轻型木结构墙体稳态传热性能及其保温材料影响比较

张晓凤，杨茹元，刘芯彤，孙友富,2*

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，南京 210037；2.南京林业大学林业资源高效加工利用协同创新中心，南京 210037)

当前我国建筑行业正处于较为稳定的发展阶段，建筑数量也处于稳定扩张期[1]。随着建筑数量不断增多，随之而来的建筑住宅节能问题也日益突出。轻型木结构建筑因其自重轻、成本低、取材方便，绿色环保和易于施工等特点，在中国建筑领域具有十分广阔的发展前景。轻型木结构墙体的特殊构造导致墙体的传热过程更为复杂，墙骨柱是墙体传热和热量损失的重要环节，因此，轻型木结构建筑的保温隔热成为建筑设计师和住户关注的重要问题。如何有效提升墙体的保温隔热性能是当前发展轻型木结构的关键问题之一[2-3]，也是对居住环境的有力保障，是建设绿色环保、低能耗建筑的关键。

目前，相关学者对墙体热工的研究不再局限于单一的试验法。Straube等[4]采用二维稳态热流模型分析法，研究了热阻较高的墙体热工性能和结构构件对墙体传热性能的影响，并对其进行了量化。Kosny等[5]对真空保温板和气凝胶保温板2种保温材料的保温性能和经济性进行了分析，发现两者的保温性能和经济性能较普通保温板更具优势，气凝胶保温板应用在建筑围护结构中具有可行性。王志强等[6]采用实验室测量法对银杏材空心刨花板的传热性能进行测试，研究表明此类刨花板板材导热系数较低，热量不易通过，且厚度较薄，占用空间小，可用于建筑外墙。与此同时，许多大型模拟分析软件被应用于墙体传热性能研究中，部分学者采用ANSYS有限元软件对各种复合墙体进行热工性能研究，得到孔洞排数与孔洞长度是影响腹板开孔轻钢龙骨墙体传热性能以及主要参数的结论，同时证明了模拟分析法具有可行性[7-8]。张颖璐等[9]研究分析了如何利用BECS计算机模拟软件高效地进行建筑能耗模拟和节能设计，并以常州某住宅进行实例说明，有效改善了建筑热工性能，降低建筑能耗。为促进不同时期轻型木结构建筑墙体热工性能的改善与提升，丁叶蔚等[10]实测南京地区A、B两幢轻型木结构建筑外墙材料导热系数和4种不同组合外墙体，试验表明，4种墙体传热系数均小于0.4 W/(m2·K)，达到严寒地区热工性能设计标准，其中，A幢软木外墙体建筑保温性能优于B幢防腐木外墙体建筑。马艳秋等[11]通过试验测定和数值模拟2种方法，研究了常用轻型木结构墙体的平均传热系数及其在严寒和寒冷地区各气候分区中节能设计的适用性。阙泽利等[12]和王菲彬等[13]采用SIPs结构用于贵州传统木构民居改良，芯层选用的发泡聚苯乙烯板(EPS)具有价格低廉、轻质、热稳定性好的特点。王雪花等[14-15]对SIP结构的外覆保温板开展研究，分别对木质OSB、重组竹及竹帘胶合板为覆面材料(厚度12 mm)、EPS为芯层(厚度89 mm)的SIP保温性能进行对比，试验表明，OSB、重组竹、竹帘胶合板的导热系数差异较大，但组合构件SIP传热系数差异不大。可能的原因在于EPS具有良好的保温隔热性能[16-17]。

以上研究为本试验提供了良好的研究基础及可靠的试验依据，然而实际工程调研发现，轻型木结构墙体墙骨柱缺少保温结构，易产生冷热桥，寒冷地区或者室内外温差较大地区冷热桥效应尤其显著。现代木结构外墙保温方式和工程做法与钢筋混凝土墙体的比较尚未形成统一、有效的标准；新型材料具有更加优良的保温隔热性能，且质轻体积小，其优越性对传统保温材料提出了挑战。因此，针对上述3个方面开展轻型木结构墙体稳态传热性能及保温材料影响比较研究，对提高墙体保温能力及建筑节能具有重要意义。

1 材料与方法

选用气凝胶隔热毡、EPS保温板、纳米微珠保温涂料，分别应用于墙骨柱表面层、墙体内侧、石膏板内表面，并根据理论计算优选12种不同构造的墙体试件作为研究对象，通过试验验证保温效果，从而改善墙体的传热系数。

1.1 试验材料

墙体试验材料规格参数及导热系数见表1。此外，纳米微珠保温涂料以自交联丙烯乳液作为成膜物质，以二氧化硅、空心玻璃微珠和六钛甲酸晶须等作为填充材料，并在多种助剂的作用下制备而成；其他材料包括石膏板自攻螺钉、普通圆钉等。

表1 墙体材料规格参数及导热系数Table 1 The specification and thermal conductivity of the wall materials

1.2 试验方法

根据结构特点与材料特性对轻型木结构墙体进行保温措施提升设计，设计12种不同构造的墙体(表2)。因基层墙体和保温层是影响墙体传热性能最重要的环节，且本试验重点分析保温材料对轻型木结构墙体传热性能的影响，为减少试验误差，暂不考虑抹面层及饰面层的作用。12种墙体所采用的OSB和石膏板厚度均为12 mm，所采用的保温棉均为聚酯纤维棉。

表2 墙体保温构造设计Table 2 Wall insulation structure designs

根据试验设备对试验墙体的尺寸要求[18]，本试验墙体尺寸规格确定为1 100 mm×900 mm，墙体框架铺设如图1所示。

注：1～9为温度传感器；a和b为热流计。图1 墙体框架(A)及热流计和温度传感器布置图(B)Fig.1 Wall frame (A)，heat flow meter and temperature sensor layout (B)

1.2.1 测试设备

采用浙江金华试验机销售有限公司制造的JTRG-B建筑热工温度与热流自动测试系统进行测试。系统包括JTRG-B型建筑热工温度与热流自动测试仪、JTRG-B型热箱控制仪、喷墨打印机、系统软件、数字式温度传感器、热流计、Pt100铂热电阻和USB通讯电缆等。

1.2.2 试验过程

木结构墙体构造较为特殊，中间层由墙骨柱和保温棉共同组成，由于2种材料导热系数和所占面积比例不同，导致其传热较为复杂。为让试验更加全面反映整个墙体的传热系数，也为能够测试导热系数较高的墙骨柱位置对墙体传热性能的影响，将温度传感器均匀分布在试件墙体两侧表面的同时，区别测试墙骨柱位置和保温棉位置处的温度和热流密度。基于上述要求，热流计和温度传感器的布置如图1所示。

1.2.3 测试方法

本试验采用标定热箱法与热流计法相结合的试验方法——控温箱-热流计法。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》的要求，当智能检测仪显示温度没有升高或降低趋势，且误差在1%范围内波动时，系统达到稳定状态。

1.2.4 墙体传热系数和日传热量测试

根据测试与计算要求，将测试系统达到稳定状态之后测得的数据进行整理分析。依据GB/T 23483—2009《建筑物围护结构传热系数及采暖供热量检测方法》和GB/T 13475—2008，围护结构的传热系数数据分析一般优先采用算术平均法，根据经验公式(1)和(2)即可计算出墙体热阻和传热系数：

(1)

K=1/(Ri+R+Re)

(2)

式中：R为热阻，m2·K/W；Tij和T0j分别为墙体传热达到稳态后热面和冷面的第j次温度测量值，℃；Ej为墙体传热达到稳态后热流计第j次的测量值，mV；C为热流计的测试系数，取0.1；K为传热系数，W/(m2·K)；Ri和Re分别为墙体内外表面的换热阻，分别取0.11和 0.04 m2·K/W。

由于保温棉与墙骨柱所占面积比例不相等，为保证试验结果的准确性，采用面积加权法经验公式(3)进行计算：

Ka=Kw·Sw+Kc·Sc

(3)

式中：Ka、Kw和Kc分别为墙体、保温棉位置和墙骨柱位置平均传热系数，W/(m2·K)；Sw和Sc分别为保温棉和墙骨柱位置所占比例，本试验分别取79%和20%(综合考虑钉子所占比例及金属对热传递的影响取值)。

墙体日传热量是墙体在一天中传递的热量，由墙体传热经验公式(4)[19-20]确定：

Qday=c/Rk

(4)

(5)

可得出墙体日传热量计算公式为:

(6)

2 结果与分析

2.1 墙体传热系数理论值与实测值比较

将墙体传热系数理论值与试验测量值进行比较(表3)。从表3中可以看出，理论计算值与试验测量值差异不大，各组误差均在10%以内，说明轻型木结构墙体传热系数的理论计算值与试验测量值较为吻合，可在试验前采用理论计算值预估墙体的传热系数值，从而更好地对墙体传热性能进行设计。

表3 理论值与试验测量值的比较Table 3 Comparison of calculated values and experimental measured values

2.2 墙骨柱垫层对墙体传热性能的影响

由表3分析可知，12种墙体墙骨柱处的热流密度比保温棉处的热流密度高16.9%～54.1%，可见墙骨柱确实是热流高度集中的位置。墙骨柱垫层是采用极小导热系数的材料，通过阻碍墙骨柱热量传递减少此处热流密度，从而达到降低墙体传热系数的目的。

铺设垫层的墙骨柱热流密度较未铺设垫层的低很多，经计算，铺设1层和2层墙骨柱垫层比没有铺设垫层的墙骨柱热流密度分别低11.3%～15.1% 和2.1%～28.1%，由此可知，墙骨柱垫层能够有效降低墙骨柱处的热流密度，从而有效降低墙体传热系数。经计算，铺设1层和2层墙骨柱垫层比未铺设垫层的墙体传热系数分别低3.8%～8.1%和11.5%～15.0%。这是因为此种保温措施使墙骨柱位置不易发生冷桥和热桥现象，墙体整面的热流密度也随之降低，从而降低墙体导热系数。国内外研究[21-22]表明，在荷载条件允许的前提下，减少墙骨柱数量可降低墙体传热系数，墙骨柱位置铺设垫层则可在荷载较大、墙骨柱较多时减弱墙骨柱对墙体传热性能的不良影响。

2.3 内保温层对墙体传热性能的影响

内保温层措施借鉴钢筋混凝土外墙保温较为成熟的做法，根据木结构建筑特点在外墙内侧加1层EPS保温板夹层。由于EPS保温板传热系数较低且具有一定的厚度，可达到阻碍热量传递、改善墙体保温性能的效果[18]。

设置内保温层的墙体比没有内保温层的墙体平均热流密度和传热系数均低较多。经计算，前者比后者的平均热流密度低23.8%～25.7%，传热系数低32.4%～35.1%，两者的改善效果均较为理想。此外，由表3可知，有内保温层的墙体比没有内保温层的墙体冷热面温差高2.5 ℃左右，由此可见，内保温层EPS对墙体传热性能的提升效果较为显著。

2.4 保温涂层对墙体传热性能的影响

保温涂层采用低导热系数的纳米微珠保温涂料，制作试件时涂刷在墙体内侧石膏板上，达到增加整面墙体热阻，降低墙体传热系数的目的。纳米微珠保温涂料不仅导热系数较低，而且能够有效减弱热辐射，集反射型与阻隔型于一体[23]。

由12种墙体传热系数试验值比较可知，涂刷保温涂层的墙体传热系数低于未涂刷保温涂层的墙体，经计算，前者比后者低5.9%～8.7%。实际工程中轻型木结构建筑外墙多为外挂板装饰，不宜涂刷涂料。因此，本试验将涂料涂刷在墙体内侧，不对其热阻修正值进行计算。此种改善措施施工简单方便，环保可靠，不占用建筑面积。

2.5 墙体日传热量

计算与分析以北京1月份温度为例，室内温度为18 ℃，日平均气温为-4.1 ℃。根据试验测得12种墙体的热阻，得到墙体日传热量(图2)。从图2中可以看出，12种轻型木结构墙体的日传热量最高为0.26 kW·h/m2，最低为0.13 kW·h/m2。经计算，采取保温隔热改善措施的墙体日传热量比其他类型墙体低7.5%～50.0%，可见所采取的试验方案对墙体保温隔热性能有良好提升。

图2 墙体日传热量Fig.2 Daily heat transfer quantities of walls

2.6 墙体适用气候分区判定

根据我国居住节能设计标准，不同地区对当地建筑节能设计标准有明确规定。根据JGJ26—2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》和DB23/1270—2008《黑龙江省居住建筑节能65%设计标准》规定，将我国严寒和寒冷地区分别分为3个区和2个区，其中，严寒地区分为严寒(A)区、严寒(B)区和严寒(C)区，寒冷地区分为寒冷(A)区和寒冷(B)区。12种墙体的传热系数和每个区域所对应的外墙围护结构热工性能参数值如图3所示。由于我国木结构建筑的层高限值一般在3层以下，此处仅考虑建筑小于或等于3层时外墙围护结构的传热系数。

图3 墙体传热系数与各区域传热系数极限值Fig.3 Heat transfer coefficients of walls and limited values of heat transfer coefficients in different regions

每个区域对应的外墙围护结构热工性能参数限值和每个地区的适用墙体编号如表4所示。由表4可知，本试验所测12种墙体传热系数范围为0.25～0.40 W/(m2·K)，墙体热工级别均为Ⅰt级。适用于严寒(A)区、严寒(B)区和严寒(C)区的墙体分别有5，6和9种。

表4 严寒地区墙体适用地区判定Table 4 Applications of different wall structures in different severe cold areas

3 结 论

本研究通过试验对12种轻型木结构墙体进行稳态传热性能测试，并对试验结果进行分析比较研究。

1)气凝胶毡、EPS保温板及纳米微珠保温涂层3种保温材料具有各自的保温特性。气凝胶毡墙骨柱垫层随厚度增加可减弱或消除轻型木结构墙体冷热桥；EPS内保温层构造墙体蓄热能力较好，改善热传递效果显著；纳米微珠保温涂层可反射与阻隔热量，平衡室内外温差。

2)3种保温材料均能降低墙体的传热系数，提高墙体整体保温性能，但传热系数降低程度存在差异。通过比较分析可知：EPS内保温层传热系数降低百分比>气凝胶毡墙骨柱垫层传热系数降低百分比>纳米微珠保温涂层传热系数降低百分比。理论计算结果与试验结果误差在10%以内，试验可靠性较好。

3)所测12种墙体热工级别均为Ⅰt级，传热系数均低于0.40 W/(m2·K)。其中，5种墙体适用于严寒(A)区、6种墙体适用于严寒(B)区、9种墙体适用于严寒(C)区。采用3种保温材料改善保温措施的墙体具有更加优良的保温性能，各气候分区可根据节能标准合理选择，充分发挥轻型木结构建筑保温隔热、绿色节能的优势，为环境热舒适提供有力保障[24]。