木塑结构复合墙体保温及传热性质研究

郁岗　霍唐军　王立刚

摘 要：木塑结构复合墙体稳态热量传递性质是评价其节能保温的重要指标。为了研究影响木塑结构复合墙体传热系数的因素，提高墙体保温性能的方法，制备了11种不同构造的木塑结构墙体。采用热箱-热流计法检测稳态时墙体的有效传热系数，并对墙体传热系数理论计算值进行了可靠性验证。结果表明：墙体材料的热物理特性、墙骨柱类型和内外墙板面板对传热系数都有影响，所有采用木塑结构复合墙体有效传热系数在0.273-0.359W/（m2·K）之间，满足严寒地区热工级别It（K≤0.4W/（m2·K））。墙体热阻的理论计算值与试验检测值的线性相关度达到0.987。

关键词：木塑结构；复合墙体；隔热性能；传热系数

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.097

木塑结构建筑具有独特的绿色环保、节能、抗震、结构安全、健康舒适等优势，为人们创造了良好的居住环境[1]。创新理念木塑结构复合墙体是以木塑复合材为骨架材料，采用内外覆面板，并由保温、防潮、满足荷载等多层材料构成。作为建筑围护结构的重要组成部分，复合墙体的稳态热量传递性质对建筑物保温及能源消耗影响显著[2]。

随着木塑结构建筑在不同气候区的推广使用，及其新材料的不断涌现，木塑结构墙体保温及稳态热量传递性质成为研究的重点之一。[3]研究木塑结构复合墙体保温及稳态传热性质，有利于揭示热量传递机理，分析影响墙体传热系数的因素，验证复合墙体的保温性能是否达到国家标准，为新型墙体材料和结构体系的开发研究奠定坚实的基础。本文采用国产镀锌轻钢、加拿大SPF规格材、国产木塑复合材、国产OSB定向刨花板、国产纸面防火石膏板、国产塑料（PVC）、国产玻璃纤维棉等材料，进行了木塑结构复合墙体结构设计，选用不同墙体材料的墙骨柱和覆面板的组合方式制备了11种新型试验复合墙体。采用热箱-热流计法对各墙体进行保温性能的检测与评价，探讨了木塑结构复合墙体的保温与稳态热量传递性质以及各材料和墙体结构方式对墙体传热系数的影响，并与传热系数理论计算值进行了比较研究，以期为今后预制复合墙体的保温及传热性质设计提供参考依据[4]。

1 试验材料与墙体构成

木塑结构复合墙体墙骨柱选用截面尺寸均为38×89mm的国产镀锌轻钢、加拿大SPF规格材和国产木塑复合材。外墙覆面板采用厚度为12mm的国产OSB定向刨花板。内墙覆面板采用10厚纸面防火石膏板。外墙挂板采用8厚塑料（PVC）挂板，20厚木塑（PE）外墙板和50厚木塑（PE）外墙板，墙体保温层选用89厚玻璃纤维棉作为保温材料。参考加拿大轻型木结构住宅墙体的设计形式，结合中国GB 50005- 2003《木结构设计规范》[5]以及GB/T50361-2005《木骨架组合墙体技术规范》的规定[6]，木塑结构复合墙体结构设计，图1所示。木塑墙体主要材料与连接方式，如表1.1所示。

木塑结构复合墙体构造如表1.2所示。G1墙骨柱类型采用国产镀锌轻钢，S1-S5墙骨柱类型采用SPF规格材和W1-W5墙骨柱类型采用木塑复合材。S1-S5和W1-W5在墙板形式上依次增加8厚木塑（PVC）内墙板、20厚塑料（PVC）外墙板、20厚木塑（PE）外墙板、50厚木塑（PE）外墙板。

2 实验方法与计算模型

2.1 导热系数检测方法

选取塑料（PVC）、SPF规格材、木塑（PVC）、木塑（PE）、纸面防火石膏板、OSB定向刨花板和铺设挤压度与试验相同的玻璃纤维棉，采用ISOET model 2104 热特性分析仪进行测试。仪器接触传感器量程0.3-2 W/（m·K），用于测量块材的热物理特性；针式插入式传感器量程1-2 W/（m·K），用于测量松散材料的热物理特性。块状材试件尺寸不大于仪器接触式探头，松散材料插入针式探头进行测试。鉴于含水率对导热系数测定有很大影响，对试验材材料中的木塑复合材、SPF规格材和OSB定向刨花板在80℃烘箱中处理24小时，然后在室温下放置24小時，减少含水率对材料导热系数测量的影响。测试过程中温度波动范围不超过2℃。平均15～20min测完一个材料的导热系数。

2.2 传热系数检测方法

按照GB/T 13475-2008《绝热 稳态传热性质的测定 标定和防护热箱法》[7]进行热箱检测。热箱结构由冷箱、热箱和试件框3部分组成。冷热箱内均设置搅拌风扇、均热板以及测温、控温传感器，使内部环境温度分布尽量均匀。通过冷、热箱的温度控制，为墙体冷、热表面提供恒定温差，使墙体能够稳态传热。采用建筑热工温度与传热系数K值巡检仪采集记录温度和热流密度数据。

当热流通过墙体结构时，由于墙体热阻的存在，在厚度方向的温度梯度为衰减过程，在墙体两侧形成稳定的温差。在墙体受热表面的墙骨柱上和墙骨柱之间位置贴上3个热流板，在热流板周围外表面布置9个T型热电偶，并在冷面相应处布置9个T型热电偶。将测试信号输入传热系数K值巡检仪中，在墙体传热达到稳定状态10小时后，读取温度和热流值，并储存记录。通过公式计算得到传热系数K值。

2.3 墙体传热数值计算模型

复合墙体传热数值计算是基于一维稳态传热原理，在试件两侧的箱体（冷箱和热箱）内分别建立所需的温度、风速和辐射条件，达到稳定状态后，测量空气温度、试件和箱体内壁的表面温度及热流密度，就可计算出试件的热传递性质。计算公式如下：

式中：Th为热面测点平均温度，单位是℃；

TC为冷面测点平均温度，单位是℃；

q为热流密度，单位是W/ m2；

Ri和Re为内外表面换热阻，单位是（m2·K）/W；

R为墙体换热阻，单位是（m2·K）/W；

K为墙体传热系数，单位是W /（ m2·K）。

3 结果与讨论

3.1 木塑建筑墙体材料的热物理特性

如表1.3所示，比较实验测得的几种建筑墙体材料的热物理性能参数值发现：轻钢材料的导热系数最高。轻钢>木塑（PE）>塑料（PVC）>木塑（PVC）>SPF规格材。导热系数越小，其热工性能越优。木塑（PE）与常用建筑墙体覆面板（纸面防火石膏板、OSB定向刨花板等）相比，导热系数接近。热工性能方面，保温隔热材料分为：绝热材料λ

3.2 墙骨柱类型对墙体隔热性能影响

11种木塑结构墙体的组成材料和构造方式不同，墙体保温性能存在差异。根据公式（1，2）计算出各复合墙体的热阻值和传热系数 ，如表1.4所示。

G1、S2、W2墙体除墙骨柱类型不同外，其他建筑构造保持一致，以木塑复合材为墙骨柱的墙体的保温性能优于以SPF规格材为墙骨柱的墙体，传热系数从0.368W/（m2·K）降低到0.349W/（m2·K），下降5.16%。且大大优于以轻钢作为墙骨柱的墙体，传热系数相比0.955 W/（m2·K），下降63.5%。造成这种现象的原因是镀锌轻钢是热的良好导体，不利于隔热；其次，虽然木塑的导热系数高于SPF规格材，但50厚木塑墙板经过“目”型截面处理，中间多了几层空气层，空气是热的不良导体，改造后的木塑墙骨柱获得比SPF规格材更好的热工性能，从而将墙体的总传热系数进一步降低。因此，采用合理截面形式能使采用木塑复合材为墙骨柱的墙体获得比采用SPF规格材为墙骨柱的墙体更优的保温隔热性能。此外，木塑结构复合墙体总有效传热系数<0.4 W/（m2·K），满足墙体热工级别中It级标准，适用于严寒地区[9]。

3.3 墙面板对墙体隔热性能影响

如图2所示，以“目”型木塑材作为墙骨柱的墙体的总传热系数大小值比较：W5

3.4 理论计算与试验检测比较

根据GB50176-93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。传热系数计算如下：

式中：R为墙体热阻，单位是（m2·K）/W；

SS为墙骨柱所占墙体面积比例，本试件所占比例为21.2%；

K1为墙骨柱处传热系数，单位是W /（ m2·K）；

KS为保温棉处传热系数，单位是W /（ m2·K）；

如表1.5-1.6和图3所示，由于复合墙体各层之间空隙而增加的热阻和材料的非均质性特性等原因，使理论计算的传热系数与试验检测的传热系数存在一定误差，两者的误差在16%以内，但两者的相关系数是0.987，具有很高的一致性。因此，在试验检测不方便时可通过材料导热系数计算得到木塑结构复合墙体的传热系数。

4 结论

通过上述研究与分析，主要得出以下结论：

（1）木塑集成木构墙体采用的木塑复合材导热系数较低，其中墙体内饰面板用木塑（PVC）导热系数为0.080W/（m·K），外墙面板用木塑（PE）的导热系数为0.338W/（m·K）。内饰面板用木塑（PVC）为板状块材，是一种装饰、热绝缘材料，达到保温材料要求，接近高效保温材料。木塑（PE）的导热系数相比轻钢材料具有很大的隔热优势。采用木塑复合材作为外墙挂板、内墙饰面、墙骨柱等在建筑热工性能方面优势明显。

（2）采用合理截面形式能使采用木塑复合材为墙骨柱的墙体获得比采用SPF规格材和镀锌轻钢为墙骨柱的墙体更优的保温隔热性能。木塑结构复合墙体总有效传热系数U<0.4 W/（m2·K），满足墙体热工级别中It级标准，适用于严寒地区。

（3）外墙挂板采用“目”型截面构造和木塑材料本身优良的热工性能使得采用50mm厚木塑外墙挂板的墙体具有最佳的保温隔热性能。木塑（PVC）内墙饰面板在起到内部装饰作用的同时也能起到很好的隔热作用。合理的将木塑复合材运用于内外墙板材料，采用合理的结构形式能有效提高墙体热工性能。

（4）复合墙体理论计算值与试验检测值的误差在16%以内，两者相关系数为0.987，具有高度一致性。可通过材料导热系数计算得到木塑结构复合墙体的传热系数。

参考文献：

[1]陈兆彬.绿色节能建筑施工技术质量控制与管理[J].商品与质量，2016（43）：232.

[2]田先玲，李大纲，吴正元.木塑外墙挂板结构与性能研究[J]. 新型建筑材料，2010，37（09）：49-52.

[3]李秋义，郑玉春，高嵩.木塑自保温外墙体系节点构造研究[J]. 建设科技，2010（01）：31-33.

[4]王晓欢.轻型木结构住宅节能与墙体传热研究[D].中国林业科学研究院，2009.

[5]中华人民共和国建设部.木结构设计规范[M].中国建筑工业出版社，2003.

[6]GB/T 50361-2005木骨架组合墙体技术规范[S].中国计划出版社，1993.

[7]GB/T 13475-2008绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法[S].中国标准出版社，2008.

[8]吴雪樵.浅析无机保温材料的分类特性及应用前景[J].居业， 2014（12）：52-59.

[9]董升忠，王美燕，孙钢强.7种木塑材料墙体的热工性能分析[J]. 浙江农林大学学报，2011，28（06）：931-936.