正交胶合竹墙体的保温隔热性能

卢宇杰 吕清芳 刘 烨

(1 东南大学土木工程学院 南京 211189；2 四川大学建筑与环境学院深地科学与工程教育部重点实验室 成都 610065)

原竹材料的几何尺寸和力学性能变异性较大[1]，较难满足现代建筑结构的要求。以竹集成材和重组竹[2]为主的现代工程竹材，能够较好地解决原竹在几何尺寸和力学性能上的变异性，其中集成竹需以大直径竹材为原材料，而重组竹[3]能够以小径杂竹为原料，进一步降低了对竹材原材料的要求。针对竹集成材和重组竹的制备工艺[4-5]、力学性能[6-9]、燃烧性能[10]和材料改性[11]等方面，已开展有一定的研究，推动了我国竹产业的发展。

目前，对于竹墙体保温性能的研究仍然十分有限[12-15]，且多集中于轻框架结构中的竹复合墙体。为突破轻型竹结构高度的限制，推动现代重型竹结构的发展。在正交胶合木(CLT) 的启发下，本文针对一种新型工程竹产品——正交胶合竹(Cross-Laminated Bamboo，简称CLB) 结构使用的可行性开展了系列研究，基于已有试验数据建立了CLB 墙体和EPS (聚苯乙烯) -CLB 复合墙体的有限元模型，通过对比稳态传热过程，验证了有限元模型的有效性。在此基础上，进一步研究CLB 墙体和EPS-CLB 复合墙体的非稳态传热过程，研究内保温、外保温以及夹心保温3 种不同形式的复合墙体在高温、低温作用下的墙体内温度场随时间的变化规律。最后为了定性判断CLB 墙体建筑整体能耗的影响，采用能耗模拟软件DeST 建立了一栋竹结构别墅的住宅模型，研究CLB 墙体对竹结构建筑全年温度负荷的影响，以评价采用CLB 墙体的竹结构的节能性能。

1 基于CLB 稳态试验的有限元模型

正交胶合竹(CLB) 由顺纹和横纹板材正交交错层积而成，层板为由原竹加工而成的重组竹单板，层板胶合后经热压固化处理形成CLB 板。本研究利用有限元分析软件Abaqus 建立了稳态热传递过程下的CLB 墙体和EPS-CLB 复合墙体的模型，通过有限元模拟数据和相关公式计算得到稳态传热下CLB 墙体和EPS-CLB 复合墙体的传热系数，并与控温箱—热流计法试验测得传热系数值相比较，以验证该有限元模型的有效性。

1.1 试验概况

控温箱—热流计法[16]是将热流计法和热箱法相结合的试验方法，利用冷热箱装置建立稳态传热环境，通过传感器测量流经墙体的热流密度和两侧温度，当达到稳态传热后，选取相邻2 个周期(1 个周期为3 h) 的数据进行分析，得到墙体的热阻和传热系数。通过试验控温箱—热流计法对10 种不同构造的CLB 墙体和EPS-CLB 复合墙体进行试验，墙体长宽均为980 mm，墙体厚度以及详细构造见表1。

表1 CLB 墙体厚度及其构造Tab.1 Thickness and configuration of CLB walls

将热箱温度设置为26 ℃，冷箱温度设置为-5 ℃，经过24 h 后进入稳态传热过程，根据试验数据和《采暖居住建筑节能检验标准》[17]可计算单个测量周期的传热系数，如公式 (1) 和(2) 所示。当2 个连续测量周期的传热系数误差均小于1%时，则定义此数据为有效并将其平均值定义为传热系数试验值，结果如表2 所示。

表2 墙体传热系数试验计算结果Tab.2 Experimental results of walls' heat transfer coefficient

公式(1) 和(2) 中，R为墙体自身的热阻，(m2·K)/W；ΔT为墙体内、外表面温差，℃；q为墙体内表面的热流密度，W/m2；θ1j、θ2j分别为墙体内、外表面温度的第j次测量值，℃；qj为热流密度的第j次测量值，W/m2；K为墙体的传热系数，W/ (m2·K)；R′为墙体的总传热阻，(m2·K)/W；Ri为墙体内表面换热阻，(m2·K)/W，根据《民用建筑热工设计规范》[18]取0.11 (m2·K)/W；Re为墙体外表面换热阻，(m2·K)/W，根据《民用建筑热工设计规范》取0.04 (m2·K)/W。

1.2 稳态传热有限元模型的建立

通过Abaqus 软件分别对1.1 中的B4 (30)E0、B3 (30) E1 和B3 (40) E1 建立模型。重组竹和EPS 泡沫板的导热系数(λ) 通过试验防护热板法测得，其比热容(C) 通过规范《民用建筑热工设计规范》和文献[19]查得，胶的热物理性能参数由厂家提供。墙体各组成材料的热物理性能参数见表3。

表3 墙体中各组成材料的热物理性能参数Tab.3 Thermal physical parameters of materials used in the wall

模型边界条件定义为墙体所处环境温度及墙体与空气间的表面换热系数。为了与试验进行对比验证，将墙体一侧的温度设为26 ℃，用以模拟室内环境温度；墙体另一侧的温度设定为-5 ℃，以模拟室外环境温度。墙体内表面和外表面换热系数分别取8.7 W/ (m2·K) 及23.0 W/ (m2·K)[18]。考虑到墙体内、外的表面辐射，取表面辐射率εr为0.9[20]。此外将绝对零度设为-273.15 ℃，斯忒藩—玻尔兹曼 (Stefan-Boltzmann) 常数取5.67×10-8W/ (m2·K)[20]。模型中网格单元采用DC2D4 四节点四边形传热单元。

1.3 稳态传热有限元模型的验证

通过有限元模拟，计算得到达稳态后CLB 墙体和EPS-CLB 墙体的热流密度，图1 为3 种墙体的热流密度模拟值和通过控温箱—热流计法测得热流密度试验值对比图。可以看出，模拟值与试验值吻合较好。

图1 热流密度模拟值与试验值对比Fig.1 Comparison of simulated and experimental values of heat flux density

根据有限元分析得到的结果和公式 (1)、(2)，可以计算出墙体传热系数的模拟值Ks，见表4。墙体传热系数的试验值(表2) 与模拟值(表4) 对比可得(表5)，模拟值与试验值的最大误差为15.41%，平均误差为5.67%，其误差较小，证明了该有限元模型的有效性，说明该模型可以用于墙体的非稳态传热分析中。

表4 墙体传热系数模拟值Tab.4 Simulated value of walls' heat transfer coefficient

表5 墙体传热系数试验值与模拟值对比Tab.5 Comparison between experimental and simulatedvalues of wall heat transfer coefficient

2 非稳态传热分析

将墙体受到的太阳辐射转化为当量温度，使太阳辐射作用和室外干球温度能够相叠加用来分析墙体的非稳态传热。建立在受到温度周期性变化下的5 种不同墙体的有限元模型，分析CLB 墙体的非稳态传热过程，并比较EPS 保温板放置在墙体不同位置处对CLB 墙体传热性能的影响。

2.1 太阳辐射当量温度

基于气象模型Medpha 中南京市典型气象年数据，通过《建筑热过程》[21]计算得到朝向为南的墙体所受的直射辐射和散射辐射后，再根据《民用建筑热工设计规范》附录B.4 和《建筑热过程》将直射辐射和散射辐射计算为当量温度后与干球温度叠加成为综合温度，如图2 所示。

图2 夏季及冬季室外空气综合温度Fig.2 Comprehensive temperature of outdoor air in summer and winter

从图2 可得，在夏季中午，太阳辐射引起的等效气温增量高达10 ℃之多，在冬季中午，太阳辐射引起的等效气温增量也超过了5 ℃，足见太阳辐射的影响之大。因此，在研究建筑墙体温度荷载作用时，必须考虑太阳辐射的作用。采用Origin 软件使用正交距离回归的迭代算法将作用于CLB 外墙的室外综合温度荷载拟合成正弦函数，夏季和冬季室外综合温度荷载的拟合结果如图3 和图4 所示。

图3 夏季室外综合温度拟合图Fig.3 Fitting curve of outdoor comprehensive temperature in summer

图4 冬季室外综合温度拟合图Fig.4 Fitting curve of outdoor comprehensive temperature in winter

2 个拟合曲线的相关系数(R) 均在0.95 以上，逐时温度数据和拟合函数对应点的残差平方均值小于1 ℃，离散数据和拟合函数的相关性较好，拟合的正弦函数准确度较高。在下一步Abaqus 的非稳态传热分析中，将此周期性分布函数施加为墙体的温度荷载边界条件。

2.2 非稳态传热有限元模型的建立

为考虑实际墙体外侧砂浆抹面的影响，在墙体外侧添加10 mm 厚的砂浆层，图5 是5 种墙体的构造剖面图。每种墙体总厚度均为160 mm(包含10 mm 砂浆层)，且长、宽均为980 mm，模型参照1.1 中的稳态传热模型建立。表6 和表7 分别为部分组成材料的热物理参数[18]以及各墙体的详细构造，其余材料的热物理参数见表3。

图5 5 种墙体模型的构造剖面图Fig.5 Structural profiles of five kinds of walls models

表6 墙体各组成材料的热物理参数Tab.6 Thermal physical parameters of materials used in the wall

表7 5 种墙体的详细构造Tab.7 Detailed configurations of five kinds of walls

2.3 非稳态传热模拟结果与分析

2.3.1 夏季各墙体传热变化

由于外保温式、内保温式和夹心保温式CLB复合墙体的EPS 泡沫板所在的位置不同，为分析不同保温层所在位置不同带来的影响，分别取距离外表面0 (外表面)、10、40、100、160 mm(内表面) 处的表面进行分析，图6 为夏季高温下墙体各位置温度随时间的变化。

从图6 可以看出，在相同外部温度荷载作用下，5 种墙体外表面温度分布并不相同，其中外表面温度峰值从高到低分别为:外保温式CLB 复合墙体42.8 ℃、夹心保温式CLB 复合墙体41.8 ℃、CLB 墙体41.7 ℃、内保温式CLB 复合墙体41.7 ℃、钢筋混凝土墙体39.5 ℃。原因主要是采用外保温方式的CLB 复合墙体由于保温材料的导热系数小、热阻大，使热量大部分被阻挡在砂浆层和保温层的局部区域；而钢筋混凝土材料相较CLB 材料热阻更小，所以钢筋混凝土墙体外表面温度峰值最小，相对应的是钢混墙体抵御室外环境变化的能力最低。由图6 (b) 可以看出，钢混墙体的衰减延迟现象最不明显，墙体内表面温度随着外部温度变化产生较大波动，波峰为37.8 ℃，波谷为29.5 ℃，差值达8.3 ℃，内外表面波峰的温差为1.7 ℃。而CLB 墙体内表面温度最高值为34.8 ℃，最低值为32.5 ℃，差值为2.3 ℃，内、外表面温度最高值的差值为6.9 ℃。显然，CLB 墙体相较于钢筋混凝土墙体，隔热性能优越，内表面温度变化幅度小，室内热环境也更为稳定，可作为一种优异的建筑墙体推广应用。

图6 夏季不同墙体各位置处温度时程曲线Fig.6 Temperature time-history curves of different wall positions in summer

比较图6 (c)、(d) 和(e)，可以发现采用外保温和夹心保温方式的CLB 墙体在分析的最后1 个周期内，内表面温度的波峰与波谷的差值仅为1 ℃左右，而采用内保温方式的CLB 墙体在分析的最后1 个周期内，内表面温度的波峰与波谷的差值为3.8 ℃。3 种保温方式的CLB 墙体在最后1 个周期内的内表面平均温度相差小于1 ℃，其中外保温式CLB 复合墙体的内表面平均温度最低，为33.24 ℃。因此，从保温性能上来看，在夏季高温作用下墙体采用外保温方式最佳。

2.3.2 冬季各墙体传热变化

取16 ℃为初始墙体温度，加载时间设为8 d。其中，图7 为冬季低温下墙体各位置温度随时间的变化。如图7 所示，各种墙体在低温环境下的内部温度场变化与高温作用下类似，即各墙体表面温度随着室外温度的变化而发生周期性的变化，且随着时间增加逐渐趋于稳定。CLB 墙体、钢筋混凝土墙体、外保温式墙体、夹心保温式墙体、内保温式墙体的内表面温度变化幅度分别为2.5、8.5、0.8、1.3 和3.9 ℃。可以看出，CLB墙体比钢筋混凝土材料墙体有着更为优秀的保温隔热性能。同时，保温层的合理添加可以显著减少墙体与外部环境之间的热交换，减少外部温度变化对墙体内表面温度即室内环境的影响，并有助于保持室内热条件的稳定性和室内环境的舒适性。

图7 冬季不同墙体各位置处温度时程曲线Fig.7 Temperature time-history curves of different wall positions in winter

然而，保温层的不同位置会影响墙体结构层的耐久性。比较40 mm 处各墙体的温度分布可知，CLB 外保温复合墙体表面温度最高点与最低点温差仅为3.2 ℃，温度变化明显小于其他墙体。CLB 夹层保温复合墙体的温度变化范围最大，最高点与最低点温差为12.5 ℃。在循环往复作用的情况下，对墙体持力层的长期耐久性，如抗低温性和抗疲劳性是非常不利的因素。因此，在冬季低温作用下墙体采用外保温方式最佳。

3 建筑能耗分析

以南京市的一栋竹结构建筑为原型，通过DeST 建立了采用CLB 墙体的竹结构模型，以分析采用CLB 墙体的竹结构建筑其能耗情况。

3.1 建筑模型

原型建筑为2 层:一层层高3.2 m，二层层高3.0 m，建筑朝向为南向，住宅建筑面积为184.24 m2，体积为667.1 m3，体形系数为0.49，外墙总面积为291.6 m2，外窗面积为36.72 m2，其中，东、西、南、北的窗墙比分别为0.06、0.06、0.19、0.25。

3.2 模型参数设置

该建筑各围护结构(外墙、内墙、屋面、楼板、门窗) 的结构构造、热工参数及对应的限值见表8。

表8 建筑围护结构构造和传热系数及对应的限值Tab.8 Heat transfer coefficient and corresponding limits of different enclosure structures

建筑模型房间布局如图8 所示，住宅总人数设为5 人，对房间功能类型和人员、灯光、设备热扰等参数的设置如表9 所示。

图8 建筑模型房间布局Fig.8 Room layout of building model

表9 不同房间类型的参数设置Tab.9 Parameter settings for different room types

根据《江苏省居住建筑热环境与节能设计标准》[22]，被动式建筑(无中央空调和中央供暖系统的节能建筑) 的室内热环境计算参数应满足以下要求:冬季室内平均温度不低于18 ℃，夏季室内平均温度不高于26 ℃，通风换气次数为1.0次/h。

因此，在建筑能耗模拟计算中，冬季室内设计温度取18 ℃，夏季室内设计温度取26 ℃，空调采用连续能耗模型。冬季采暖计算时间取当年12 月1 日至次年2 月28 日，历时90 d；夏季空调制冷计算时间为当年6 月15 日至8 月31 日，共77 d。采暖空调设备为家用空气源热泵空调，空调额定能效比值取3.1。

3.3 能耗模拟结果与分析

利用DeST-h 计算了带高山墙的竹结构住宅的全年能耗，如表10 所示。竹结构住宅的年累计热负荷指标为室内平均计算温度保持在18 ℃，单位建筑面积总采暖能耗为33.99 (kW·h)/m2，全年累计冷负荷指标为室内平均计算温度保持在26 ℃，单位建筑面积总制冷能耗为31.54 (kW·h)/m2。由于空调器的额定能效比为3.1，因此计算出采暖期的耗电量为10.96 (kW·h)/m2，制冷期的耗电量为10.17 (kW·h)/m2。根据江苏省《居住建筑热环境与节能设计标准》DGJ32/J 71-2014，被动式建筑的室内热环境应通过采暖和空调降温措施满足标准要求，建筑用电量之和不得超过规定的采暖用电量和空调用电量指标之和，如表11 所示。相比旧标准DGJ32/J 71-2008，新标准要求江苏省所有住宅建筑的设计符合65%的节能率。南京是夏热冬冷地区，因此用电量指标之和应为22.4 (kW·h)/m2。通过在竹结构住宅外采用CLB 围护墙，可使建筑达到江苏省住宅建筑节能率65%的水平。

表10 CLB 结构建筑模拟结果汇总Tab.10 Summary of simulation results of the CLB building

表11 被动建筑供暖耗热量、空调耗冷量、耗电量指标Tab.11 Heating consumption，cooling consumption and power consumption index of passive building

4 结论

本研究将太阳辐射强度转换为空气当量温度，将其与干球温度相加得到室外综合温度。通过有限元模拟5 种墙体的非稳态传热过程，探讨了不同季节外保温、夹层保温和内保温3 种不同保温形式的CLB 复合墙体内部温度场随时间的变化规律，最后采用DeST 软件对带CLB 墙体的竹结构住宅的能耗进行了模拟分析。主要结论如下:

1) 夏季午时太阳辐射引起的等效温升高达10℃，冬季中午太阳辐射引起的等效温升也在5 ℃以上，说明日照强度的影响很大。因此，在研究建筑墙体的温度效应时，必须考虑太阳辐射的影响。

2) CLB 墙体保温性能优于钢筋混凝土墙体，室内热环境更稳定，可推广应用。

3) 冬季和夏季的保温层最合理位置均为CLB墙外侧。采用外保温方法的墙体不仅能显著减少从外部环境流入或流出的热量，使墙体内表面即室内环境受室外温度变化的影响最小化，也可有效降低外界温度波动对墙体承重持力层的影响，更有利于建筑墙体的耐久性，从而延长建筑围护墙体的使用寿命。

4) 采用CLB 墙体的竹结构建筑可满足江苏省住宅建筑节能率(65%) 的要求。