廖榮國

外墻面板是建筑物外部防護(hù)結(jié)構(gòu)的主體，其隔熱、節(jié)能效果一般不佳。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，與發(fā)達(dá)國家相比，我國建筑外墻單位面積的能源消耗是發(fā)達(dá)國家的4 ～5 倍，而與類似氣候條件下的發(fā)達(dá)國家相比，我國冬季供暖的能源消耗是其3 ～5 倍[1]。我國的建筑節(jié)能技術(shù)同發(fā)達(dá)國家相比，仍有較大的差距，特別是在面積較大的農(nóng)村和城鎮(zhèn)，建筑住宅外護(hù)體結(jié)構(gòu)的節(jié)能技術(shù)更落后，大部分僅能達(dá)到遮風(fēng)擋雨的建筑功能。如何在房屋建設(shè)中節(jié)約能源，降低外墻面板能耗，是相關(guān)領(lǐng)域研究人員重點關(guān)注的問題[2]。綠色建筑和綠色施工是我國建筑業(yè)今后發(fā)展的重要方向。所以，在大力發(fā)展建筑技術(shù)節(jié)能的背景下，對混凝土結(jié)構(gòu)的新材料和新結(jié)構(gòu)的不斷革新顯得特別重要。

泡沫混凝土復(fù)合墻板相對于傳統(tǒng)混凝土墻體結(jié)構(gòu)，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫隔熱、耐火系數(shù)高、施工簡便及可模塊化制造等優(yōu)點，但鋼龍骨的導(dǎo)熱系數(shù)是普通墻體的1000～1500倍，由于其優(yōu)良的傳熱特性，會在龍骨處產(chǎn)生過量的熱量，造成熱橋效應(yīng)，從而減小墻體的熱阻，提高建筑能耗?；诖耍疚膶㈤_展綠色建筑外墻泡沫混凝土復(fù)合墻板傳熱性能檢測研究。

1 設(shè)置泡沫混凝土復(fù)合墻板傳熱系數(shù)測量裝置

為了實現(xiàn)對泡沫混凝土復(fù)合墻板傳熱性能的準(zhǔn)確測定，本文選擇利用泡沫板制作測量裝置。在測量裝置中，利用泡沫混凝土復(fù)合墻板將裝置劃分為冷室和熱室[3]。操作示意如圖1所示。

圖1 測量操作示意圖（來源：作者自繪）

在測量的過程中，利用電爐、風(fēng)扇、空調(diào)等裝置，對室內(nèi)外溫度進(jìn)行模擬和調(diào)整。對于傳熱性能檢測所需的熱流密度和溫度數(shù)據(jù)等參數(shù)，可通過熱流密度測量儀和溫度采集儀進(jìn)行采集。在復(fù)合墻板的內(nèi)外表面上，對稱安裝有熱流密度探針和熱電偶，而在冷熱室內(nèi)分別懸掛一個熱電偶，用于測量模擬的環(huán)境溫度[4]。復(fù)合墻板平均傳熱系數(shù)的計算公式為：

式中：K為復(fù)合墻板平均傳熱系數(shù)；q為傳熱量；ΔT為溫度差。在選擇熱流密度測量儀時，為不影響最終的檢測結(jié)果，可選用HFM-8 型號的八通熱流密度測量儀。該熱流密度測量儀的分辨率為0.1 μV，采樣頻率最快可達(dá)200 Hz。

2 生成綠色建筑外墻泡沫混凝土復(fù)合墻板模型單元

完成對泡沫混凝土復(fù)合墻板傳熱系數(shù)測量裝置的設(shè)置之后，可基于以下3 個假設(shè)條件，生成綠色建筑外墻泡沫混凝土復(fù)合墻板模型單元：第1，假設(shè)在不考慮復(fù)合墻板不同材料之間可能存在接觸熱阻的條件下生成；第2，假設(shè)在室內(nèi)外恒溫的條件下生成；第3，假設(shè)在忽略內(nèi)外墻面輻射換熱的情況下生成[5-6]。

完成上述假設(shè)后，對模型單元的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理選擇。在此基礎(chǔ)上，將該問題歸結(jié)為穩(wěn)態(tài)熱傳遞。本文設(shè)計了一種泡沫混凝土復(fù)合墻板的標(biāo)準(zhǔn)模型，其尺寸參數(shù)如表1 所示。

表1 泡沫混凝土復(fù)合墻板材料的尺寸參數(shù) 單位：mm

復(fù)合墻板構(gòu)件的尺寸選用國際通用的輕鋼墻體設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。墻體的兩邊是隔熱邊界，按照《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB 50176—2016）中的有關(guān)要求，室內(nèi)和室外的對流換熱系數(shù)分別為8.5 和21.4 W/（m2·K）。

3 模型驗證與復(fù)合墻板傳熱系數(shù)計算

本文采用分區(qū)熱阻法計算復(fù)合墻板的傳熱系數(shù)，再通過模擬計算值進(jìn)行驗證[7]。結(jié)合上文敘述的對模型單元的3 個假設(shè)，將傳熱性能檢測問題轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)傳熱后計算復(fù)合墻板的傳熱系數(shù)。如圖2 所示，將復(fù)合墻板模型單元劃分為4 個分區(qū)，每個分區(qū)對應(yīng)的熱阻為Rn，對應(yīng)的面積為Fn。

圖2 復(fù)合墻板熱阻分區(qū)示意圖（來源：作者自繪）

假設(shè)復(fù)合墻板沿厚度方向上的截面總面積為F0，針對4 個不同分區(qū)，其對應(yīng)的面積分別為F1、F2、F3、F4。平均熱阻的計算公式為：

式中：Rˉ為平均熱阻；R1、R2、……、Rn為每個分區(qū)的熱阻；Ri為內(nèi)表面換熱阻；Re為外表面換熱阻；φ為修正系數(shù)。

在結(jié)合上述3 個假設(shè)條件的基礎(chǔ)上，認(rèn)定復(fù)合墻板的厚度方向截面的熱流密度相同，本文提出了一種計算方法，該方法可以用墻體在壁厚方向上的任何剖面的平均熱流量表示。在此基礎(chǔ)上，計算出墻體模型中各節(jié)點的溫度分布[8]。將溫度—墻板寬度曲線進(jìn)行積分，然后取平均，就可以得出復(fù)合墻板的內(nèi)外表面的平均溫度。這一過程的計算公式為：

在測量的過程中，通過熱箱裝置可以測定標(biāo)準(zhǔn)不開孔條件下泡沫混凝土復(fù)合墻板的平均傳熱系數(shù)[9]。對泡沫混凝土復(fù)合墻板傳熱系數(shù)的理論計算值、測量值和模擬分析值進(jìn)行對比分析，可進(jìn)一步驗證該檢測方法是否適用于泡沫混凝土復(fù)合墻板傳熱性能檢測[10]。將完成驗證并合格的檢測方法應(yīng)用到實際綠色建筑外墻泡沫混凝土復(fù)合墻板傳熱性能檢測中，獲取傳熱性能以及相關(guān)參數(shù)結(jié)果，完成檢測。

4 實例應(yīng)用分析

為了驗證該方法在實際應(yīng)用中是否能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)合墻板結(jié)構(gòu)傳熱性能的準(zhǔn)確檢測，以及哪些因素會影響復(fù)合墻板的傳熱性能，設(shè)計以下檢測實例。選擇將某綠色建筑中使用的泡沫混凝土復(fù)合墻板作為研究對象，實物如圖3 所示。該墻板以寬度1200 mm、高度2400 mm、厚度250 mm 作為一個計算單元，配置15 個高強(qiáng)螺栓。泡沫混凝土復(fù)合墻板的主要材料消耗情況如表2 所示。

表2 泡沫混凝土復(fù)合墻板的主要材料消耗情況

圖3 測試用泡沫混凝土復(fù)合墻板（來源：作者自繪）

在明確該泡沫混凝土復(fù)合墻板的基本概況后，為驗證本文檢測方法的應(yīng)用可行性，選擇將墻板厚度作為變量，應(yīng)用本文檢測方法，針對不同墻板厚度條件下復(fù)合墻板的傳熱系數(shù)進(jìn)行檢測，將檢測結(jié)果與實際測量得到的傳熱系數(shù)進(jìn)行對比，若二者的差值不超過0.05 W/（m2·K），則證明該檢測方法具有可行性；反之，若二者之間差值超過0.05 W/（m2·K），則證明該檢測方法的檢測結(jié)果不準(zhǔn)確，不具備實際應(yīng)用可行性。本文檢測方法的檢測結(jié)果與實測結(jié)果如表3 所示。

表3 本文檢測方法的檢測結(jié)果與實測結(jié)果

從表2 可以看出，隨著墻板厚度增加，傳熱系數(shù)檢測結(jié)果和傳熱系數(shù)實測結(jié)果都呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢，在相同墻板厚度條件下，2 種傳熱系數(shù)結(jié)果的差值不超過0.005 W/（m2·K），充分滿足差值不超過0.05 W/（m2·K）的要求。通過上述實例可以證明，本文提出的檢測方法能夠?qū)崿F(xiàn)對泡沫混凝土復(fù)合墻板傳熱系數(shù)的高精度檢測，該檢測方法具有極高的應(yīng)用可行性。在此基礎(chǔ)上，利用該檢測方法對影響泡沫混凝土復(fù)合墻板傳熱性能的因素進(jìn)行研究。以上述選擇的泡沫混凝土復(fù)合墻板為研究對象，記錄不同開孔排數(shù)條件下復(fù)合墻板的傳熱系數(shù)，得到的檢測結(jié)果如表4 所示。

表4 不同開孔排數(shù)條件下的墻板傳熱系數(shù)

為了更好的體現(xiàn)墻板傳熱系數(shù)的變化，將表4 繪制為曲線圖，如圖4所示。從圖4可以看出，在檢測過程中，隨著孔洞排數(shù)的增加，泡沫混凝土復(fù)合墻板的傳熱系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的遞減趨勢。從檢測結(jié)果可以看出，開孔排數(shù)對泡沫混凝土復(fù)合墻板的傳熱性能會產(chǎn)生一定影響，二者之間存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，為確保復(fù)合墻板具備較強(qiáng)的傳熱性能，需要合理設(shè)置開孔排數(shù)。

圖4 墻板傳熱系數(shù)曲線圖（來源：作者自繪）

5 結(jié)語

綜上所述，本文以綠色建筑外墻泡沫混凝土復(fù)合墻板為研究對象，針對其傳熱性能，提出一種全新的檢測方法，并且通過實驗證明了該檢測方法的有效性。在后續(xù)的研究中，為進(jìn)一步實現(xiàn)對泡沫混凝土復(fù)合墻板傳熱性能的掌握，將對不同開孔長度、不同開孔寬度以及復(fù)合墻板中不同龍骨厚度條件下的泡沫混凝土復(fù)合墻板傳熱性能進(jìn)行檢測，從而確定具備最優(yōu)傳熱性能的泡沫混凝土復(fù)合墻板結(jié)構(gòu)參數(shù)。