国产轻型木结构墙体的稳态热量传递性质.pdf

第 3 2 卷 第 4期 2 0 1 0年 O 8月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l 。Ar c h i t e c t u r a l E n v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g V o 1 ． 3 2 N o ． 4 Aug ． 2 O1 O 国产轻型木结构墙体的稳态热量传递性质 王晓欢 ，费本华 ， 周海宾 ， 任海青 1 ．国家林业局 北京林业机械研究所 ， 北京 1 0 0 0 2 9 ； 2 ．中国林业科 学研 究院 木材工业研 究所 ； 国家林业局 木材科 学与技术重点 实验 室， 北京 1 0 0 0 9 1 摘 要 木结构墙 体稳 态热量 传递 性质 是评 价 其 节 能保 温 的重要 指 标 。为 了在 引进 国外木 结 构住 宅先进 技 术基础 上 ， 推进 轻型木 结 构住 宅 国产 化进 程 ， 该研 究使 用 国产材 料 制备 了 1 3块 不 同构造 的轻 型木 结构 墙体 ， 采 用热 箱 一热 流计 法检 测 了稳 态 时墙 体 的有 效传 热 系数 ， 并 通过 理论 计 算 ， 得 到 了各墙体的理论计算预测值。结果表 明， 墙体有效传热系数在 0 ． 2 2 6 ～O ． 5 2 9 w／ m K 之间， 除热 工级别 为 I I 级的 1 、 2 、 3 、 6号墙 体外 ， 其它墙体 均 为 I 级 ， 完全适 用于 中国严寒 地 区， 并 满足 中 国节能 6 5 的墙 体传 热 系数 限值要 求 。通过理论 计 算预 测传 热 系数 设计 值 与检 测 值基 本 相 当， 可 采 用理 论计 算对木 结构 复合墙体 保 温性 能进 行设计 。 关键词 人 工林木材 ； 轻 型木 结构 ；节 能 ； 复合 墙体 ； 有 效传热 系数 中图分 类号 TU3 6 6 ． 2 文献标 志码 A 文章编 号 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 0 0 4 0 0 7 6 - 0 4 S t e a d y - s t a t e Hea t T r a n s f e r P e r f o r ma n c e o f Do me s t i c Li g h t - f r a me W o o d W a l l WANG Xi ao h u a n ， F Ef be n h u a ， ZHOU h ai b i n ， RE N h ai q i n g 1 ． Be ij i n g F o r e s t r y Ma c h i n e r y Re s e a r c h I n s t i t u t e o f S t a t e F o r e s t r y Ad mi n i s t r a t i o n ，B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 ， 2．Re s e a r c h I ns t i t u t e o f W oo d I n dus t r y，Chi ne s e Ac a de my o f Fo r e s t r y； 1 Ke y L a b o f Wo o d S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y o f S t a t e F o r e s t r y a d mi n i s t r a t i o n，Be ij i n g 1 0 0 0 9 1 ，P． P． R． Chi na Ch i n a Ab s t r a c t St e a d y s t a t e h e a t t r a ns f e r p e r f o r ma nc e i s a n i m p o r t a n t i n di c a t o r f o r wo od wa l l t o a s s e s s i t s e ne r gy e f f i c i e n c y pe r f o r ma nc e ． Ba s e d o n t he i n t r o du c t i o n of f o r e i g n a d v a nc e d t e c h no l o gy of woo d r e s i d e n c e，1 3 d i f f e r e n t wa l l s p e c i me n s we r e ma n u f a c t u r e d u s i n g d o me s t i c ma t e r i a l s i n t h i s s t u d y，a n d t h e e f f e c t i v e h e a t t r a ns f e r c o e f f i c i e n t we r e m e a s ur e d by ho t b ox - h e a t f l o w me t e r t e s t me t h od ． W i t h t h e r e s ul t s f r om t h e o r e t i c a 1 c a l c u l a t i on，i t wa s f o u nd t ha t t he e f f e c t i v e he a t t r a ns f e r c o e f f i c i e n t o f wa l l s we r e be t we e n 0 ． 22 6 ～ 0 ． 5 2 9 w／ m K ．Th e t h e r ma l l e v e l wa s l i t f o r s p e c i me n 1 ， 2 ， 3，a n d 6，a n d l e v e l I t wa s f o r t h e o t h e r s ， wh i c h c o u l d b e a p p r o p r i a t e f o r t h e s e v e r e c o l d a r e a s a n d me e t t h e r e q u i r e me n t s o f 6 5 ％ E n e r g y e f f i c i e nc y s t a n d a r d i n Ch i na ．Th e c a l c u l a t i o n r e s ul t s we r e i n g o o d a g r e e me n t wi t h t he me a s ur e d o ne s ． Ke y wo r d s p l a n t a t i o n wo od；wo o d l i g ht ～ f r a m e ； e ne r g y e f f i c i e n c y； c o mpo s i t e wa l l ；e f f e c t i v e he a t t r a n s f e r c O e f f i c i e nt 轻型木结构墙体是以规格材为骨架材料， 采用 内 外覆面板 ， 并由保温、 隔音、 防潮等多层材料构成的复合 结构墙体。作为建筑围护结构的重要组成部分， 墙体 的稳态热量传递性质对建筑物能源消耗影响显著。国 外学者对轻型木结构外墙保温体系的研究已有多年历 史 。随着木结构建筑在世界各国不 同气候区的推广 收 稿 日期 2 0 0 9 1 2 2 5 基金项 目 国家林业局 “ 9 4 8 ” 引进 项 目 2 0 0 6 4 9 8和 2 0 0 6 4 一 C 0 4 ； 林业公益性行业科研专 项 2 0 0 7 0 4 0 1 3 作者简介 王晓欢 1 9 8 1 ～ ， 女 ， 博士 ， 主要从事木结构墙体材料与保温节能研究 ， E ma i l wx h 8 1 1 1 1 8 1 2 6 ． e o m。 费本华 联系人 ， 男 ， 研究员 ， 主要从事木材科学 与技术专业研究 ， E - ma i l I b h c a f ． a c ． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 期 王晓欢 ， 等 国产轻 型木 结构墙体 的稳 态热 量传递 性质 使用， 及其新材料的不断涌现， 木结构墙体的稳态热量 传递性质仍是研究重点之一_ 4 ] 。 近几 年 中国兴 建 了许 多现 代 轻 型 木 结 构住 宅 ， 基本 采用 国外进 口材料 。2 0 0 5年 以来 ， 随着 中 国引 进新 材料新 技术 的木结 构示 范项 目推 进 ， 规 格 材 、 集 成材 、 结构胶合板等国产结构材料 ， 墙体保温、 隔声 、 楼板振动、 连接等性 能方 面研究 已取得 了一 定进 展 ] ， 但在国产材料墙体制备及其稳态热量传递性 质研究 尚处 空 白。利用 国产 的 人 工林 杉 木 规 格 材 、 落叶松 胶合板 和保 温材料 等进行 了复合 墙体 结构 设 计和制备， 采用热箱 一热流计法检测了各墙体 的稳 态热量 传递性 质 ， 主 要 研究 了 国产 制备 轻 型木 结 构 墙体对不同热工分区使用的适应性 ， 并与理论计算 值进行了比较研究。不仅能对国产轻型木结构墙体 的应用 开发进 行 技术 指 导 和 质量 控 制 ， 而 且 对 木 结 构住 宅 国产化发 展更具 有推 动作 用 。 1 国产 轻型木 结构复合墙体 I ． 1 墙体 结构 设计与 材料 参 考 国 外 轻 型 木 结 构 住 宅 墙 体 的 设 计 形 式_ 3 ， 结 合 中 国 G B 5 0 0 0 5 2 0 0 3 木 结 构 设 计 规 范 _ 】 1 ] 要 求 ， 轻 型 木 结 构 复 合 墙 体 结 构 设 计 如 图 1 所示。选用了截 面尺寸分别为 4 5 mm9 0 mm和 4 5 mm1 4 0 mm 的杉木 规格材 和厚 度 为 I 1 mm 的 结构胶合板。采用 1 2 mm 厚的防潮型石膏板作为 内墙材料 ， 选用岩棉、 聚苯乙烯泡沫塑料板 以下简 称聚 苯板 E P S 和 挤塑 聚苯 乙烯 泡 沫板 以下简 称挤 塑板 X P S 作为复合墙体 的保温层 。根据热箱试件 框尺寸， 实验墙体幅面为 9 2 0 mm1 0 0 0 mm， 木墙 骨 间距 均 为 4 0 0 mm。 一 一 哆 ／ ／ ／ 一 ■ ● ● ／ ／ ／ 一 ／ ／ I ． ． 1 I ． 翌 巴 ． 1 图 I 墙体框 架结构形式与热 电偶分布 I ． 2 墙体 类型 研究中共制备了 1 3块墙体 ， 墙体构造列 于表 1 中。 1 一 8 号 木 墙 骨 截 面 尺 寸 为 4 5 mm 9 0 mm， 9 一 1 3 号 木 墙 骨 截 面 尺 寸 为 4 5 mm1 4 0 mm。 9 一 1 3 号 墙体 材料组 成与各 层结 构分别 与 对应的 4 一 8 号墙体相同， 区别在于木墙骨规格。 各层材料基本热物理参数见表 2 。 表 1实验墙体构造和组成 材料 墙体 组成 材料 墙体 组成材料 墙体 组成材料 墙体 组成材料 石 膏板 C 石 膏板 塑料薄膜 G G 塑料薄膜 岩棉 G 岩棉 结构胶合板 G 结构胶合板 聚苯板 挤塑板 一 一 7 8 C 石膏板 石膏板 C 塑料薄膜 塑料薄膜 岩棉 岩棉 聚苯板 结构胶合板 if- _ 5 6 ] 表2墙 体 材料 热 物 理 性 能 参 数 2实验方 法与检测设备 采用热箱 一热流计法检测墙体的传热系数。测 试 布点 如 图 1所示 。 实验 热 箱 如 图 2所 示 。实验 用 热 箱 由冷 箱 、 热 箱和试件框组成。冷箱部分主要靠制冷压缩机组工 作来控制制冷温度 ； 热箱部分靠电加热器产生热量， 对箱体内部 空气进行加热 ， 2个箱体 内部均设 置有 风扇和均热导流板， 使 内部环境温度分布尽量均匀。 通过 冷热箱 的温 度控 制 ， 提供 一个 稳定 的温差 环境 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 8 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 2 卷 ■ l I 圳 操控 I J a 7 - ．作时的热箱 b 热箱结构示意图 图 2 标 定 热 箱 当热流通过墙体结构时， 由于其热阻的存在， 在 厚度方向的温度梯度为衰减过程 ， 使该结构 内、 外表 面具有温差 。在墙体受热表面的木墙骨上和墙骨立 柱之 间位 置分 别贴 上 平 板状 热 流 计 片 ， 在 热 流计 周 围的 内外表 面 布置 T 型热 电偶 ， 并 在 冷 面相应 处 布 置热 电偶 ， 将测试信号输入热流与温度巡回检测仪 中 ， 读 出温度 和 电动势值 ， 并储存 记 录 。通过 测得 的 电动势可计算出流过的热流量 。 根据木 墙骨处 冷 热 表 面 温 差 △ T 和木 墙 骨 之 间填充保 温处 冷热表 面温差 △ 丁 ， ， 以及 相应 的热 流 量 q r 和 q ， 按 照 以下 公式 1 和公 式 2 分别计 算 出 复合墙体的木墙骨框架处和保温材料填充处的热阻 R r 和 Ri ， 然后 按照 面积加 权 ， 通 过公式 3 计 算得 到 墙体的总传热系数 ， 即为有效传热系数 l 2 ] ， 描述的 是 木墙骨 和保 温材料 等材料 组成 的复合 结 构墙 体 的 综合传热性质 。 检测 ， K 总是 高于 K 。 计算值 中 ， 岩棉材 料填充 位置 的保 温性能 比木墙 骨位 置平均 高 5 0 ； 检 测值 中 ， 岩 棉材料填充位置 的保温性能 比木墙骨位置平均高 42 。 实验结果表明， 1 、 2 、 3 、 6号实验墙体传热系数为 0 ． 4 8 9 0 ． 5 2 9 w／ m 2 K ， 属于热工级别Ⅱ 级 ， 可 以用 于严寒和寒冷地区。4 、 5 、 7 ． 8 、 1 0 、 1 1 号实验墙体的传热 系数为 0 ． 3 3 5 ～0 ． 3 8 0 w／ m 2 K ， 属于 级 ， 可用于 严寒地 区。9 、 1 2 、 1 3号实 验墙 体 的传热 系数 小于 0 ． 3 w／ m2 K ， 用于严寒地 区保温性 能则更 优异。以北 京地 区为例 ， 按照节 能 6 5 的标 准[ I ， 4 层 以上的外墙 传热系数的限值为不大于 0 ． 6 0 w／ m 2 K ， 3 层 以下 的不大于 0 ． 4 5 W／ m2 K ； 哈尔滨 地 区分别 为 0 ． 5 2 w／ m 2 K 和 0 ． 4 0 w／ m2 K 。目前 中国木结 构建 筑一般 为 3 层以下， 外墙有 效传热系数检测结 果表 明， 除 了 1 、 2 、 3 、 6 号墙体外 ， 其它实验墙体均满足节能 6 5 标准要求。 表 3墙体 热工级别及适应地 区 R 一 丝 1 3 ． 2 实验检测与理论计算预测传热系数比较 f R 一 丝 2 qt ． 1 u 二 x F 1 1 0 0 0 1 丽 0 0 5 3 一R ．． 1． ⋯ 式 中 ， F f 为木 墙 骨 占墙 体面积值 ， 取 9 ． 7 8 ； F i 为非框 架部分占墙体面积值 ， 取 9 o ． 2 2 ； 0 ． 1 l 和 0 ． 0 5 分别为 木 结构 复合墙 体 内、 外表 面换热 阻 。 3 结果与讨论 3 ． 1 国产材料制备轻型木结构复合墙体保温性能 及 其热 工级别 表 3 列 出了木骨 架组合 墙体 热工级 别和适 应地 区E l z 3 。 不同构造轻型木结构墙体 的有效传热系数检 测值见表 4 ， 表中K 指木墙骨处复合墙体传热系数 ； K． 指保温材料填充处复合墙体传热系数。 由于木材 与保温材料 自身导热性能存在较大差异 ， 所 以在整 个框架墙体的复合结构 中， 木墙骨位置的传热能力 不 同于保温 材料填 充 的位 置 。 实 验 中杉木 的导 热 系 数约大于岩棉 3 倍 ， 因此无论是理论计算还是实际 根 据ASHRAE Ha n d b o o k o f F u n d a me n t a l s AS HR AE 2 0 0 9 L 1 和 民用建 筑热工 设计规 范_ 】 计 算方 法 ， 按 照多 层 结构 非 均质 围护 结 构 形 式 的平 均 热阻计算公式， 将各层材料的热阻进行累加 ， 得到每 一 块墙体热阻， 并且根据 内外表面换热 ， 再计算出各 墙体的有效传热系数。计算值相对检测值 的相对误 差列于表 4中， 通过 比较发现 ， 多数墙体的计算值与 检测值的误差在允许范围内。所以， 在已知材料准 确 的导 热系数 时 ， 即可通过 计算 ， 得 到木结 构 复合墙 体有效传热系数或有效热阻的理论值 。 4 结 论 利 用 国产材 料 完 成 了 1 3块 不 同构 造 木 结 构复 合墙体的制备和保温性能检测。1 、 2 、 3 、 6号墙体传 热系数为 0 ． 4 8 9 ～O ． 5 2 9 w／ m K， 热工级别属 于 I I 级 ， 可用 于严寒 和寒 冷地 区； 4 、 5 、 7 、 8 、 1 0 、 1 1 号墙体的传热系数为 0 ． 3 3 5 ～0 ． 3 8 0 W／ m。K ， 热工级别属于 I 级， 可用于严寒地 区； 9 、 1 2 、 1 3号墙 体的传热系数小于 0 ． 3 w／ m K ， 用于严寒地区 保温性能更优。除 1 、 2 、 3 、 6号墙体外 ， 其它实验墙 体均满足节能 6 5 的标准要求。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 期 王晓欢， 等 国产轻型木结构墙体的稳态热量传递性质 7 9 通过比较得出传热系数检测值与理论计算值基本相 当 ， 因此可 以利用 材 料 基本 热 物 理 参 数数 据 对 木 结 构复合墙体有效传热系数进行理论预测和设计。 参考 文献 r 1]TEE S DALE L V．Th e r ma l i n s u l a t i o n ma d e o f wo o d b a s e ma t e r i a l s --I t s a p p l i c a t i o n a n d u s e i n h o u s e s [ R ] ． F o r e s t S e r v i c e U． S ．De p a r t me n t o f Ag r i c u l t u r e ，F o r e s t Pr od uc t s La b or a t or y，1 95 8． r 2] S HE RW 00D GE RALD E， HANS GUNARD E． E n e r g y e f f i c i e n c y i n l i g h t - f r a me wo o d c o n s t r u c t i o n i, M] ． M a di s on W I U．S ． De pa r t me nt o f Agr i c u l t ur e，For e s t Se r v i c e，For e s t Pr odu c t s La bo r at or y，1 9 79 ． r 3]Z ARR R R，BURCH D M ，F ANNE Y A H．He a t a n d mo i s t u r e t r a n s f e r i n wo o d b a s e d wa l l c o n s t r u c t i o n me a s u r e d v e r s u s p r e d i c t e d[ R] ． D I AN E P u b l i s h i n g ， NI S T b ui l d i n g s c i e nc e s e r i e s 1 7 3，19 9 5． [ 4] S KU J ANS J ， VUL AN S A， I L J I NS U， e t a 1 ． M e as ur e me n t s o f he a t t r a ns f e r of mul t i l a y e r e d wa l l c o n s t r u c t i o n wi t h f o a m g y p s u m[ J ] ．Ap p l i e d Th e r m a l Eng i ne e r i ng，2 00 7， 27 1 21 9 - 12 2 4． [ 5] 王戈 ， 费本华 ， 徐兰英 ， 等． 落 叶松胶合板复合墙 体设计 及其保 温隔 热性 能 的计 算 [ J ] ．木 材 工业 ，2 0 0 7 ，2 1 6 1 6． W ANG GE，F EI BEN HUA ，XU LAN YI NG ，e t a 1 ． S t r u c t u r a l d e s i g n a n d c a l c u l a t i o n o f h e a t p r e s e r v a t i o n ／ i n s u l a t i o n o f a c o mp o s i t e wa l l ma d e wi t h l a r c h p l y wo o d [ J ] ．C h i n a Wo o d I n d u s t r y ， 2 0 0 7 ，2 1 6 1 - 6 ． [ 6] 周海宾．木结 构 墙体 隔 声 和楼 板 减 振设 计 方 法 研究 I- D ] ．北京 中国林业科学研究院 ， 2 0 0 6 ． [ 7] 龙超 ，吕建雄 ，任海 青 ， 等． 杉木 人工林 规格 材 的足尺 弯 曲、 压缩 分级 测试 [ J ] ．林业科学 ， 2 0 0 8 ， 8 9 5 9 9 ． LONG CHA0，L V 儿AN XI ONG，REN HAI QI NG， e t a 1 ． Ful l s i z e be n di ng a n d c omp r e s s i on i n g r a d e t e s t s on di me ns i on l umb e r o f Cu nn i n gh a mi a l a nc e ol a t a p l a n t a t i o n i, J ] ．S c i e n t i a S i l v a e S i n i c a e ， 2 0 0 8 ， 8 9 5 9 9 ． [8]陈恩灵 ，费本 华．木结构金 属连 接件 连接性 能 的研 究 现状口] ．木材工业 ，2 0 0 8 ， 2 2 3 9 - 1 2 ． CHEN EN LI NG，FEI BEN HUA Re v i e w o n p e r f o r ma n c e o f m e t a l c o n n e c t o r s i n w o o d f r a me s t r u c t u r e s [ J ] ．C h i n a W o o d I n d u s t r y，2 0 0 8 ，2 2 3 9 - 1 2 ． [9 ]郭伟 ， 费本华 ， 赵荣军 ， 等． 木桁 架齿板连 接性能及影 响 因子研究现状[ J ] ． 木材工业 ， 2 0 0 8 ， 2 2 6 2 4 2 7 ． GU0 WEI ，F EI B EN HUA，Z HAO RONG- J UN，e t a 1 ． Re vi e w of t e s t s a nd i mp a c t f a c t or s of me t a l p l a t e c o n n e c t i o n i, J ] ．C h i n a Wo o d I n d u s t r y ， 2 0 0 8 ， 2 2 6 2 4 2 7． r 1 0 ]D AL G L I E S H A，C O R NI C K S ，MA R E F W ，e t a 1 ． Hy g r o t h e r ma l p e r f o r ma n c e o f b u i l d i n g e n v e l o p e s u s e s f o r 2 D a n d 1 D s i mu l a t i o n[ C] ／ ／ l O t h C o n f e r e n c e o n Bui l di ng Sc i e nc e a nd Te c hn ol o gy Pr o c e e di ngs ，Ot t a wa， Ont ．，20 05 ． [ 1 1 ] G B 5 0 0 0 5 2 0 0 3木结构设 计规 范[ s ] ． 北京 中国建筑 工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 1, 1 2 ]G B ／ T 5 0 3 6 1 2 0 0 5木骨架组 合墙体 技术规范 I- s ] ．北 京 中国计 划出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 1 3 ]D B J l 1 6 0 2 2 0 0 6居住建筑节能设计标准[ s ] ．北京 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 1 4 ] A me r i c a n S o c i e t y o f He a t i n g ， R e f r i g e r a t i n g a n d A i r C o n d i t i o n i n g ．2 0 0 9 AS HRAE Ha n d b o o k Fu n d a me n t a l s I - P E d i t i o n I- M] ．A t l a n t a A me r i c a n Soc i e t y o f He a t i n g ， Re f r i g e r a t i n g a n d Ai r - Con d i t i on i n g En gi n e e r s， I n c， 2 0 09 ． 1, 1 5 ] GB 5 0 1 7 6 9 3民用建筑热工设计 规范I- s ] ．北京 中国 计划 出版社 ，1 9 9 3 ． 编 辑 胡 玲 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m