武 勝，張素梅，楊 華

(1.哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院，哈爾濱 150090，jackiebessie@163.com;2.東北林業(yè)大學土木工程學院，哈爾濱 150040)

腹板開孔輕鋼龍骨復合墻體傳熱性能試驗

武 勝1，2，張素梅1，楊 華1

(1.哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院，哈爾濱 150090，jackiebessie@163.com;2.東北林業(yè)大學土木工程學院，哈爾濱 150040)

為進一步探討優(yōu)化輕鋼龍骨復合墻體傳熱性能的有效途徑，擴大其在我國寒冷地區(qū)的應(yīng)用，采用熱電偶測溫方法進行了腹板開孔、帶外保溫層腹板開孔輕鋼龍骨復合墻體傳熱性能的試驗研究，重點考察了墻體的傳熱系數(shù)和測點溫度，并與有限元建模分析所得墻體的平均傳熱系數(shù)和測點溫度進行細致對比.結(jié)果表明:腹板開孔可以降低輕鋼龍骨墻體的熱損失，從而削弱龍骨所在部位的熱橋效應(yīng)，顯著提高墻體的保溫性能.兩種試驗方案的墻體傳熱系數(shù)分別為0.315 W/(m2·K)、0.250 W/(m2·K)，可以滿足我國寒冷地區(qū)居住建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能50%的傳熱系數(shù)限值要求.

輕鋼龍骨復合墻體;腹板開孔;傳熱性能試驗;有限元分析

輕鋼龍骨住宅體系是頗具發(fā)展前景的一種新型鋼結(jié)構(gòu)體系，該體系在北美、日本等發(fā)達國家應(yīng)用非常廣泛，主要用于單層或2～3層的別墅建筑中，在我國尚處于起步階段.輕鋼龍骨復合墻體主要由輕鋼龍骨、內(nèi)外墻板、巖棉復合組成，龍骨立柱兩側(cè)通常采用定向刨花板或木纖維板做外墻板，采用紙面石膏板做內(nèi)墻板，內(nèi)、外墻面材料采用自攻螺釘與立柱兩側(cè)翼緣固定，墻板與龍骨間形成的空腔內(nèi)填充巖棉以滿足復合墻體的保溫性能，有時還在外墻上粘貼聚苯乙烯板等絕熱材料形成外保溫體系，以便進一步增強墻體的保溫性能.

輕鋼龍骨復合墻體由于鋼龍骨的存在而使局部熱量散失顯著增加，致使墻體室內(nèi)表面結(jié)露和墻體內(nèi)部冷凝，在鋼龍骨處形成嚴重的熱橋效應(yīng).文獻［1］規(guī)定在1980年住宅耗能水平的基礎(chǔ)上再節(jié)能50%，對于哈爾濱地區(qū)而言，當建筑體形系數(shù)＞0.3時，其墻體的傳熱系數(shù)應(yīng)控制在0.40 W/(m2·K)以下，但分析表明，不做保溫處理的輕鋼龍骨外墻體系達不到以上要求［2］，因而不能直接用于我國寒冷地區(qū).

歐美寒冷地區(qū)國家，對輕鋼龍骨住宅體系進行了系統(tǒng)研究.挪威的Engebretsen和Ramstad在1978年設(shè)計的建筑中首先應(yīng)用了腹板開孔C形輕鋼龍骨［3］，如圖1所示，實踐證明該做法可以明顯增長熱量沿龍骨腹板傳遞的導熱路徑，顯著降低輕鋼龍骨復合墻體的局部熱橋效應(yīng).

圖1 腹板開孔龍骨立柱

近年來，國外學者對腹板開孔輕鋼龍骨復合墻體進行了系列理論研究.文獻［4］介紹了AHSRAE(美國空調(diào)工程師學會)的用以計算輕鋼龍骨墻體熱阻的方法——分區(qū)法，并且針對鋼龍骨的存在而形成的溫度異常影響區(qū)給出分區(qū)法的改進方法.文獻［5］針對輕鋼龍骨墻體建立起改變龍骨類型、保溫材料的試驗數(shù)據(jù)庫，試驗所得墻體熱阻與平行熱流法等3種計算方法所得熱阻進行了系統(tǒng)比較.文獻［6］采用標定熱箱試驗法，模擬分析了輕鋼龍骨墻體三維傳熱作用和二維傳熱、傳質(zhì)聯(lián)合作用.

國內(nèi)引進輕鋼龍骨住宅體系較晚，從2003年開始，哈爾濱工業(yè)大學的張素梅教授及其課題組陸續(xù)對開孔輕鋼龍骨復合墻體的傳熱和力學性能進行了系列理論研究［ 2，7－9］.

應(yīng)用哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件綜合能耗試驗臺，采用熱電偶測溫方法進行了腹板開孔、帶外保溫層腹板開孔輕鋼龍骨復合墻體傳熱性能的試驗研究，重點考察了墻體的平均傳熱系數(shù)和測點溫度，并與有限元建模分析所得墻體的平均傳熱系數(shù)和測點溫度進行了細致對比.

1 試驗概況

試驗采用靜態(tài)熱箱模擬恒定的室內(nèi)、外溫度，進行新型輕鋼龍骨復合墻體的穩(wěn)態(tài)傳熱模擬，并實測輕鋼龍骨復合墻體所設(shè)測點的溫度和熱流密度，進而推算墻體的平均傳熱系數(shù)，從而得到輕鋼龍骨復合墻體的傳熱性能規(guī)律.

如圖2所示，試驗臺由熱箱、冷箱、試件架、空氣循環(huán)及測量系統(tǒng)、溫度自動監(jiān)控系統(tǒng)組成，可測試最大試件尺寸為:水平向×豎直向×厚度=2 400 mm×2 400 mm×400 mm.

圖2 圍護結(jié)構(gòu)綜合能耗試驗臺示意圖

該設(shè)備基于一維穩(wěn)定傳熱原理，利用熱箱模擬采暖建筑冬季室內(nèi)氣候條件，冷箱模擬冬季室外氣候條件.該設(shè)備可提供的恒定環(huán)境溫度范圍為－30～35℃，控制精度為0.1℃.熱箱空氣溫度設(shè)定范圍為18～20℃，溫度波動幅度≤0.1K(K為墻體估算傳熱系數(shù));熱箱空氣為自然對流，其相對濕度控制在30%左右.冷箱空氣溫度設(shè)定范圍為 －19～－21℃，溫度波動幅度≤0.1K;冷箱內(nèi)平均風速設(shè)定為3.0 m/s.

根據(jù)設(shè)備的測溫范圍，并兼顧文獻［10］，確定試驗設(shè)計的室內(nèi)、外溫度為18℃、－20℃.

2 試件設(shè)計及測點布置

2.1 試驗方案分組

如圖3所示，方案一:腹板開孔輕鋼龍骨復合墻體穩(wěn)態(tài)傳熱試驗;方案二:帶苯板外保溫層腹板開孔輕鋼龍骨復合墻體穩(wěn)態(tài)傳熱試驗，方案二在方案一墻體室外側(cè)石膏板上貼苯板.

2.2 試件總體設(shè)計

1)墻體總體尺寸:如圖4所示，取一個墻體單元的寬度(即兩龍骨間距寬度)為600 mm，試件總寬度為1500 mm，墻體高度為1 200 mm.

2)龍骨尺寸:如圖5所示，依據(jù)文獻［11］的規(guī)定，兼顧輕鋼龍骨承重和自承重外墻常用墻體厚度范圍，結(jié)合滿足哈爾濱地區(qū)建筑節(jié)能傳熱系數(shù)的限值要求［1］，確定本次試驗輕鋼龍骨腹板高度為205 mm，龍骨的翼緣寬度、卷邊寬度和截面厚度分別為 40， 15，1.5 mm.

圖3 墻體構(gòu)造層次剖面圖(mm)

3)孔洞尺寸:依據(jù)國外工程經(jīng)驗，兼顧節(jié)能要求，選取開孔參數(shù)為:孔長×孔寬×孔間距長×孔間距寬=70 mm×3 mm×20 mm×9 mm，并沿龍骨通長開設(shè)，實測孔洞尺寸如圖5所示.

4)石膏板:規(guī)格通常為3.0 m×1.2 m，厚度取工程中較常用的12 mm厚紙面石膏板.

5)聚苯乙烯板:市場供應(yīng)的規(guī)格通常厚度為10～80 mm，以10 mm為模數(shù)，結(jié)合傳熱性能理論分析采用20 mm厚的苯板.

圖4 墻體試件尺寸(mm)

2.3 試驗測點布置

1)墻體傳熱系數(shù)的測定:保證試件一維穩(wěn)定傳熱條件下，測量電暖氣發(fā)熱量，減去通過熱箱外壁和試件框的熱損失，除以墻體面積與兩側(cè)空氣溫差的乘積，即可得出墻體的傳熱系數(shù)K值.

2)墻體測點溫度的測定:溫度由銅－康銅熱電偶測定.如圖6所示，測點主要布置在墻體表面、輕鋼龍骨表面及墻體中不同材料的接觸處(如石膏板與龍骨交界面).測點布置原則:為便于測試和比較，所有測點均布置于墻體高1/2處，并沿墻體厚度龍骨腹板傳熱方向集中布置測點，同時兼顧室內(nèi)、外龍骨處石膏板布置測點.龍骨是墻體熱量散失主要通道，溫度變化尤為劇烈，所以龍骨腹板的溫度分布是本次試驗測試的重點，測點布置如圖7所示.

圖5 孔洞及龍骨截面實測尺寸(mm)

圖6 試驗測點布置

圖7 龍骨測點布置

3 試驗過程

1)標定熱電偶.本次試驗采用T型熱電偶進行溫度測量，共實測了21個熱電偶的溫度－電壓對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)標定，本次試驗熱電偶的溫度與平均電壓之間的關(guān)系式為

式中:T為測點溫度，℃;U為平均電壓，mV.

2)粘貼熱電偶，并在室內(nèi)側(cè)石膏板內(nèi)側(cè)粘貼聚乙烯薄膜，作為復合墻體的防潮層.

3)固定輕鋼龍骨復合墻體.加工時特別注意了石膏板與龍骨接觸面的緊密接觸.石膏板內(nèi)側(cè)熱電偶固定.鋪裝巖棉至墻體空腔內(nèi).

4)將墻體安裝就位.將墻體固定至試驗臺試架上，墻體四周與試架的空隙用巖棉填塞密實，然后將墻體四周縫隙裱糊整齊.

5)熱電偶與測量儀器連接.將熱電偶的銅線端與數(shù)碼輸出電壓顯示儀的正極相連，將康銅線端集束放入冰、水混合物零點暖瓶，完成接線.

6)運行試驗臺至穩(wěn)定.啟動試驗臺，設(shè)定冷、熱箱和環(huán)境空氣溫度;當冷、熱箱和環(huán)境空氣溫度達到設(shè)定值后，監(jiān)控各測點溫度，使冷、熱箱和環(huán)境空氣溫度維持穩(wěn)定.大約4 h后，啟動電壓顯示儀，進行測點電壓值的逐時監(jiān)測輸出.如果逐時測量所得熱箱和冷箱的空氣平均溫度變化的絕對值分別不大于0.1℃和0.3℃，溫差逐時變化絕對值分別不大于0.1℃和0.3℃，且上述溫度和溫差變化不是單向變化，則表示傳熱過程已經(jīng)穩(wěn)定.

7)采集試驗數(shù)據(jù).傳熱過程穩(wěn)定后，即可按時進行測點溫度(電壓)的輸出，本次試驗采取每隔30 min采集一次測點電壓的方法，每個試驗方案各采集6次試驗數(shù)據(jù).

4 試驗結(jié)果分析

4.1 試驗數(shù)據(jù)分析

試驗方案一、二采集到的測點溫度見表1.

表1 試驗數(shù)據(jù)采集及溫度轉(zhuǎn)換

由于輕鋼龍骨為整個墻體的熱橋，并且熱量集中沿龍骨腹板傳遞，從而可知墻體從熱箱吸收熱量，傳入室內(nèi)側(cè)石膏板，石膏板的熱量向龍骨腹板匯聚，繞腹板孔洞傳遞向腹板外側(cè)，達到腹板外側(cè)后熱量流入室外側(cè)石膏板，由龍骨、室外側(cè)石膏板接觸面向板上擴散.由以上過程可知，溫度的分布規(guī)律應(yīng)為室內(nèi)側(cè)石膏板遠離龍骨部位溫度最高，靠近龍骨部位溫度降低，室內(nèi)側(cè)龍骨翼緣點、內(nèi)側(cè)腹板至外側(cè)腹板、外側(cè)翼緣點溫度依次降低，室外側(cè)石膏板近龍骨部位再降低，而室外側(cè)石膏板遠離龍骨部位溫度最低.

圖8給出兩方案龍骨、石膏板測點溫度比較曲線.總體來看，兩試驗方案測點溫度變化趨勢相同，但由于方案二苯板保溫作用而使相應(yīng)各測點溫度比方案一有不同程度升高:其中對室內(nèi)側(cè)石膏板測點溫度影響幅度最小，如圖8(c)所示，兩方案13～17號測點的溫度均相差1℃左右;對室外側(cè)石膏板測點溫度影響幅度較大，而且離龍骨腹板熱橋越近的測點溫差越大，如圖8(b)所示，10號測點位于龍骨腹板與室外側(cè)石膏板交界處，溫差達到所有測點中最大值，為10.4℃，而9、11和8、12號測點溫度依次降低;龍骨測點也表現(xiàn)為離室外側(cè)越近溫差越大，如圖8(a)所示.以上分析說明，苯板外保溫層對提高復合墻體的保溫性能效果明顯.

圖8 測點溫度比較曲線

4.2 試驗的有限元模擬

4.2.1 模型概述

采用ANSYS7.0有限元程序模擬了兩試驗方案輕鋼龍骨復合墻體的傳熱過程，龍骨單元采用shell57熱殼單元，石膏板、巖棉、苯板采用solid70熱實體單元.根據(jù)文獻［10］，室內(nèi)、外的對流系數(shù)分別取8.7 W/(m2·K)、23.0 W/(m2·K).龍骨的導熱系數(shù)取58.2 W/(m·K)，巖棉、石膏板近似一維穩(wěn)態(tài)導熱，為求有限元模擬更接近真實，二者的導熱系數(shù)取為試驗實測所得熱流密度、按傳熱學原理反推得到的數(shù)值，分別為石膏板0.17 W/(m·K)，巖棉0.03 W/(m·K).

4.2.2 邊界條件

模型采用第三類邊界條件，即在有限元模型中施加室內(nèi)、外環(huán)境溫度和室內(nèi)、外的對流系數(shù)［8］;在單元兩端采用絕熱邊界.

4.2.3 有限元分析

圖9給出兩個試驗方案的溫度分布云圖，每方案的上圖為室內(nèi)側(cè)石膏板溫度場，下圖為墻體剖面溫度場.如9(a)下圖所示，總體而言，龍骨所在范圍內(nèi)巖棉溫度場相對于其他位置發(fā)生了明顯變化，即室內(nèi)側(cè)溫度明顯降低，而室外側(cè)溫度明顯升高，表明龍骨的熱橋效應(yīng)顯著，熱量沿龍骨傳遞明顯;龍骨兩側(cè)各一倍翼緣寬度區(qū)域內(nèi)巖棉溫度場也受龍骨影響而呈非均勻變化，此區(qū)域稱為“龍骨影響區(qū)”;如9(a)上圖所示，龍骨腹板開孔會使熱橋效應(yīng)明顯減弱，龍骨中部腹板開孔處的墻體內(nèi)表面高溫區(qū)域明顯擴大.龍骨影響區(qū)外的巖棉溫度場沿墻體厚度近似呈均勻變化，室內(nèi)側(cè)溫度約為17.7℃，室外側(cè)溫度為－18.7℃.如圖9(b)所示，加20 mm厚苯板后室內(nèi)側(cè)石膏板和龍骨腹板高溫區(qū)分布面積進一步擴大，龍骨影響區(qū)內(nèi)墻體內(nèi)表面的溫度無明顯降低，表明加苯板外保溫后龍骨部位墻體的熱橋現(xiàn)象得到進一步改善.

圖9 溫度分布云圖

對比試驗、有限元的墻體傳熱系數(shù)，如表2所示.有限元墻體傳熱系數(shù)由墻體內(nèi)、外表面熱流密度的平均值與內(nèi)、外表面溫度平均值的溫差相除近似計算.兩種方案試驗、有限元所得墻體傳熱系數(shù)分別相差1.9%、0.8%，吻合良好.

表2 墻體平均傳熱系數(shù)對比

從對腹板開孔輕鋼龍骨復合墻體傳熱系數(shù)的分析可知，不論采用哪種方案，都會滿足哈爾濱地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能50%的傳熱系數(shù)限值要求［1］.

對比試驗、有限元的墻體測點溫度，如表3所注:Te為試驗測點溫度;Tc為有限元測點溫度;ΔT為冷熱箱溫差.示.可見，二者在內(nèi)、外側(cè)石膏板、苯板上測點溫度吻合較好，溫差均在1.0℃以內(nèi).而位于龍骨上的測點溫度相差較大，方案一最大溫差達到10.5%、方案二最大溫差為9.5%，均發(fā)生在室內(nèi)側(cè)龍骨翼緣、卷邊交線測點1上.

表3 測點溫度對比 ℃

圖10為試驗、有限元測點溫度的對比圖.方案一的試驗、有限元龍骨測點的溫度相差遠大于兩側(cè)石膏板，且離翼緣越近的測點溫差越大.方案二的試驗、有限元龍骨測點的溫度相差遠大于兩側(cè)石膏板，且室內(nèi)側(cè)石膏板溫差明顯高于室外側(cè)石膏板.

圖10 試驗、有限元溫度測點曲線

由圖10可知，二者龍骨測點溫度局部差異較大，而其余位置測點溫度吻合較好;試驗、有限元所得墻體的傳熱系數(shù)吻合程度較好.

5 結(jié)論

1)腹板開孔輕鋼龍骨復合墻體試驗傳熱系數(shù)為0.315 W/(m2·K)，加苯板外保溫20 mm厚的腹板開孔輕鋼龍骨復合墻體試驗傳熱系數(shù)為0.250 W/(m2·K).

2)兩方案的試驗、有限元所得的墻體傳熱系數(shù)吻合良好;測點溫度總體吻合較好.利用有限元程序進行輕鋼龍骨墻體的傳熱性能分析簡便、可靠.

3)基于試驗結(jié)果并結(jié)合文獻［9］可知，腹板開孔節(jié)能做法簡便、經(jīng)濟，同時對龍骨的承載力降低可以控制在10%以內(nèi);與苯板外保溫做法相比，腹板開孔可以明顯降低墻體的造價，可以省去外貼苯板的加工工序，同時又可以減小墻體的厚度，增大室內(nèi)空間，值得在哈爾濱地區(qū)推廣使用.

4)推薦的輕鋼龍骨節(jié)能墻體設(shè)計方案:對于腹板標準寬度為140 mm的龍骨墻體推薦采用腹板開孔結(jié)合30 mm苯板外保溫做法;對于腹板標準寬度為 205，255 mm的龍骨墻體推薦只采用腹板開孔做法.以上做法可滿足哈爾濱地區(qū)建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能50%以上的傳熱系數(shù)限值要求.

［1］ 中國建筑科學研究院.JGJ 26－95民用建筑節(jié)能設(shè)計標準(采暖居住建筑部分)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1996

［2］ 殷大偉.輕鋼龍骨墻體傳熱與受彎性能分析［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2006.

［3］ KOSNY J，CHRISTIAN J E.Thermal Evaluation of Several Configurations of Insulation and Structural Materials for Some Metal Stud Walls［J］.Energy and Buildings， 1995，22:157 －163.

［4］ KOSNY J，CHRISTIAN J E.Reducing the uncertainties associated with using the ASHRAE zone method for R－value calculations of metal frame walls［R］.ASHRAE Transactions:Symposia.SD－95－5－3:779－788.

［5］ BARBOUR C E，GOODROW J.The thermal performance of steel－framed walls［R］.ASHRAE Transactions:Symposia.SD－95－5－2:766－778.

［6］ SALONVAARA M，NIEMINEN J.Hygrothermal performance of a mew light gauge steel－framed envelope System［R］.ASHRAE Transactions:Symposia.TO－98－22－2:1256 －1262.

［7］ 崔加全.腹板開孔C形截面構(gòu)件傳熱與力學性能的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2003.

［8］ 貝晗.輕鋼龍骨墻體傳熱與軸壓性能分析［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2006.

［9］ 武勝.新型冷彎構(gòu)件力學性能及輕鋼龍骨復合墻體傳熱性能研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學.2008.

［10］ 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50176－93民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1993.

［11］ 中國建筑科學研究院.JG/T 182－2005低層輕型鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅技術(shù)要求［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

Experimental research on thermal behavior of light gauge steel-framed composite walls with slotted studs

WU Sheng1，2，ZHANG Su－mei1，YANG Hua1

(1.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China，jackiebessie@163.com;2.College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)

Two thermal behavior experiments of light gauge steel－framed composite walls with slotted studs and with external thermal insulation layers were carried.The method of thermocouple temperature measurement was used.The heat transfer coefficients and the temperature of measured points of composite wall were deeply investigated and were compared with the FEA model results.Results show that web slotted studs can reduce the heat loss of light gauge steel－framed composite walls，thus weaken the thermal bridge effect of the location in stud part，then significantly improve the thermal insulation properties of composite walls.The composite wall heat transfer coefficient of the two test schemes are 0.315 W/(m2·K)and 0.250 W/(m2·K)respectively，which can meet the residential building envelope heat transfer coefficient limit value of cold areas.

light gauge steel－framed composite walls;slotted in web plate;thermal behavior experiment;finite element analysis(FEA)

TU392.5

A

0367－6234(2010)04－0550－06

2009－03－02.

哈爾濱市墻體材料改革與建筑節(jié)能科研項目(2005－12).

武 勝(1976—)，男，博士，講師;

張素梅(1963—)，女，教授，博士生導師.

(編輯 趙麗瑩)