原竹龙骨组合结构喷涂式环保墙体热工性能研究

赵西平， 李夏婕， 姜梦娇， 胡文斌， 郝际平

(西安建筑科技大学 a. 建筑学院； b. 土木工程学院， 陕西 西安 710055)

近年来，喷涂式环保物料-冷弯薄壁型钢组合墙体在国内外得到了广泛应用，具有良好的保温、隔声以及耐火等性能，取得了显著的社会经济效益[1,2]。若能将喷涂式环保墙体与原竹龙骨组合结构结合起来，能有效弥补原竹结构自身缺点。此外，采用喷涂式的施工方式还可以显著提高建筑结构的整体性及现场营建速度，综合造价具有明显优势，有利于发展集成装配式建筑，适用于节能型低层生态民居的建设。

当前，诸多学者对于竹结构墙体的研究主要集中在力学与保温性能上，而对竹结构墙体的传热特性研究却很少[3,4]。本研究将根据传热学原理和建筑节能标准，设计制作出6种填充不同保温材料、不同厚度的墙体试件，再测定上述墙体的传热系数，并与我国现有严寒和寒冷地区的建筑节能标准对比，验证反推实验墙体内置最佳保温材料的最优厚度。最后，找出影响该墙体热工性能的因素，提出改善措施，使原竹龙骨组合结构墙体在陕西乃至全国得到更好的发展。

1 原竹龙骨组合结构喷涂式环保墙体设计

在原竹龙骨组合结构喷涂式环保墙体的主体结构已确定的前提下，本文将合理选用保温材料，并确定墙体保温形式及厚度，制成6块不同的墙体试件。

1.1 墙体保温布置方式

考虑到外墙内、外保温的构造做法会影响到保温层的耐久性问题，而且多数有机保温材料具有可燃性[5～7]。再加上竹结构特性，本文所研发的原竹龙骨组合结构墙体以竹杆做支撑，内填保温板，两侧抹保温砂浆，属于典型的夹芯保温墙体。

1.2 保温材料的选取

本文所研发的原竹龙骨组合结构墙体，考虑在北方寒冷地区农村范围内推广应用，适用于低层及多层建筑，保温材料内置于墙体结构中，由原竹杆件进行承重。因此，内置的保温材料对于强度及施工工艺方面要求较低，对环保性和耐候性要求也不高，主要从保温性能和造价方面进行考虑。因此，选取综合性能较好且造价较低的EPS灰板、EPS白板、XPS板作为内部填充物。

1.3 原竹龙骨组合结构喷涂式环保墙体设计

原竹龙骨组合结构喷涂式环保墙体的传热系数是评价该墙体热工性能的基础数据，本文将根据节能设计标准对传热系数的要求反推出内置不同保温材料的厚度，并确定6种墙体样本的规格。

原竹龙骨组合结构墙体的研发旨在提高寒冷地区农村住宅围护结构的热工性能，其适用标准应为《农村居住建筑节能设计标准》。但是为了在城镇地区也能广泛推广，也根据《严寒、寒冷地区居住建筑节能设计标准》进行了该试件的设计施工。节能标准对围护结构传热系数的规定如表1所示。

表1 不同节能标准对围护结构传热系数限值的规定

本研究原竹龙骨组合结构墙体原竹骨架两侧需要喷涂的固保防护物料厚度为30 mm，本次试验用防护物料实测导热系数为0.158 W/(m2·K)。设定两竹杆内壁净间距为400 mm，两竹杆外壁至试件边缘均为200 mm。该墙体试件的截面尺寸见图1，本次墙体制作选择以下三种保温材料作为该墙体内部的填充材料，其热物理性能计算参数如表2所示。

图1 原竹龙骨组合墙体各部分尺寸/mm

根据表1，寒冷地区城镇居住建筑外墙传热系数限值为0.45 W/(m2·K)，可推出满足此节能标准的围护结构传热阻R=2.072 m2·K/W。经推导填充不同保温板的厚度d与其导热系数λ的关系式为：

(1)

表2 保温材料热物理性能计算参数

据此可求得该墙体填充不同保温材料的厚度，其中所需EPS白板的厚度约为100 mm，此时墙体试件总厚度为180 mm；所需EPS灰板的厚度约为75 mm，此时墙体总厚度为155 mm；所需XPS板的厚度约为65 mm，此时墙体总厚度为145 mm。

同理可推出在满足寒冷地区屋面传热系数K≤0.35 W/(m2·K)标准下，当填充EPS灰板时，所需厚度约为95 mm，此时试件总厚度175 mm。在满足寒冷地区农村居住建筑外墙传热系数K≤0.65 W/(m2·K)标准下，填充XPS板的厚度约为50 mm，此时试件总厚度为130 mm。在满足寒冷地区农村居住建筑屋面传热系数K≤0.50 W/(m2·K)标准下，填充EPS灰板的厚度约为65 mm，此时试件总厚度为145 mm。

现将六个试件的尺寸规格汇总如表3所示。

这是林露白第一次见老何，她签合同的时候，才知道他的全名是何文山，37岁了，他有两套房子，出租这一套，自己住在对门。

表3 墙体试件规格汇总

2 原竹龙骨组合结构喷涂式环保墙体试件制作

2.1 原竹龙骨试件制作

根据以往研究成果，本次实验所用竹材选用生长在浙江地区的毛竹，分散选取12株直径大约为65，75，100 mm的成熟竹样。

本次原竹龙骨结构骨架由两根纵向竹杆和8根斜向竹条组合而成，截面尺寸为分别1000 mm×1000 mm×180(155，145，175，130，145)mm。原竹直径分别为100(75，65，95，50，65)mm，整个骨架长宽为1000 mm×1000 mm，厚度根据保温板厚度不同而定。骨架制作完成后，在骨架两侧表面悬挂钢丝网，然后在原竹骨架空隙中及钢丝网外侧喷涂固保物料，厚度为30 mm，最后在物料外侧刷10 mm厚的固保抗裂物料，竹骨架及其构造详图如图2所示。

图2 竹骨架构造

2.2 浇筑成型

原竹龙骨组合结构墙体的成型工艺过程主要包括以下四部分：制作模板、布料、放置原竹骨架、振压及脱模。模块成型之后需要一天养护，待养护时间过后进行拆模，并在试件表面均匀涂抹抗裂砂浆。施工过程如图3，4所示。

图3 浇筑过程现场

图4 成型工艺现场

3 原竹龙骨组合结构喷涂式环保墙体热工性能测试

围护结构传热系数是表征建筑物墙体热工性能优劣的重要参数之一，是评价墙体保温效果的重要指标[8]。本文所述墙体的热工性能利用实验室热箱-热流计法进行测试。

3.1 测试设置

本次试验在陕西省建筑科学研究院物理实验室进行，测试设备采用北京东方奥达仪器设备有限公司生产的JW-I型墙体玻璃制品隔热保温检测装置、JW-II型76路多通道建筑热工温度热流巡回检测仪(图5)、JW-Ш型热流计式导热仪、热流计片、热电偶等。温度热流巡回检测仪，具有定点显示、自动存储、打印等功能，每隔30 min记录一次数据，温度测量精度为0.01 ℃。本试验采用26只铜-康铜热电偶和6个热流计。

图5 JW-Π建筑热工温度热流巡回检测仪

将连接在巡检仪上的热电偶用银箔胶布粘贴在墙体的冷热面，每一面上布置6个热电偶，另一面与之对应布置，在距试件10 cm处冷、热箱内分别布置6个热电偶，以测量冷、热箱内空气温度。在布置测点时，参考《建筑物围护结构传热系数及采暖供热量检测方法》，考虑到实际应用中竹骨架的影响，其中2个测点布置在靠近竹骨架处，4个错开竹骨架。各测点布置达到热稳定状态开始数据计量采集，每0.5 h自动采集一次数据，总共采集16次，计算平均值，作为试验结果。试件测点布置如图6所示。

图6 试件测点布置

3.2 测试数据分析

现将六个试件的传热系数及传热阻的实测值和设计值汇总如表4所示。

3.3 填充不同保温材料墙体的热工性能分析

填充不同保温材料墙体的传热阻散点分布如图7所示。当板厚均为65 mm，填充XPS板墙体的传热阻为1.792 m2·K/W，大于填充EPS灰板墙体的传热阻1.561 m2·K/W；板厚为95 mm填充EPS灰板的传热阻为2.465，大于填充100 mmEPS白板墙体的传热阻1.257 m2·K/W。所以填充XPS板的墙体热工性能最好，EPS灰板墙体次之，EPS白板墙体热工性能最差。

表4 传热阻及传热系数数据汇总

图7 填充不同保温材料墙体实测传热阻-厚度分布

3.4 墙体试件传热阻实测值与设计值对比分析及差异分析

六种墙体试件的实测传热阻与其理论设计值的对比如图8所示，实测传热阻均略低于其理论设计值。

图8 设计传热阻与实测传热阻分布

由对比分析可知，填充EPS白板的墙体传热阻实测值与设计值相差最大，填充EPS灰板和XPS板的墙体出现的差异较小。排除保温材料本身质量好坏的因素外，可判定EPS白板出现的差异影响较大，EPS灰板与XPS板墙体的实测值与设计值较吻合，选这两种材料作为填充保温层墙体的保温效果比较接近理想状态。根据造价和导热系数进一步分析，XPS板的经济性不如EPS灰板，所以在原竹龙骨组合结构喷涂式环保墙体的推广过程中，优选EPS灰板作为内部填充材料。

3.5 填充石墨聚苯板材料(EPS)的墙体最佳保温厚度分析

图9为原竹龙骨组合结构墙体的传热系数随填充EPS灰板厚度不同而变化的分布，填充65，75，95 mm厚EPS灰板墙体的实测传热系数分别为0.6，0.483，0.382 W/(m2·K)。填充95 mm厚EPS灰板的墙体可以满足寒冷地区城镇居住建筑外墙K≤0.45 W/(m2·K)的要求，此时试件的整体厚度为175 mm；填充75 mm厚EPS灰板的墙体可以满足寒冷地区农村居住建筑屋顶K≤0.5 W/(m2·K)的要求，此时试件的整体厚度为155 mm；填充65 mm厚EPS灰板的墙体可以满足寒冷地区农村居住建筑外墙K≤0.65 W/(m2·K)的要求，此时试件的整体厚度为145 mm。

图9 填充EPS灰板的墙体实测传热系数-厚度曲线

由图9实测传热系数的趋势线可推测出，在满足寒冷地区城镇居住建筑屋顶、外墙传热系数K分别小于或等于0.3，0.45 W/(m2·K)的前提下，填充EPS灰板的最优厚度分别约为100，80 mm，此时墙体厚度分别为180，160 mm。在满足寒冷地区农村居住建筑屋顶、外墙传热系数K分别小于或等于0.5，0.65 W/(m2·K)的前提下，填充EPS灰板的最优厚度分别约为75，60 mm，此时墙体厚度分别为155，140 mm。

设计值和实测值的偏差有一部分可以通过对墙体的施工严格把控来避免：竹材要经过特殊处理，使含水率降到标准之下[9]；原竹龙骨组合结构墙体内部填充的保温材料从正规厂家选购；为了减弱热桥效应，外铺的钢丝网可以替换为高强度的纤维网格布，原竹骨架与保温板之间的缝隙用保温砂浆填充密实；保温砂浆制备严格按照比添加材料，且搅拌均匀，浇筑厚度按设计尺寸控制好，养护条件应达到规范标准[10～12]。

3.6 实际工程中墙体材料的选用及构造

虽然本次试验中，原竹龙骨组合结构墙体试件的传热系数均低于其理论设计值，本文根据实验值反推满足不同的节能设计标准，在实际工程中能合理选用填充不同保温材料的集中墙体做法(在此处舍弃填充EPS白板和不满足规范要求的试件)。

由表5可知，试件三和试件六均满足寒冷地区农村居住建筑外墙传热系数K≤0.65 W/(m2·K)的要求，根据示范项目的实际需要，可合理选用。试件二满足寒冷地区农村居住建筑屋顶传热系数K≤0.50 W/(m2·K)的要求，试件四满足寒冷地区城镇居住建筑外墙传热系数K≤0.45 W/(m2·K)的要求，可根据其项目工程的建造地点合理选用。

根据前文对EPS板最优厚度的估算，在此选用EPS灰板作为保温材料墙体满足不同规范的参考厚度给实际工程作参考，如表6。相应的构造以155 mm厚墙体为例，如图10。

表5 满足不同节能标准的层次做法

表6 填充EPS灰板满足不同规范要求的参考厚度

图10 155 mm厚墙体构造/mm

考虑到XPS板的经济性相对较低，又由于试验条件、经费的原因，本文未对填充不同厚度XPS板的墙体做全面的分析，只能推测出需满足寒冷地区农村居住建筑屋顶传热系数K≤0.50 W/(m2·K)要求的最优厚度约为65～70 mm。虽然EPS板相对更经济、更适合推广，不过XPS板在抗压、耐湿方面较有优势，在地下墙体和屋面的设计时可考虑用XPS板。

4 结 语

本研究参照《农村居住建筑节能设计标准》和《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》对外墙传热系数的要求，根据传热学基本原理，设计出6种不同材料不同厚度的墙体，并结合墙体传热实验进行论证。优选石墨聚苯板(EPS灰板)和挤塑聚苯板(XPS板)作为原竹龙骨组合结构墙体内部的填充材料。

本文综合考虑保温性能和经济性选用EPS灰板作为该墙体的推广优选材料。根据三个EPS灰板墙体试件的测试数据反推验证，原竹龙骨组合结构墙体满足寒冷地区外墙传热系数K≤0.45 W/(m2·K)的前提下，填充石墨聚苯板的最优厚度为80 mm，整个墙体的最优厚度为160 mm；满足寒冷地区屋顶传热系数K≤0.35 W/(m2·K)的前提下，填充石墨聚苯板的最优厚度为100 mm，整个墙体的最优厚度为180 mm。并对试件进行了优化，为实际工程使用原竹龙骨组合结构墙体提供了一个范例以及最优厚度的参考。