砖－粉煤灰砌块夹心复合墙体传热系数研究

李建华，曹万林

（1.北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124；2.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

在建筑物的屋顶、门、窗和外墙体等围护构件中，外墙体面积所占比例较大，其保温隔热性能对建筑物的整体保温隔热性能具有较大影响［1－2］.通过墙体的热流量由其保温隔热性能决定，并与建筑物消耗的采暖或空调能量成正比［3－4］，一般用传热系数作为衡量围护墙体保温隔热性能的指标.

对围护墙体热传递的细化研究是建筑节能的基础.周理安［5］研究了碎砖类再生细骨料再生砖墙体的热工性能；唐响亮［6］对聚苯乙烯板夹心墙的热工性能进行了研究，但上述研究均忽略了墙体所处工作环境温、湿度对墙体传热系数理论计算值的影响.在进行细化研究时，应把温、湿度作为影响因素考虑进去.砖－粉煤灰砌块复合墙体作为一种新型墙体构造型式，其保温隔热性能不同于普通砖墙体，但对其热工性能尚未见相关报道.近些年，部分国内外学者［7－8］在进行热湿环境对围护墙体传热性能的影响研究时，认为材料的性能参数不变或使用求解过程复杂的函数表达式会造成实际工程设计应用的不方便.因此，有必要对新型抗震节能一体化的砖－粉煤灰砌块夹心复合墙体进行传热系数细化研究，得出考虑温、湿度的传热系数工程设计计算方法.

本文对砖－粉煤灰砌块夹心复合墙体的传热系数进行研究，提出考虑环境温、湿度并适用于工程设计的传热系数真实值计算方法.通过对比分析4种构造型式墙体试件传热系数的试验值、理论值及真实值，证明采用真实值进行设计更为合理，为砖－粉煤灰砌块夹心复合墙体节能细化设计提供了理论依据及方法.

1 传热性能试验

1.1 试验装置及试验方法

试验在北京市建筑材料检验中心进行，采用CD－WTF稳态热传递性质测定系统，依据GB／T 13475—2008《绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法》，对试件传热系数进行测定.试验装置原理是基于一维稳态传热原理，将试件置于两个温度场的箱体之间，其中的计量箱（热室）模拟冬季室内空气温度、风速、辐射条件，冷箱（冷室）模拟冬季室外空气温度、风速.运行稳定后，测量试件两侧的表面温度、空气温度等主要参数，并计算试件的传热系数.测试装置如图1所示.

图1 围护结构传热测试装置Fig.1 Heat transfer test equipment of maintenance structure

测试前先要对测试装置进行标定；墙体试件内、外面与测试装置的热、冷室相对应.试验步骤为：（1）按测试装置规定的尺寸砌筑墙体试件；（2）试件自然干燥28d后移入试件框内，并用聚氨酯发泡剂密封试件与试件框之间的缝隙，待聚氨酯发泡剂干透后即可将试件框放入测试装置的冷箱与计量箱之间；（3）在试件两侧面各布置9 个温度传感器，用测试装置上自带扣件连结试件框与防护箱；（4）运行测试软件，进行参数设置：冷箱内温度设为－10 ℃，计量箱温度和防护箱内温度设为35 ℃；热室允许温差0.1 ℃，冷室允许温差0.2℃，表面允许温差0.5 ℃；采集时间间隔根据标准设置为10min；（5）设置完成后开始试验，若连续3h热室允许温差、冷室允许温差和表面允许温差均在允许范围内，即结束试验.

1.2 墙体试件构造型式及材料特性

对4种构造型式墙体试件进行研究：普通砖墙体SJ1，普通砖－粉煤灰砌块夹心复合墙体SJ2，再生砖墙体SJ3，再生砖－粉煤灰砌块夹心复合墙体SJ4，各构造型式墙体试件如图2所示.

图2 试件构造型式图Fig.2 Tactic form of wall specimens（size：mm）

经过实测，各试件组成材料的物理参数为：再生砖砌体密度为1 887 kg／m3；普通砖砌体密度为1 662kg／m3；粉煤灰砌块密度为564kg／m3.依据文献［9］，粉煤灰砌块导热系数为0.155W／（m·K）（平均温度10℃下测试）；水泥砂浆密度为1 990kg／m3，导热系数为0.999W／（m·K）（常温下测试）.

2 传热系数计算模型

2.1 理论计算模型

根据传热系数理论计算方法［10］，墙体传热系数K0计算式为：

式中：RN，RW分别为内、外表面换热阻，（m2·K）／W；Ri（i＝1～n）为组成围护结构的第i种材料换热阻，（m2·K）／W，Ri＝di／λi，其中的di为第i 种材料厚度，m，λi为第i种材料导热系数，W／（m·K）；R0为围护结构的传热阻，（m2·K）／W.

2.2 传热系数真实值计算方法

2.2.1 导热系数真实值计算方法

围护结构的传热系数主要由组成围护结构的墙体材料导热系数决定，而墙体材料的导热系数是按照测试标准，在特定环境下按规定试验方法测出并用于传热系数理论计算，可称为导热系数参考计算值.但是，随着环境温、湿度的改变，墙体材料导热系数的真实值与参考计算值会有差异，造成墙体传热系数实际值与按公式（1）计算出的理论值出现偏差，影响节能设计.因此，需对材料处于不同环境中的导热系数真实值进行研究，并把研究成果应用于传热系数计算中.

根据材料的构造和传热机理，材料导热系数真实值λeff由固体当量导热系数λΔ、气体当量导热系数λo、当量辐射导热系数λγ、当量相变化导热系数λj、当量水导热系数λ′w和当量冰导热系数λ″w组成，即：

现有理论计算所采用的导热系数实测值λ已考虑了特定条件下固体当量导热系数λΔ、气体当量导热系数λo、当量辐射导热系数λγ、当量相变化导热系数λj，因此在实际工作环境中，上式可简化为：

式中：Δλt为温差引起的导热系数改变量；为质量湿度（（材料含水量／材料干质量）×100%）改变引起的导热系数改变量；为结冰引起的导热系数改变量；λ为材料导热系数参考计算值.

上述式中：λt为材料平均温度为t时的导热系数，Δλt＝λt－λ；λw为含湿材料的导热系数，＝λwλ；δw为湿度修正系数，δw＝1.15γ2－6.05γ＋14.3，其中的γ为材料密度；wV为要修正材料的容积湿度（（材料每日冷凝水量×材料密度／水的密度）×100%）；λ0℃为材料平均温度为0℃时的导热系数.

温度对粉煤灰砌块导热系数的影响仍可用式（4）表示；湿度对粉煤灰砌块导热系数的影响可用下式表示［12］：

依据文献［9］中水泥砂浆、粉煤灰砌块等导热系数测试标准，经过换算后，可得到水泥砂浆和粉煤灰砌块的λ0℃分别为0.808 5，0.130 0W／（m·K）.

依据文献［13］，当墙体内出现冷凝现象时，其每日的冷凝量wg可表示为：

式中：pA，pB分别为分压力较高一侧和较低一侧空气中的水蒸气分压力，Pa；ps，c为冷凝界面处的饱和水蒸气分压力，Pa；H0，i，H0，e分别为在冷凝界面水蒸气流入一侧和流出一侧的水蒸气渗透阻，（m2·h·Pa）／g.

试验中未发现结冰现象，故结冰量的计算可忽略.

2.2.2 传热系数真实值计算原理

实际情况中，材料的导热系数随着温、湿度的变化而变化，因此需对材料的导热系数进行温、湿度修正.在一维传热计算过程中，始终满足以下方程：

式中：q为热流量，W／m2；qi为墙体内表面热流量，W／m2；qe为墙体外表面热流量，W／m2；qλ为 通过墙体的热流量，W／m2；θm为多层平壁内任一层的内表面温度，K；te为室外空气温度，K；Rm（m＝1，2，…，n）为传热阻，（m2·K）／W；ti为室内空气温度，K.

另外有：

式中：ω 为水蒸气渗透强度，g／（m2·h）；pi，pe分别为室内空气和室外空气中的水蒸气分压力，Pa；H0为围护结构的总水蒸气渗透阻，（m2·h·Pa）／g；Hm（m＝1，2，…，n）为各组成材料的水蒸气渗透阻，（m2·h·Pa）／g；pm（m＝1，2，…，n）为多层平壁内任一层内表面的水蒸气分压力，Pa.

2.2.3 传热系数真实值计算流程

墙体试件传热系数真实值计算过程如图3所示.

图3 墙体传热系数真实值计算流程Fig.3 Process of calculating actual value of heat transfer coefficient

2.3 传热系数测定系统测试原理

通过CD－WTF稳态热传递性质测定系统，测量出试件两侧的表面温度、空气温度、热侧及冷侧导流屏的表面温度、计量箱内外表面温差以及输入热室内的电加热器功率等主要参数，可计算通过计量箱壁的热流量q1，进而计算出围护结构的传热系数［14］.计算式如下所示：

式中：M1为计量箱壁热流系数，本试验使用的仪器通过标定后取5.991 W／（m2·K）；tis为计量箱（热室）内表面温度，K；tes为热室外表面温度，K；tni为热侧环境温度，K；tne为冷侧环境温度，K；A 为计量箱计算面积，m2；qp为总输入热流量，W／m2；q1为通过计量箱壁的热流量，W／m2.

3 结果及讨论

3.1 墙体传热系数试验值、理论值及真实值

根据墙体传热系数测试数据，依据公式（12），（13），可计算出4种墙体试件传热系数的试验值.对于SJ1和SJ3试件而言，可将传热系数试验值代入式（1），（4），从而计算出再生砖墙体及普通砖墙体的λ0℃分别为0.616，0.435 69 W／（m·K）.对于本文主要研究对象SJ2和SJ4试件而言，则可依据式（1）计算出传热导数的理论值.同时依据真实值计算流程（图3），又可计算出试验条件下传热系数真实值，其结果如表1所示.

表1 墙体传热系数试验值、理论值及真实值对比Table 1 Comparison between experimental values，theoretical values and actual values of wall heat transfer coefficients W／（m2·K）

3.2 结果分析

（1）SJ2，SJ4试件的传热系数理论值、真实值均小于试验值，原因为：（a）依据文献［9］采用的边界层热阻和材料导热系数与材料真实导热系数有差异，从而造成这3个数值产生差异；（b）理论值没有考虑材料温度、湿度变化对导热系数的影响，造成理论值及真实值与试验值有差异，但通过修正的真实值与试验值较为接近，误差更小.

（2）由表1可知，SJ2试件在SJ1试件的基础上复合了120 mm 粉煤灰砌块后，其传热系数降低了51%，保温性能显著提高；SJ4试件在SJ3试件的基础上复合了120mm 粉煤灰砌块后，其传热系数降低了60%.SJ3试件的传热系数试验值比SJ1试件大27%，而在它们的基础上复合了120mm 粉煤灰砌块后，SJ4 试件和SJ2 试件的传热系数差值降为3.8%.由此可知，粉煤灰砌块对墙体传热系数的影响明显，它能显著提高墙体的保温性能.

（3）由表1可知，SJ2试件和SJ4试件的传热系数真实值均大于理论值，且与试验值更接近.SJ2试件的传热系数理论值比试验值小8.5%，真实值比试验值小3.7%；SJ4试件的传热系数理论值比试验值小3.0%，真实值比试验值小0.36%.说明通过修正的传热系数真实值能更精确地反映试件的实际工作状况，用于设计中更加合理.

4 结论

（1）根据砖、水泥砂浆和粉煤灰砌块导热系数的特点及其分别与温度、湿度的关系，得出材料导热系数真实值计算表达式，并提出了砖－粉煤灰砌块夹心复合墙体传热系数真实值计算方法.

（2）普通砖墙体与再生砖墙体的传热系数差值较大，两者均复合粉煤灰砌块后，该差值明显变小.粉煤灰砌块应用于墙体中，可显著提高墙体的保温性能；再生砖应用于砖－粉煤灰砌块夹心复合墙体中，在保温性能方面与使用普通砖区别不大.

（3）通过对普通砖－粉煤灰砌块夹心复合墙体和再生砖－粉煤灰砌块夹心复合墙体传热系数试验值、理论值及真实值分析可知，传热系数真实值的计算方法更准确合理，工程设计时采用传热系数真实值更符合实际情况，且能达到更好的节能效果.

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