新型腹板开孔HF1龙骨复合墙体传热传湿研究★

武 胜 韩 彪

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

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新型腹板开孔HF1龙骨复合墙体传热传湿研究★

武 胜 韩 彪

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

在腹板开孔C型轻钢龙骨的研究基础上，利用有限元软件，模拟分析了新型腹板开孔HF1龙骨开孔参数对复合墙体传热传湿的影响，指出腹板开孔轻型钢龙骨复合墙体可大大改善墙体的传热性能，减小热量损失，控制热桥影响。

复合墙体，传热性能，开孔参数，ANSYS

0 引言

我国建筑能耗的总量逐年上升，在能源总消费量中所占的比例已从20世纪70年代末的10%上升到27.45%，逐渐接近30%，且这一比例将会持续攀升，最终接近发达国家目前的33%的水平[1]。

建筑外围护结构的节能设计仍将是我国建筑节能的重点方向。新型轻钢龙骨HF1是由武胜在文献[2]中提出，如图1所示。武胜等对HF1的力学性能进行了详细的研究[2,3]。

1 HF1轻钢龙骨复合墙体有限元模型概况

根据基本假定，问题简化为稳态传热。根据JGJ 26—2010严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准[4]对室内、外热工计算参数的相关规定，取黑龙江省哈尔滨市的室内、外计算温度分别为18 ℃，-22.4 ℃，室内、外的对流换热系数分别为8.7 W/(m2·℃)，23.0 W/(m2·℃)。墙体单元有限元分析模型如图2所示，材料的导热系数分别取钢龙骨58.2 W/(m·℃)，石膏板0.33 W/(m·℃)，岩棉0.045 W/(m·℃)。

墙体编号：Sx-hHF1-t。其中，Sx为墙体类型，x=0为腹板不开孔龙骨复合墙体，x=1为腹板开孔龙骨复合墙体；hHF1-t为龙骨截面参数，h表示龙骨高度，HF1表示截面类型，t表示龙骨厚度。

2 龙骨腹板开孔参数概况

HF1龙骨腹板开孔包括以下五个孔洞参数：孔洞长度lu、宽度lv、横向间距du、纵向间距dv和孔洞排数n，如图3所示。孔洞长度lu取值为50 mm，70 mm，90 mm，110 mm，130 mm；宽度取值为1 mm，2 mm，3 mm，4 mm，5 mm；横向间距du取值为10 mm，20 mm，30 mm，40 mm，50 mm；纵向间距取值dv为5 mm，7 mm，9 mm，11 mm，13 mm。

标准开孔参数取lu=90 mm，lv=3 mm，du=30 mm，dv=9 mm[5,6]。

3 轻钢龙骨HF1腹板开孔参数对墙体传热性能的影响

1)孔长、孔横向间距参数变化对复合墙体传热性能的影响如图4所示。

孔长由50 mm变化到130 mm，复合墙体传热系数呈明显线性减小，且减幅在0.05 W/(m2·℃)左右，说明孔长越大腹板导热路径越长，导致龙骨热损失减小，孔长是影响墙体传热性能的重要参数。

如图5所示，随着孔横向间距的增大，墙体传热系数逐渐减小，且减小不明显。

2)孔宽、孔洞纵向间距对墙体传热性能的影响。

如图6所示，随着孔宽的增大，墙体传热系数变化曲线近似直线，只有墙体模型S1-200HF1-1.2的传热系数在由孔宽3 mm到4 mm时出现略微增大。说明孔宽的变化对墙体传热性能几乎没有影响。如图7所示，随着孔纵向间距的增大墙体传热系数明显增大，说明孔纵向间距增大，孔与孔之间的导热路径变宽，龙骨热损失变大。

3)开孔排数对墙体传热性能的影响。

图8给出开孔排数变化对墙体传热系数的影响，如图8所示，腹板不开孔墙体传热系数到腹板开1排孔墙体传热系数明显减小，这说明，腹板开孔可以有效的降低龙骨热桥效应，具有显著的保温隔热作用。

4 复合墙体传湿研究

1)墙体结露分析。

表面结露指室内墙体表面温度低于室内空气露点温度，与室内墙体接触的水蒸气会从空气中析出并附于室内墙体表面。根据文献《建筑设计资料集》[7]中的要求，对于室内温度18 ℃、相对湿度为60%的环境而言，室内实际水蒸气分压力值1 237.5 Pa，露点温度为10.1 ℃，即：如果室内墙体表面温度低于此露点温度，就会出现表面结露现象。

表1 室内侧墙面最低温度 ℃

表1，表2分别给出随孔洞参数以及开孔排数变化室内墙体表面最低温度表。其中只有孔长较小的墙体模型室内侧墙体温度低于露点温度，其他均满足要求，开孔排数越小越容易出现结露现象。综合上述，孔洞参数对室内墙体表面温度影响较大，在选用时应慎重考虑其影响。

表2 随开孔排数变化墙面最低温度 ℃

2)墙体内部冷凝分析。

内部冷凝是指空气水蒸气会在水蒸气分压力差的作用下通过围护结构，进行湿传递[8]。当水蒸气遇到渗透阻较大的材料层会被阻挡在低温部位，在不同材料层之间空隙中形成冷凝。内部冷凝取决于各层的温度分布和各材料层的渗透阻的大小。内部冷凝计算方法：

a.墙体各层材料水蒸气渗透阻计算公式：

式中：dn——围护结构内一种材料层的厚度，m； μ——材料的蒸汽渗透系数，g/(m·h·Pa)。

b.墙体内部实际水蒸气分压力值计算公式：

式中：ei——室内空气的水蒸气分压力，Pa；ee——室外空气的水蒸气分压力，Pa；H0——围护结构的水蒸气渗透阻，m2·h·Pa/g；从室内侧算起，由第1层至第(n-1)层的蒸气渗透阻之和。

c.墙体内部冷凝强度计算公式：

式中：eA——分压力较高一侧空气的水蒸气分压力，Pa； eB——分压力较低一侧空气的水蒸气分压力，Pa； EC——冷凝界面处的最大水蒸气分压力，Pa； H0·A——在冷凝界面蒸汽流入一侧的蒸气渗透阻，m2·h·Pa/g；

H0·B——在冷凝界面蒸汽流出一侧的蒸气渗透阻，m2·h·Pa/g。

d.S1-200HF1-1.2墙体冷凝分析。

冷凝计算参数根据GB 50176—93民用建筑热工设计规范[9]规定：室内温度ti=18 ℃、相对湿度φi=60%，室内表面换热系数αi=8.7 W/(m2·K)、室内表面换热阻Ri=0.11 m2·K/W；哈尔滨地区采暖期室外平均温度te=-8.5 ℃、相对湿度φe=62%，室外表面换热系数αe=23 W/(m2·K)、室外表面换热阻Re=0.04 m2·K/W。

情况一：龙骨影响区外的墙体。

由表3可得：

R0=0.11+0.036+4.4+0.036+0.04=4.622 m2·K/W；

H0=151.9+409.84+151.9=713.64 m2·h·Pa/g。

表3 材料参数及热阻

计算各层饱和水蒸气分压力。

ANSYS计算得各层温度值T1=16.9 ℃；T2=16.5 ℃；T3=-7.8 ℃；T4=-8.1 ℃。

查表得：E1=1 925.2 Pa；E2=1 875.8 Pa；E3=314.6 Pa；E4=306.6 Pa。

计算室内、外实际水蒸气分压力。

室内水蒸气分压力：ti=18 ℃，查表得Ei=2 062.5 Pa；

室内实际水蒸气分压力：ei=2 062.5×60%=1 237.5 Pa；

室外水蒸气分压力：由te=-8.5 ℃，查表得Ee=296.0 Pa；

室外实际水蒸气分压力：ee=296.0×62%=183.52 Pa。

计算各层实际水蒸气分压力。

e1=ei=1 237.5 Pa；

e2=1 237.5-(151.9/713.64)×(1 237.5-183.52)=1 013.05 Pa；

e3=1 237.5-((151.9+409.84)/713.64)×(1 237.5-183.52)=407.86 Pa；

e4=ee=183.52 Pa。

结果汇总分析见表4。

表4 结果汇总表(一) Pa

由表4结果可知，复合墙体中龙骨影响区外岩棉与室外侧石膏板接触处实际水蒸气分压力大于饱和水蒸气分压力，也就是说，此处会出现冷凝。

计算冷凝强度。

冷凝界面位于岩棉与室外侧石膏板接触处，所以EC=E3=314.60 Pa。

H0·A=151.90+409.84=561.74 m2·h·Pa/g;H0·B=151.90 m2·h·Pa/g。

得冷凝强度：WC=(1 237.5-314.60)/561.74-(314.60-183.52)/151.90=0.78 g/(m2·h)。

情况二：龙骨影响区内的墙体。

计算各层饱和水蒸气分压力。

ANSYS计算得各层温度值T1=13.6 ℃；T2=11.8 ℃；T3=-4.6 ℃；T4=-6.6 ℃。

查表得：E1=1 557.2 Pa；E2=1 383.9 Pa；E3=416 Pa；E4=349.3 Pa。

计算室内、室外以及各层实际水蒸气分压力同情况一相同。

结果汇总分析见表5。

表5 结果汇总表(二) Pa

由表5中结果可知，各层实际水蒸气分压力均小于各层饱和水蒸气分压力，也就是说，龙骨影响区内的墙体部分内部不会出现冷凝。

5 结语

1)HF1龙骨腹板开孔后能明显降低龙骨热桥效应，降低墙体传热系数，提高墙体保温性能；

2)孔长是影响墙体传热性能的重要开孔参数，孔宽则影响不大；孔洞横向间距对墙体传热性能影响较为明显，且随孔洞横向间距的增大沿HF1轻钢龙骨的热传递明显减小，孔洞纵向间距影响则不大；开孔排数对墙体传热性能影响较大，且随着开孔排数增多，传热系数变化趋势渐缓和；

3)表面结露、内部冷凝与复合墙体的保温性能关系密切，孔洞参数选择将直接影响复合墙体的传湿结果。

[1] 武 胜,张素梅.轻钢龙骨复合墙体节能设计方法与研究进展[J].钢结构,2009(11):1-6.

[2] 武 胜,张素梅.新型冷弯翼缘闭合轴压构件力学性能[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2008(4):581-585.

[3] 武 胜,张 厚,王 伟.新型冷弯翼缘闭合构件力学性能研究[J].哈尔滨工业大学学报,2011(10):12-17.

[4] JGJ 26—2010,严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准[S].

[5] 王昭俊,崔永旗,张素梅.腹板开孔轻钢龙骨复合墙体截面参数对传热的影响[J].哈尔滨工业大学学报,2006(10):1786-1788,1792.

[6] 武 胜.新型冷弯构件力学性能及轻钢龙骨复合墙体传热性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2008.

[7] 《建筑设计资料集》编委会.建筑设计资料集[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社,1994.

[8] 华南理工大学.建筑物理[M].广州：华南理工大学出版社,2002.

[9] GB 50176—93,民用建筑热工设计规范[S].

Heat transfer and moisture transfer performance analysis of slotted light steel-framed HF1 composite wall★

Wu Sheng Han Biao

(CollegeofCivilEngineering，NortheastForestryUniversity，Harbin150040，China)

On the basis of the research of the C type light steel framed with web-perforated, the perforated parameters of the new web-perforated HF1 light steel framed composite wall are analyzed by finite element software, on heat transfer and moisture transfer performance, point out the slotted light steel framed composite wall can greatly improve the wall heat transfer performance, reduce the heat loss, and control the thermal bridge effect.

composite wall, heat transfer performance, perforated parameters, ANSYS

1009-6825(2017)01-0194-03

2016-10-24

★：教育部中央高校基本科研业务专项基金项目(项目编号：DL13CB10)；国家自然科学基金项目(项目编号：51008054)

武 胜(1976- )，男，博士，副教授； 韩 彪(1992- )，男，在读硕士

TU111

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