù)的真實(shí)值與參考計(jì)算值會有差異，造成墻體傳熱系數(shù)實(shí)際值與按公式（1）計(jì)算出的理論值出現(xiàn)偏差，影響節(jié)能設(shè)計(jì).因此，需對材料處于不同環(huán)境中的導(dǎo)熱系數(shù)真實(shí)值進(jìn)行研究，并把研究成果應(yīng)用于傳熱系數(shù)計(jì)算中.

根據(jù)材料的構(gòu)造和傳熱機(jī)理，材料導(dǎo)熱系數(shù)真實(shí)值λeff由固體當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)λΔ、氣體當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)λo、當(dāng)量輻射導(dǎo)熱系數(shù)λγ、當(dāng)量相變化導(dǎo)熱系數(shù)λj、當(dāng)量水導(dǎo)熱系數(shù)λ′w和當(dāng)量冰導(dǎo)熱系數(shù)λ″w組成，即：

現(xiàn)有理論計(jì)算所采用的導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)測值λ已考慮了特定條件下固體當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)λΔ、氣體當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)λo、當(dāng)量輻射導(dǎo)熱系數(shù)λγ、當(dāng)量相變化導(dǎo)熱系數(shù)λj，因此在實(shí)際工作環(huán)境中，上式可簡化為：

式中：Δλt為溫差引起的導(dǎo)熱系數(shù)改變量；為質(zhì)量濕度（（材料含水量／材料干質(zhì)量）×100%）改變引起的導(dǎo)熱系數(shù)改變量；為結(jié)冰引起的導(dǎo)熱系數(shù)改變量；λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)參考計(jì)算值.

上述式中：λt為材料平均溫度為t時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，Δλt＝λt－λ；λw為含濕材料的導(dǎo)熱系數(shù)，＝λwλ；δw為濕度修正系數(shù)，δw＝1.15γ2－6.05γ＋14.3，其中的γ為材料密度；wV為要修正材料的容積濕度（（材料每日冷凝水量×材料密度／水的密度）×100%）；λ0℃為材料平均溫度為0℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù).

溫度對粉煤灰砌塊導(dǎo)熱系數(shù)的影響仍可用式（4）表示；濕度對粉煤灰砌塊導(dǎo)熱系數(shù)的影響可用下式表示［12］：

依據(jù)文獻(xiàn)［9］中水泥砂漿、粉煤灰砌塊等導(dǎo)熱系數(shù)測試標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過換算后，可得到水泥砂漿和粉煤灰砌塊的λ0℃分別為0.808 5，0.130 0W／（m·K）.

依據(jù)文獻(xiàn)［13］，當(dāng)墻體內(nèi)出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象時(shí)，其每日的冷凝量wg可表示為：

式中：pA，pB分別為分壓力較高一側(cè)和較低一側(cè)空氣中的水蒸氣分壓力，Pa；ps，c為冷凝界面處的飽和水蒸氣分壓力，Pa；H0，i，H0，e分別為在冷凝界面水蒸氣流入一側(cè)和流出一側(cè)的水蒸氣滲透阻，（m2·h·Pa）／g.

試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，故結(jié)冰量的計(jì)算可忽略.

2.2.2 傳熱系數(shù)真實(shí)值計(jì)算原理

實(shí)際情況中，材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫、濕度的變化而變化，因此需對材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行溫、濕度修正.在一維傳熱計(jì)算過程中，始終滿足以下方程：

式中：q為熱流量，W／m2；qi為墻體內(nèi)表面熱流量，W／m2；qe為墻體外表面熱流量，W／m2；qλ為 通過墻體的熱流量，W／m2；θm為多層平壁內(nèi)任一層的內(nèi)表面溫度，K；te為室外空氣溫度，K；Rm（m＝1，2，…，n）為傳熱阻，（m2·K）／W；ti為室內(nèi)空氣溫度，K.

另外有：

式中：ω 為水蒸氣滲透強(qiáng)度，g／（m2·h）；pi，pe分別為室內(nèi)空氣和室外空氣中的水蒸氣分壓力，Pa；H0為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總水蒸氣滲透阻，（m2·h·Pa）／g；Hm（m＝1，2，…，n）為各組成材料的水蒸氣滲透阻，（m2·h·Pa）／g；pm（m＝1，2，…，n）為多層平壁內(nèi)任一層內(nèi)表面的水蒸氣分壓力，Pa.

2.2.3 傳熱系數(shù)真實(shí)值計(jì)算流程

墻體試件傳熱系數(shù)真實(shí)值計(jì)算過程如圖3所示.

圖3 墻體傳熱系數(shù)真實(shí)值計(jì)算流程Fig.3 Process of calculating actual value of heat transfer coefficient

2.3 傳熱系數(shù)測定系統(tǒng)測試原理

通過CD－WTF穩(wěn)態(tài)熱傳遞性質(zhì)測定系統(tǒng)，測量出試件兩側(cè)的表面溫度、空氣溫度、熱側(cè)及冷側(cè)導(dǎo)流屏的表面溫度、計(jì)量箱內(nèi)外表面溫差以及輸入熱室內(nèi)的電加熱器功率等主要參數(shù)，可計(jì)算通過計(jì)量箱壁的熱流量q1，進(jìn)而計(jì)算出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)［14］.計(jì)算式如下所示：

式中：M1為計(jì)量箱壁熱流系數(shù)，本試驗(yàn)使用的儀器通過標(biāo)定后取5.991 W／（m2·K）；tis為計(jì)量箱（熱室）內(nèi)表面溫度，K；tes為熱室外表面溫度，K；tni為熱側(cè)環(huán)境溫度，K；tne為冷側(cè)環(huán)境溫度，K；A 為計(jì)量箱計(jì)算面積，m2；qp為總輸入熱流量，W／m2；q1為通過計(jì)量箱壁的熱流量，W／m2.

3 結(jié)果及討論

3.1 墻體傳熱系數(shù)試驗(yàn)值、理論值及真實(shí)值

根據(jù)墻體傳熱系數(shù)測試數(shù)據(jù)，依據(jù)公式（12），（13），可計(jì)算出4種墻體試件傳熱系數(shù)的試驗(yàn)值.對于SJ1和SJ3試件而言，可將傳熱系數(shù)試驗(yàn)值代入式（1），（4），從而計(jì)算出再生磚墻體及普通磚墻體的λ0℃分別為0.616，0.435 69 W／（m·K）.對于本文主要研究對象SJ2和SJ4試件而言，則可依據(jù)式（1）計(jì)算出傳熱導(dǎo)數(shù)的理論值.同時(shí)依據(jù)真實(shí)值計(jì)算流程（圖3），又可計(jì)算出試驗(yàn)條件下傳熱系數(shù)真實(shí)值，其結(jié)果如表1所示.

表1 墻體傳熱系數(shù)試驗(yàn)值、理論值及真實(shí)值對比Table 1 Comparison between experimental values，theoretical values and actual values of wall heat transfer coefficients W／（m2·K）

3.2 結(jié)果分析

（1）SJ2，SJ4試件的傳熱系數(shù)理論值、真實(shí)值均小于試驗(yàn)值，原因?yàn)椋海╝）依據(jù)文獻(xiàn)［9］采用的邊界層熱阻和材料導(dǎo)熱系數(shù)與材料真實(shí)導(dǎo)熱系數(shù)有差異，從而造成這3個數(shù)值產(chǎn)生差異；（b）理論值沒有考慮材料溫度、濕度變化對導(dǎo)熱系數(shù)的影響，造成理論值及真實(shí)值與試驗(yàn)值有差異，但通過修正的真實(shí)值與試驗(yàn)值較為接近，誤差更小.

（2）由表1可知，SJ2試件在SJ1試件的基礎(chǔ)上復(fù)合了120 mm 粉煤灰砌塊后，其傳熱系數(shù)降低了51%，保溫性能顯著提高；SJ4試件在SJ3試件的基礎(chǔ)上復(fù)合了120mm 粉煤灰砌塊后，其傳熱系數(shù)降低了60%.SJ3試件的傳熱系數(shù)試驗(yàn)值比SJ1試件大27%，而在它們的基礎(chǔ)上復(fù)合了120mm 粉煤灰砌塊后，SJ4 試件和SJ2 試件的傳熱系數(shù)差值降為3.8%.由此可知，粉煤灰砌塊對墻體傳熱系數(shù)的影響明顯，它能顯著提高墻體的保溫性能.

（3）由表1可知，SJ2試件和SJ4試件的傳熱系數(shù)真實(shí)值均大于理論值，且與試驗(yàn)值更接近.SJ2試件的傳熱系數(shù)理論值比試驗(yàn)值小8.5%，真實(shí)值比試驗(yàn)值小3.7%；SJ4試件的傳熱系數(shù)理論值比試驗(yàn)值小3.0%，真實(shí)值比試驗(yàn)值小0.36%.說明通過修正的傳熱系數(shù)真實(shí)值能更精確地反映試件的實(shí)際工作狀況，用于設(shè)計(jì)中更加合理.

4 結(jié)論

（1）根據(jù)磚、水泥砂漿和粉煤灰砌塊導(dǎo)熱系數(shù)的特點(diǎn)及其分別與溫度、濕度的關(guān)系，得出材料導(dǎo)熱系數(shù)真實(shí)值計(jì)算表達(dá)式，并提出了磚－粉煤灰砌塊夾心復(fù)合墻體傳熱系數(shù)真實(shí)值計(jì)算方法.

（2）普通磚墻體與再生磚墻體的傳熱系數(shù)差值較大，兩者均復(fù)合粉煤灰砌塊后，該差值明顯變小.粉煤灰砌塊應(yīng)用于墻體中，可顯著提高墻體的保溫性能；再生磚應(yīng)用于磚－粉煤灰砌塊夾心復(fù)合墻體中，在保溫性能方面與使用普通磚區(qū)別不大.

（3）通過對普通磚－粉煤灰砌塊夾心復(fù)合墻體和再生磚－粉煤灰砌塊夾心復(fù)合墻體傳熱系數(shù)試驗(yàn)值、理論值及真實(shí)值分析可知，傳熱系數(shù)真實(shí)值的計(jì)算方法更準(zhǔn)確合理，工程設(shè)計(jì)時(shí)采用傳熱系數(shù)真實(shí)值更符合實(shí)際情況，且能達(dá)到更好的節(jié)能效果.

［1］PENG C，WU Z.In situ measuring and evaluating the thermal resistance of building construction［J］.Energy and Buildings，2008，40（11）：2076－2082.

［2］XU X，WANG S.Optimal simplified thermal models of building envelope based on frequency domain regression using genetic algorithm［J］.Energy and Buildings，2007，39（5）：525－536.

［3］HUANG C L D，SIANG H H.Heat and moisture transfer in concrete slabs［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1979，22（2）：257－266.

［4］NASRALLAH S B，PERRE P.Detailed study of a model of heat and mass transfer during convective drying of porous media［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1988，31（5）：957－967.

［5］周理安.建筑垃圾再生磚制備技術(shù)及其性能研究［D］.北京：北京建筑工程學(xué)院，2010.ZHOU Li′an.Study on productive technology and performance of construction waste recycled brick［D］.Beijing：Beijing Institute of Civil Engineering and Construction，2010.（in Chinese）

［6］唐響亮.夏熱冬冷地區(qū)夾芯墻的熱濕性研究［D］.長沙：湖南科技大學(xué)，2011.TANG Xiangliang.Research on the thermal and moisture performance of cavity wall in hot summer and cold winter zone［D］.Changsha：Hunan University of Science and Technology，2011.（in Chinese）

［7］VRANA T，BJORK F.A laboratory equipment for the study of moisture processes in thermal insulation materials when placed in a temperature field［J］.Construction and Building Materials，2008，22（12）：2335－2344.

［8］PAVLIK Z，CERNY R.Hygrothermal performance study of an innovative interior thermal insulation system［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29（10）：1941－1946.

［9］周輝，錢美麗，馮金秋，等.建筑材料熱物理性能與數(shù)據(jù)手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：128－140.ZHOU Hui，QIAN Meili，F(xiàn)ENG Jinqiu，et al.The manuals of building material thermal physical properties and data［M］.Beijing：Building Industry Press of China，2010：128－140.（in Chinese）

［10］陳仲林，唐鳴放.建筑物理［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：31－33.CHEN Zhonglin，TANG Mingfang.Building physics［M］.Beijing：Building Industry Press of China，2009：31－33.（in Chinese）

［11］陳啟高.建筑熱物理基礎(chǔ)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1991：59－163.CHEN Qigao.The basis of building thermal physical［M］.Xi’an：Xi’an Jiaotong University Press，1991：59－163.（in Chinese）

［12］黃建恩，閆加賀，呂恒林，等.自然干燥狀態(tài)下粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究［J］.新型建筑材料，2012（9）：49－51，65.HUANG Jian'en，YAN Jiahe，Lü Henglin，et al.Experimental study on thermal conductivity of fly ash autoclaved aerated concrete block drying in natural environment［J］.New Building Materials，2012（9）：49－51，65.（in Chinese）

［13］葉歆.建筑熱環(huán)境［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1996：37.YE Xin.Thermal environment for building［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1996：37.（in Chinese）

［14］GB／T 13475—2008 絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定標(biāo)定和防護(hù)熱箱法［S］.GB／T 13475—2008 Thermal insulation－determination of steady－state thermal transmission properties—Calibrated and guard hot box［S］.（in Chinese）