譚儼珂，喻啟杭，張其林，*，劉怡吟，常治國

（1.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；2.上海同磊土木工程有限公司，上海 200092）

隨著裝配式建筑相關概念的不斷深化，具有良好環(huán)保節(jié)能性能，與后期裝飾工程一體化完成，不主要承受結構荷載的建筑外墻板成為了裝配式技術應用最為廣泛的領域之一［1］.裝配式復合外墻板通過設置多個功能面層實現(xiàn)其保溫、防火、隔聲、裝飾等功能［2］.其中，熱工性能是保證建筑圍護結構節(jié)能環(huán)保最為重要的指標之一［3-4］.

目前在常見的復合外墻板體系中充當保溫隔熱材料的主要有：蒸壓加氣混凝土（ALC）、玻璃纖維氈（GF）等［5-7］.而擠塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）作為一種有機材料，具有更高的絕熱性能和抗蒸汽滲透性能；但由于其可燃性，很難在建筑外墻板中單獨作為絕熱材料使用，致使其應用范圍受限［8-9］.隨著XPS制作工藝更新迭代，通過添加氫氧化鋁等阻燃劑，可制備具有足夠耐火性能的B1級乃至防火性能更高的XPS板材，使XPS在建筑節(jié)能領域得到了更為廣泛的應用［10］.

盡管XPS的使用性能較優(yōu)，但是其質地較軟.為滿足作為外墻板的吊掛、抗折等基本要求，本文通過一系列改進的填充材料加固措施，同時考慮外墻板裝飾一體化的概念，提出了一種新型XPS復合外墻板（SP-X）體系.對于復合外墻板體系而言，單獨的填充材料熱工性能并不能證明其優(yōu)越性［11-13］，因而對墻板體系整體的熱工性能研究具有重要意義.本文通過防護熱箱法對XPS復合外墻板和傳統(tǒng)ALC復合外墻板（SP-A）進行熱工性能對比試驗，并通過試驗結果標定有限元模型（FEA），進行參數(shù)化分析，以期獲得更為經濟合理的復合外墻板形式.

1 試驗

1.1 新型復合外墻板構造及試件信息

新型復合外墻板采用C120×60×20×3冷彎卷邊槽鋼作為水平龍骨并開孔，豎向龍骨采用F100×50×4冷彎矩形方鋼管，穿過水平龍骨所開孔，兩者通過螺栓固定并在角部加腋形成主體框架，鋼材均為Q345鋼.為使復合外墻板體系在吊裝和使用過程中發(fā)生彎折、碰撞時仍能正常工作，在龍骨外增加一層厚0.4 mm的壓型鋼板YX35-125-750以提高面外剛度，同時其表面可供各面層有效附著于主體結構上.采用厚20 mm的B1級XPS板，通過“端部放大”的塑料螺釘固定以避免開裂和形成熱橋.內、外飾面板分別用自攻螺釘安裝在龍骨內側和XPS板外側.復合外墻板四周采用垂直Z字形鋁制收邊件進行收邊并二次固定，試件尺寸為1.40 m×1.40 m×0.21 m.相鄰2塊外墻板單元的收邊件之間可形成安置防水膠條的空腔.收邊鋁件、壓型鋼板和內部三級緊固件形成新型加勁體系，保證XPS絕熱性能正常發(fā)揮、各部件之間協(xié)同工作.復合外墻板體系的構造見圖1.

圖1 復合外墻板體系的構造Fig.1 Composite external wallboard structure

各材料熱物理參數(shù)如表1所示.由表1可見，XPS在密度、導熱系數(shù)和比熱容上均優(yōu)于ALC.

表1 各材料熱物理參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of materials

1.2 試驗方法

參照GB/T 13475—2008《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質的測定標定和防護熱箱法》，采用防護熱箱法對試件的熱工性能進行測定.當防護熱箱中的冷、熱兩箱處于均勻溫度邊界條件時，通過測量箱內空氣溫度、試件夾持框表面溫度和輸入冷、熱箱功率來計算試件傳熱，進而得到試件的熱工性能.在試件冷、熱箱內按圖2所示各布置9個熱電偶（熱箱熱電偶為C1～C9，冷箱熱電偶為C10～C18）.同時，為提高試驗準確性，避免熱量過多逸散，在試件周圍增加已知傳熱系數(shù)為0.037 W/（m2·K）的勻質填充層進行封閉，其厚度為0.2 m，參與傳熱表面積為0.29 m2.根據(jù)試驗開始時冷、熱箱的溫度，通過控制熱箱加熱功率或冷箱降溫功率，使得冷、熱箱溫差維持在（40.0±1.0）℃，其中冷箱平均溫度為（-20.0±0.5）℃，熱箱平均溫度為（20.0±0.5）℃.待體系穩(wěn)定后（溫度保持恒定60 min以上），測量各表面溫度并計算試件傳熱系數(shù).采集頻率為1次/min，試驗總時長為600 min.

圖2 試驗設備及熱電偶布置Fig.2 Test equipment and layout of thermocouples（size：mm）

在測量大熱阻試件時，表面熱阻遠小于試件熱阻，即試件表面溫度與其所在側的箱內溫度極為接近，經由試件傳遞的熱流量ΦSP可按式（1）計算，圖2中TEX、TC、TH分 別 為 外 部 溫 度、冷 箱 溫度、熱箱溫度.

式中：Φ為加熱器加熱功率；ΦINS為試件周圍填充物熱流量；M1、M2分別為夾持邊框熱流系數(shù)和熱箱向外界傳熱的熱流系數(shù)，試驗前經標準件標定，分別為6.480、0.617 W/K分別為夾持邊框兩側平均溫差和熱箱內外平均溫差.

試件傳熱系數(shù)K的表達式如下：

式中：ASP為試件表面積為冷、熱箱平均溫差.

2 參數(shù)化分析方法

為進一步優(yōu)化新型XPS復合外墻板的熱工性能，需對復合外墻板體系進行參數(shù)化分析.復合外墻板體系中存在較多可調整的構造參數(shù)，諸如：龍骨間距、螺栓密度、各面層厚度等.合適的構造參數(shù)組合在不影響其余使用性能的前提下既具有合理的自重和生產成本，也將帶來較高的熱工性能表現(xiàn).這對該新型復合外墻板的優(yōu)化設計具有重要意義.

熱力學有限元法是合適的參數(shù)化分析方法，復合外墻板的熱力學有限元模型首先應按照試件的原型來建立并與試驗結果進行比對，進而再按照參數(shù)變化陣列來計算.參數(shù)化分析在Abaqus2016軟件中進行.采用瞬態(tài)熱傳遞（heat-transfer transient）分析步來模擬全過程試件熱傳遞，復合外墻板模型均采用1階實體熱傳導單元DC3D8進行建模.其中，由于試驗環(huán)境內無強制氣流，考慮復合外墻板模型的內外表面與冷、熱箱氣體之間發(fā)生表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為25.000 W/（m2·K）的自由對流換熱（film condition）；同時考慮該部分由表面向外的熱輻射（radiation to ambient），取史蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)為5.67×10-8W/（m2·K4），輻射率為0.93；試件內部相互接觸的固體表面，如龍骨骨架與內飾面板或壓型鋼板的連接處設置為綁定約束（tie），使其溫度變化在接觸面上連續(xù)；而試件內部由空氣層隔開的多組表面，如由龍骨隔開的內飾面板與壓型鋼板之間、壓型鋼板空腔與XPS保溫層之間的表面，均賦予其根據(jù)實際間距而變化的接觸對屬性（thermal conductance）.有限元模型網格及熱傳遞分析設置如圖3所示.

圖3 有限元模型網格及熱傳遞分析設置Fig.3 Model mesh and settings of heat transfer finite element analysis

對于只有幾何條件發(fā)生變化的各陣列參數(shù)化模型，將扣除損失的熱箱加熱功率及冷箱降溫功率均作為熱通量時間序列，施加在復合外墻板模型的對應外表面上，同時考慮復合外墻板四周側面絕熱（損失熱量已經排除），進行熱工性能分析.

3 結果與分析

3.1 結果驗證及熱工性能評估

3.1.1 溫度變化對比

ALC復合外墻板的溫度變化過程及數(shù)值模擬結果如圖4所示.由圖4可見：在試驗開始時，冷箱初始平均溫度為-10.2℃，熱箱初始平均溫度為24.3℃，故應選擇對冷箱降溫的方式來控制ALC復合外墻板的溫差；在試驗的前200 min，對冷箱施加平均141 W的降溫功率，使得在試驗前2 h內冷箱溫度急劇下降至-18.0℃.隨著冷箱溫度接近目標值，降溫功率降低，冷箱降溫速率減慢，在之后的3 h內逐漸降低至最低的-21.5℃，隨后由于降溫器退出工作而回溫.與之同步，由于溫差的存在，熱箱在試驗全過程中均向冷箱傳熱而使其自身降溫，由于兩側溫差在試驗前5 h內均在40.0～45.0℃內變化，溫度梯度變化不明顯，使得在ALC復合外墻板內傳熱速率幾乎保持不變，即熱箱的降溫曲線基本為線性.

圖4 ALC復合外墻板的溫度變化過程及數(shù)值模擬結果Fig.4 Test and simulation results of temperature curve of ALC external wallboard

為使ALC復合外墻板的兩側溫度能在規(guī)定時間內達到目標值，在冷箱開始回溫之后，在約330 min時對熱箱輸入小幅加熱功率幫助其升溫，之后可發(fā)現(xiàn)，熱箱平均溫度呈較快速度上升，在1 h內回升到21℃，同時冷箱溫度以較低速率恢復到略低于-20℃的水平.在試驗開始400 min后，停止所有外界功率輸入，經過一段時間的傳熱和溫度波動，最終使得冷、熱箱溫度在8 h左右達到規(guī)定值并維持穩(wěn)定.

圖5為XPS復合外墻板的溫度變化過程及數(shù)值模擬結果.由圖5可見，冷箱初始溫度為-5.0℃，因此仍然采用給冷箱降溫的辦法對XPS復合外墻板進行試驗.考慮到XPS復合外墻板預估的熱工性能較好，能更好地阻止熱箱傳來的熱量，故而降低了降溫功率，以免冷箱因不能及時得到熱箱的熱能而迅速降溫，取平均降溫功率為76 W.盡管如此，圖5中XPS復合外墻板的冷箱溫度曲線仍然較ALC復合外墻板陡峭，這初步揭示了ALC復合外墻板傳熱速率低的性能，使得更大份額的降溫功率都只作用在了冷箱范圍內.冷箱在80 min內溫度降到目標值，降溫設備在120 min時關閉，此時冷箱溫度達到最低（-22.0℃）.

圖5 XPS復合外墻板的溫度變化過程及數(shù)值模擬結果Fig.5 Test and simulation results of temperature curve of XPS external wallboard specimen

同理，XPS復合外墻板熱箱的降溫速度也較ALC復合外墻板慢，在500 min后才從30.6℃降低為20.0℃.考慮到復合外墻板自身在試驗開始前未進行冷藏，其溫度與熱箱內初始溫度較為接近，故在試驗初期，降溫曲線有一小段平直區(qū)，這是復合外墻板自身適應溫差的過程.

將相同升、降溫過程的功率時程去除熱量損失后輸入有限元模型，得到冷、熱箱溫度的數(shù)值模擬結果（見圖4、5），其與試驗結果吻合較好，最終表面平均溫度相對誤差可控制在2%以內.

3.1.2 傳熱機制及熱工性能評價

無論是在ALC還是XPS復合外墻板試件中，由緊固件連接或膠接（外飾面砂漿層）的材料界面?zhèn)鳠峥偸强煊谟煽涨桓糸_的表面.這導致龍骨內外側的材料層面中，高溫一側表面與骨架接觸的部位溫度較其余部位低；低溫一側接觸部位溫度較其余部位高，即內部存在龍骨骨架的位置傳熱較快，形成了熱橋，如圖6所示.這種現(xiàn)象也出現(xiàn)在壓型鋼板內外側層面上，與其接觸的XPS表面溫度較周圍位置低，但總的來看，由于壓型鋼板的波紋形狀，形成了交錯的天然空腔，其中的氣體能儲存大量熱量，使得該處的隔熱性能不顯著降低，體現(xiàn)了使用壓型鋼板來提供復合外墻板剛度的優(yōu)越性.在試件兩側，由于同時存在龍骨和壓型鋼板，形成了貫通的熱橋，熱能可以避開空腔，在彼此連接的鋼材上流動，故而在所有界面上，兩側的溫度梯度均較高.

圖6 墻體內部溫度云圖Fig.6 Temperature cloud images of the wallboards

由圖6可見，與同等厚度的ALC保溫層相比，XPS保溫層及其支撐層（壓型鋼板）能夠控制的溫差更大，絕熱性能更好，參照GB50176—2016《民用建筑熱工設計規(guī)范》，計算2種復合外墻板整體傳熱系數(shù)，結果見表2.由表2可見：2種復合外墻板整體傳熱系數(shù)均滿足規(guī)范要求（小于1.0 W/（m2·K））；且與傳統(tǒng)ALC復合外墻板相比，新型XPS復合外墻板的傳熱系數(shù)要低40%左右.

表2 2種復合外墻板整體傳熱系數(shù)Table 2 Heat transfer coefficient of the two composite external wallboards

3.2 構造參數(shù)對熱工性能的影響

3.2.1 龍骨間距的影響

對新型XPS復合外墻板，在同樣大小的墻板單元下分別等距布置2～5道豎向龍骨，以探究龍骨處形成的熱橋數(shù)量對絕熱性能的影響，得到墻板兩側表面溫度隨龍骨間距的變化，結果見圖7.由圖7可見，熱箱側的最高溫度及最低溫度均處于穩(wěn)定水平，這是由于內飾面板較薄，且緊挨骨架，其溫度直接取決于各位置內部是否有龍骨穿過（熱橋）而與龍骨數(shù)量關系不明顯，但隨著龍骨間距的增大，低溫區(qū)域面積減小，高溫區(qū)域面積增大，導致平均溫度上升；隨著龍骨間距的增大，冷箱側的最高溫、最低溫及平均溫度都有所降低，這是由于XPS保溫層對熱流進行了有效疏導和過渡，使得冷箱側溫度分布更加均勻；熱箱側平均溫度上升、冷箱側平均溫度下降，導致墻板兩側平均溫差隨龍骨間距增大而增大，即龍骨數(shù)量的減少有利于墻板隔熱，但在間距大于1 000 mm后該有利效果不明顯，即間距1 000 mm以上的骨架不會因自身熱橋而顯著降低復合外墻板體系的熱工性能.

圖7 墻板兩側表面溫度情況隨龍骨間距的變化Fig.7 Change of temperature with distance of keel

3.2.2 面層厚度的影響

在原有的新型XPS復合外墻板基礎上，分別為XPS保溫層、內飾面板、外飾面板增厚5、10、20 mm，得到墻板兩側平均溫差隨各面層厚度的變化，如圖8所示.由圖8可見：在同等增厚幅度下，增厚XPS保溫層帶來的絕熱效果遠高于增厚其他面層，提高幅度約為其他面層的6倍；但是隨著XPS保溫層厚度的增加，復合外墻板整體的隔熱性能提升速率減緩，表現(xiàn)出非線性.這是因為在中間保溫層隔熱性能提升的情況下，從墻板邊緣熱橋處通過的熱能逐漸占據(jù)主導地位，使得墻板的隔熱性能不能隨保溫層厚度增加而無限提高.由圖8亦可見：提高內、外飾面板的厚度也可提高絕熱性能，但提升幅度較??；且由于內、外飾面板材料自身的熱物理參數(shù)接近，因此其對XPS復合外墻板熱工性能的提升幅度也接近.

圖8 溫差-面層增厚曲線Fig.8 Curves of temperature difference to layer thickness

4 結論

（1）提出了一種基于XPS的新型復合外墻板體系，與傳統(tǒng)ALC復合外墻板對比，采用防護熱箱法試驗研究了其熱工性能，并用有限元模型進行了驗證.

（2）新型XPS復合外墻板體系冷箱溫度達到最低值的速度較ALC復合外墻板要快，而熱箱降溫速度較ALC復合外墻板要慢.與ALC復合外墻板相比，XPS復合外墻板的傳熱系數(shù)降低了40%左右，且試驗結果與有限元模擬結果吻合較好.

（3）經由保溫層有效平衡熱流，XPS復合外墻板高溫側溫度分布較低溫側差異要大.其絕熱性能隨龍骨間距增大而增大，但在龍骨間距超過1 000 mm后增幅并不明顯.

（4）XPS復合外墻板絕熱性能隨各面層厚度提高而有不同程度的上升，其中以XPS保溫層厚度提高時的效果最好，增幅達其余面層的6倍，且隨著XPS保溫層厚度的進一步提高，絕熱性能呈現(xiàn)非線性.