湿热地区墙体传热系数实验室测试温度研究★

冯旭明 黄嘉樑 李锷峰 彭 翔 罗陆平

(广州市建筑材料工业研究所有限公司，广东省材料与构件防火检测技术企业重点实验室，广东 广州 510663)

建筑通过围护结构与环境之间进行直接能量交换，因而围护结构热工性能对建筑节能效果产生重要影响。外墙是围护结构的重要组成部分，各类建筑节能设计标准[1,2]和规范都对外墙传热系数有明确的要求。

墙体传热系数测试主要为实验室和现场两种类型，实验室测试多采用防护热箱法和标定热箱法根据GB/T 13475—2008绝热 稳态传热性质的测定标定和防护热箱法[3]规定开展，现场测试多采用热流计法[4]开展。实验室测试中在墙体室内侧设置热箱，温度多设定为35 ℃，墙体室外侧设置冷箱，多设定为-10 ℃，该方法测试的结果为热流从室内向室外传递时的传热系数。湿热地区由于温高湿重，空调使用时间超过半年，且多数建筑不采暖，全年大部分时间室内温度低于室外温度，热流从室外传向室内。另一方面，常规测试中冷热箱设定温度与夏热冬暖地区环境温度存在明显差异。基于此，选取湿热地区常见墙体材料和构造形式，通过对比分析不同冷热箱温度下的测试结果，确定适合湿热地区墙体传热系数测试的温度范围，为工程检测和质量监管提供参考。

1 研究方法

1.1 研究对象

通过前期调研得知，湿热地区围护结构常用主体材料为加气混凝土砌块，根据节能设计需求，分为附加保温材料层和不附加保温材料层两类，保温材料以保温砂浆较为常见。据此，确定两类墙体为试验对象，具体构造见图1。

试件1构造形式自内向外为20 mm水泥砂浆+200 mm加气混凝土砌块+20 mm水泥砂浆+8 mm外墙砖，试件2构造形式自内向外为20 mm水泥砂浆+200 mm加气混凝土砌块+20 mm玻化微珠保温砂浆+8 mm外墙砖。

墙体传热系数计算方法参照GB 50176—2016民用建筑热工设计规范[5]，传热系数表达式为：

(1)

其中，U为传热系数，W/(m2·K)；Ri为内表面换热阻；Re为外表面换热阻，(m2·K)/W。

Rou表达式为：

(2)

其中，fa，fb，…,fq均为与热流平行各部分面积与总面积的比值；Roua，Roub，…,Rouq为与热流平行各部分的传热阻，(m2·K)/W。

传热阻表达式为：

(3)

其中，δ1，δ2，…，δn均为材料层厚度，m；λ为材料的导热系数，W/(m·K)。

Rol表达式为：

Rol=Ri+R1+R2+…+Rj+…+Rn+Re

(4)

R1，R2，…，Rn表达式如下：

(5)

其中，Raj，Rbj，…，Rqj为与热流垂直方向第j层各部分的热阻，(m2·K)/W。

单一均值材料层热阻表达式如下：

(6)

墙体用水泥砂浆砌筑，水平和垂直灰缝宽度都为10 mm。墙体材料热工性能见表1，传热系数理论计算结果如表2所示。试件1传热系数为0.984 W/(m2·K)，试件2外侧附有保温砂浆，热阻增大，传热系数降低，为0.754 W/(m2·K)。

表1 墙体材料热工性能

表2 传热系数理论计算结果

1.2 测试原理

传热系数测试采用防护热箱法，在稳定状态下测量试件两侧温度和通过试件的热量计算得到传热系数。为提高测试精度，在试件两侧营造均匀稳定的温度场，通过设置防护箱在计量箱内外保持温度稳定均匀以减小热量损失。试件面积2.56 m2(1.6 m×1.6 m)，计量区域面积1.56 m2(1.25 m×1.25 m)。传热系数计算式如下：

(7)

其中,U为传热系数，W/(m2·K)；Φ1为通过试件的热流量，W；A为计量面积，m2；Tni为热侧环境温度；Tne为冷侧环境温度，K。

Φ1=Φp-Φ2

(8)

其中,Φp为输入功率，W；Φ2为计量箱热损，W。

计量箱热损表达式为：

Φ2=M2(Tji-Tje)

(9)

其中,M2为计量箱壁热流系数，W/K；Tji为计量箱内表面温度，K；Tje为计量箱外表面温度，K。

环境温度表达式为：

(10)

辐射换热系数表达式为：

(11)

其中,δ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；Tm为平均辐射温度，K。

平均辐射温度表达式为：

(12)

表面热阻表达式为：

(13)

1.3 试验工况

广州是湿热地区的典型城市，属亚热带季风气候，暖湿多雨，月平均气温13.6 ℃～28.9 ℃，月极端最高气温27.2 ℃～39.1 ℃，月极端最低气温0.8 ℃～22.7 ℃[6]。根据广州市气候特点及居民空调使用习惯，一年中多数时间室外温度高于室内温度，且冬季不采暖，因而墙体传热系数节能性能主要体现在隔热以节省空调能耗。本地区的传热系数测试时应将墙体室外侧置于热箱高温侧，室内侧置于冷箱低温侧。综合以上，传热系数试验工况做如下选择：低温侧确定两个温度选项，为0 ℃和10 ℃，分别代表月极端最低气温和月平均最低气温最小值；高温侧确定三个温度选项，为20 ℃，30 ℃和35 ℃，分别代表月极端最低气温、月平均气温和月极端最高气温最大值；考虑试验冷热侧温差要求，选择以下三种工况进行试验，分别为0 ℃～20 ℃，0 ℃～30 ℃和10 ℃～35 ℃，与常规测试温度范围(-10 ℃～35 ℃)进行比较。

水的传热系数较大，含水率对材料和构造的热工性能影响较大。由于生产工艺的原因，加气混凝土砌块含有一定水分；另外砌筑时需对砌块表面进行润湿处理[7]以增加砌块之间的粘结力，致使试件水分含量较高，较干燥状态热阻减小，传热系数增大。因而试验前应将试件在通风处充分干燥或是通过人工调节室进行养护以减小含水率[8]。本文采用后一种方法，在调节室温度60 ℃下将试件调节至质量稳定。

2 测试结果与分析

传热系数测试结果及与理论计算值偏差见图2。总体来看，各温度范围下传热系数测试结果均大于理论计算结果，其原因是理论计算过程中材料导热系数取值为干燥状态结果，而测试墙体虽经含水率调节，各构造材料依然含有一定水分，导热系数大于理论值，致使传热系数计算结果偏大。详细来看，试件1在冷热侧温度为0 ℃～20 ℃时传热系数U为1.216 W/(m2·K)，较理论值高23.5%，误差最大；冷热侧温度为0 ℃～30 ℃,10 ℃～35 ℃和-10 ℃～35 ℃时，U分别为1.019 W/(m2·K)，1.031 W/(m2·K)和1.014 W/(m2·K)，与理论值误差依次为3.5%，4.8%和3.1%。试件2在各温度范围下测试结果表现与试件1相似，冷热侧温度为0 ℃～20 ℃时U为0.874 W/(m2·K)，误差最大，为15.9%；冷热侧温度为0 ℃～30 ℃，10 ℃～35 ℃和-10 ℃～35 ℃时，U分别为0.767 W/(m2·K)，0.787 W/(m2·K)和0.771 W/(m2·K)，与理论值误差依次为1.8%，4.3%和2.3%。

从以上测试结果来看，冷热箱温差超过30 ℃(冷热侧温度0 ℃～30 ℃和-10 ℃～35 ℃)的测试中，误差范围介于1.8%～3.5%，准确度最高。冷热箱温差为25 ℃(冷热侧温度10 ℃～35 ℃)的两次测试中，误差略高但小于5%，准确度稍低。冷热箱温差为20 ℃(冷热侧温度0 ℃～20 ℃)的两次测试中误差超过15%，偏离较多。结合广州市气候特点，确定适合本地的传热系数实验室测试温度如下：冷箱温度0 ℃～10 ℃，冷热箱温差不小于25 ℃，最好超过30 ℃。

表面热阻测试结果见图3。试件热侧表面热阻测试结果介于0.045(m2·K)/W～0.059(m2·K)/W之间，与GB 50176—2016民用建筑热工设计规范附表B.4.1-2中推荐的夏季外表面换热阻(0.05(m2·K)/W)相近。试件冷侧表面热阻为0.002(m2·K)/W～0.015(m2·K)/W，小于GB 50176—2016民用建筑热工设计规范附表B.4.1-1中推荐的内表面换热阻(0.11(m2·K)/W)，说明标准推荐值偏大。

3 结语

通过对湿热地区典型城市(广州)气候进行分析确定试验工况，应用防护热箱法对两类典型墙体构造进行传热系数测试，以分析测试时冷热箱适宜设定温度，得到主要结论如下：1)传热系数实验室测试冷热箱温差越大，结果准确度越高。结合广州市气候和室内外温度特点，确定适合本地的传热系数实验室测试温度如下：冷箱温度0 ℃～10 ℃，冷热箱温差不小于25 ℃，最好超过30 ℃。2)GB 50176—2016民用建筑热工设计规范附表B.4.1推荐的外表面换热阻与测试结果相近，内表面换热阻偏大。