在整个建筑物的能量损失中, 外围护结构的传热损失高达70%~80%, 因此, 建筑节能的重点在于提高建筑外围护结构的保温隔热性能。外墙在建筑外围护结构中所占的比例最大, 是能量损失的主要部位^[1], 因此, 加强外墙的保温隔热措施是开展外围护结构节能工作十分重要的环节。

　　 轻型木结构的墙体以规格材为骨架材料, 采用内外覆面板, 是由保温、隔音、防潮等多层材料构成的复合结构墙体。作为建筑外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的能源消耗影响显著。国外学者对轻型木结构外墙保温体系的研究已有多年的历史, 随着木结构建筑的推广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^[2]。

　　 本文旨在通过试验测定两种常用轻型木结构墙体的平均传热系数, 确定在严寒和寒冷气候区其保温性能可适用的气候分区, 并与数值模拟计算的结果对比, 探讨利用数值模拟方法预测木结构复合墙体综合传热系数的可行性, 以满足日益增多的轻质木结构建筑节能设计的需求。

　　 结合《木结构设计规范》 (GB 50005—2003) ^[3]要求, 轻型木结构复合墙体结构如图1所示, 各层材料如表1所示, 墙体2比墙体1在外侧增加了30mm厚改性EPS外保温。墙体使用材料如下:墙骨柱为SPF (云杉) 规格材, 规格为38×140, 间距为406mm;覆面板为定向刨花板 (OSB) , 规格为1 220×2 440, 厚度为9.5mm;防火石膏板 (GB) 规格为3 000×1 200, 厚度为15mm;纤维水泥板 (FC) 规格为1 220×2 440, 厚度为10mm;改性EPS保温板规格为1 200×600×30;填充材料为玻璃纤维棉, 容重为12kg/m³, 平均厚度为139mm。

　　 试验所用设备和仪器主要包括JW-Ⅰ型墙体保温性能检测装置、JW-Ⅰ型墙体及玻璃制品隔热保温检测装置、JW-Ⅱ型建筑热工温度热流巡回检测仪、热流计片、热电偶等。

　　 轻型木结构墙体为非均质构造, 需对墙体和墙骨柱及玻璃纤维棉填充区分块布置测点以测试其保温性能。将墙体划分为Ⅰ~Ⅴ共5个测试区, 并在墙体冷、热面均布置13个热电偶, 同时在墙体的热面处布置4片热流计, 如图2, 3所示。

　　 将制作好的墙体试件放入试件框架内, 并用聚氨酯发泡剂密封四周。将热电偶用透明胶带井字形粘贴在墙体上 (图3) , 在距试件10cm处的冷、热箱内分别布置3个热电偶, 以测量冷、热箱内的空气温度。在墙体热面处 (石膏板面) 粘贴4片热流计 (图3 (a) ) , 编号为57, 58, 59, 60 (图2 (a) ) 。将冷箱设定为-5℃, 热箱温度设定为26℃, 当冷箱接近设定温度时开启风扇, 调整功率使得墙体进入稳定状态。

　　 在试验中发现开启热箱风扇后无需热箱加热即可达到理想的稳定状态, 而且稳定状态远比开启热箱加热器后达到的稳定状态更理想, 这是由于热箱内风扇本身产热使得冷、热箱的传热进入一个稳定状态。因此, 在以后的试验中均没有开启热箱加热器。为尽可能获得更多稳定状态后的数据, 待墙体达到稳定状态10h后读取数据。关闭设备并取出墙体, 结束试验。

　　 根据《建筑构件稳态热传递性质的测定标定和防护热箱法》 (GB/T 13475—2008) ^[4]的要求, 在实验室可采用标定热箱法对墙体试件的保温性能进行测定, 图4为标定热箱装置原理图。

　　 标定热箱法是基于一维稳态传热原理, 在试件两侧的箱体 (冷箱和热箱) 内, 当温度、风速、辐射达到稳定状态后, 测量空气温度、试件、箱体内外壁的表面温度以及热箱内发热设备 (本实验未开启电加热器, 为电风扇产热) 所发出的全部通过墙体的热流Q₁, 从而求得被测墙体试件的传热系数或热阻, 其中功率由热箱计量, 温度由T型热电偶采集。计算公式如下:

　　 式中:K为试件传热系数, W/ (m²·K) ;R为试件的传热热阻, m²·K/W;Q_p为输入热箱内的总功率, W;Q₂为通过热箱箱壁的散热量, W;Q₃为通过试件框架侧向迂回的散热量, W;A为试件测试部分的面积, m²;t_h, t_c分别为热箱和冷箱环境的空气温度, ℃;t_si, t_se分别为试件热箱面和冷箱面的温度, ℃;R_i, R_e分别为墙体内外表面的换热阻, 分别取0.11m²·K/W, 0.04m²·K/W。

　　 对墙体每个测点进行温差计算, 测试结果见表2, 3, 分别计算出每个区域的热箱侧墙体表面与冷箱侧墙体表面各测点温差平均值, 进而根据公式 (1) ~ (3) 计算出每个热流计测点的热阻和传热系数。

　　 墙体总面积包括Ⅰ~Ⅴ共5个区域, 不含边界墙骨柱及空腔。保温材料填充区域 (Ⅱ, Ⅳ) 与墙骨柱区域 (Ⅲ) 近似于实际墙体中保温材料与墙骨柱的比例, 将区域Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ测试的传热系数进行面积加权, 计算出墙体的平均传热系数。按照下式计算墙体的平均传热系数, 结果见表4。

　　 式中:K为外墙平均传热系数, W/ (m²·K) ;K_w为木框架墙体保温棉填充处的平均传热系数, W/ (m²·K) ;S_w为保温棉所占面积比例, 取86.6%;K_c为木骨架处的传热系数, W/ (m²·K) ;S_c为木骨架所占面积比例, 取13.4%。

　　 利用计算流体力学软件AIRPAK对墙体的稳态传热进行数值模拟, 通过墙体的热流密度推导墙体的平均传热系数。物理模型选用室内零方程模型。墙体内外表面的热边界条件按第三类边界条件设置^[5], 外表面换热系数为23W/ (m²·K) , 室外温度为-5℃;内表面换热系数为8.7W/ (m²·K) , 室内温度为26℃。墙体材料热工参数设置^[6]如表5所示。

　　 墙体1, 2断面温度场分布如图5所示。墙体1, 2的空气间层内的流场如图6所示。由于热空气密度小, 冷空气密度大, 形成了热空气沿空腔一侧木龙骨上升, 冷空气沿另一侧木龙骨下降的循环流动。墙体1, 2的空气间层的温度场分布如图7所示。由图可见明显的温度分层现象, 墙体顶部空气温度高、底部空气温度低。

　　 墙体1内、外表面温度分布如图8所示。外表面温度范围为-4.98~-3.87℃, 温差为1.11℃;内表面温度范围为23.82~25.34℃, 温差为1.52℃。墙体2内、外表面温度分布如图9所示。外表面温度范围为-4.86~-4.48℃, 温差为0.38℃;内表面温度为24.17~25.49℃, 温差为1.32℃。

　　 墙体2与体墙1相比增加了30mm厚的EPS保温层, 室外侧表面 (冷箱侧) 的温度差由1.11℃减小到0.38℃, 室内侧表面 (热箱侧) 温度差由1.52℃

　　 图9墙体2内、外表面温度/℃

　　 减小到1.32℃, 墙体内表面最低温度由23.82℃提高到24.17℃, 温度均匀性的提高有利于改善室内侧头部较热、脚部较冷的现象, 提高室内人员的热舒适性。

　　 墙体1, 2外表面热流密度分布如图10所示, 其中正、负号表示热流密度的方向, 余同。热流密度极大值出现在墙体顶部木龙骨处, 墙体1外表面热流密度极大值为22.90W/m², 墙体2外表面热流密度极大值为10.87W/m²。墙体1, 2内表面热流密度分布如图11所示。热流密度极大值出现在墙体两侧木龙骨处, 墙体1内表面热流密度极大值为17.77W/m², 墙体2内表面热流密度极大值为14.89W/m²。墙体2外表面热流密度极大值比墙体1减少了12.03W/m², 内表面热流密度极大值比墙体1减少了2.88W/m², 反映了增加的EPS外保温对冷桥的削弱。

　　 通过数值模拟得到通过墙体1的热流量为7.393W, 墙体2的热流量为5.936W。外墙平均传热系数计算如下:

　　 式中:A为墙体外表面积, A= (0.038×3+0.368×2) ×1.04=0.884m²;Δt为墙体两侧空气温差, Δt=26- (-5) =31℃。

　　 可得墙体1平均传热系数为0.270W/ (m²·K) , 墙体2平均传热系数为0.217W/ (m²·K) 。

　　 表6为墙体平均传热系数试验测定值与模拟计算值的比较, 误差的原因主要包括:仪器误差、材料的导热系数变化 (例如试验工况下墙体受热, 木材含水率降低造成导热系数减小) 。总体来讲误差小于10%, 可认为试验结果与模拟结果有很好的一致性。

　　 根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》 (JGJ 26—2010) ^[6] (节能65%标准) , 外墙传热系数要求如表7所示, 本试验的墙体2完全满足严寒和寒冷地区建筑节能标准关于传热系数的规定性指标限值, 墙体1不满足严寒A区3层以下建筑传热系数要求。墙体1, 2平均传热系数均满足《北京市居住建筑节能设计标准》 (DB 11-891—2012) ^[7] (节能75%标准) 要求, 如表8所示。

　　 (1) 通过对两种复合木结构保温墙体稳态传热进行试验研究, 得到墙体1平均传热系数为0.26W/ (m²·K) , 可用于严寒和寒冷地区 (严寒A区3层以下建筑除外) 居住建筑节能65%设计, 同时满足北京地区居住建筑节能75%要求。墙体2在墙体1的基础上增加了30mm厚的EPS外保温, 传热系数为0.21W/ (m²·K) , 满足严寒A区所有层数居住建筑的应用。

　　 (2) 研究结果表明在轻质木结构墙体外增加外保温的做法不仅提高了传热系数, 有利于建筑节能, 还提高了外墙内表面温度分布的均匀性, 有利于改善室内环境的热舒适性。

　　 (3) 利用计算流体力学的方法对墙体传热的数值模拟结果表明, 外墙平均传热系数模拟值与试验测定值的误差在10%以内, 一致性良好。因此, 在进行木结构建筑节能设计时可以广泛应用该方法, 即根据材料基本热物性参数对木结构复合墙体稳态传热进行模拟以获得其平均传热系数。该数值模拟方法还可分析外墙保温设计对室内热舒适的影响。