轻型木结构剪力墙保温性能测试与分析*

徐 明 黄俣劼 叶 琦 王 正 龚迎春 梁坚坤

（1.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091；2.北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所，北京 100054；3.南京林业大学，江苏 南京 210007；4.凯里学院，贵州 凯里 556000）

在国家“碳达峰、碳中和”的战略目标下，国务院印发2030 年前碳达峰行动方案的通知明确提出了节能降碳增效行动，加强木竹建材等低碳建材产品研发应用。现代木结构建筑是节能、固碳、减排的绿色建筑[1]，与传统钢筋混凝土结构、砌体结构建筑相比，在节能减排、保温性能、抗震抗风性、节能性、设计灵活性等方面都有一定的优势。目前，建筑节能设计是设计环节中的重要内容[2-3]，所有建筑的节能设计必须通过节能专项审查才能进行后续的施工建造。现行建筑节能设计标准都将墙体的平均传热系数作为判定墙体是否满足节能设计标准要求的主要指标。因此，准确预测墙体的平均传热系数是墙体节能设计的主要工作，是完成整个建筑节能设计工作的重要内容[4-6]。

建筑的能耗与围护结构的保温隔热性能是居住者重点关注的内容[7-9]。外墙在建筑外围护结构中占比最大，也是能量损失最多的部位[10-13]。Zoltan等[14]通过建立有限元模型对比北美与北欧的轻型木结构墙体的保温性能，发现两者墙体保温性能基本一致，但北欧墙体对湿气的抵抗能力更好。马艳秋等[15]采用试验测定和数值模拟两种方法，研究轻型木结构墙体的平均传热系数，结果表明：采用30 mm厚的膨胀聚苯乙烯泡沫塑料板外保温的墙体适用于严寒和寒冷地区所有层数居住建筑节能设计。雷舒尧等[16]采用建筑能耗模拟软件EnergyPlus，对南京一高层民宅进行全年能耗动态模拟，结果显示：外墙传热系数是对建筑全年总能耗影响最为显著的参数之一。夏锋等[17]利用热流计法对上海一装配式住宅外墙综合传热系数进行测试并对其全年能耗进行模拟，发现仅考虑传热系数的情况下，该建筑全年能耗显著降低。Milad等[18]采用红外热成像技术，对加拿大木结构建筑围护结构的热性能进行定量评估，该方法可不受墙体边界条件影响，测试结果更为准确。Havvi T等[19]和Awad等[20]对多种木龙骨的保温性能进行了研究，研究表明热量更多从墙骨柱处流出，三种木龙骨保温性能差异不大，均在0.10W/(m2·K)左右。此外，一些学者还对其他木质材料的保温性能展开了研究，Bederina等[21]人的研究表明，木质纤维复合材料的导热系数随着纤维含量的增加而近似呈现线性下降的趋势。而王俊松等[22]基于有限元模型分别以材料的导热系数、龙骨间距、龙骨厚度及墙内钉间距为参数对3种轻型竹木墙体的热工性能进行了模拟分析，认为轻型竹墙与木墙的传热系数相近。

目前，关于已投入使用建筑物的围护结构墙体保温性能的研究主要集中在数值模拟，现场监测的相关研究较少。如何准确地确定已有建筑围护结构传热系数，是评价建筑节能和舒适性的最主要指标，也是建筑结构体系建筑推广和应用的基础和保证。本研究以国内首栋六层梁柱框架-轻型木结构剪力墙结构——山东鼎驰木业有限公司研发大楼为研究对象，对其围护结构传热系数进行研究。选取一楼质检部办公室南侧外墙A与二楼仓库北侧外墙B为试验对象，并将热流计分别呈横向与纵向排列，以探求轻型木结构墙体在胶合木框架体系中的不同部位的保温隔热性能。参照标准GB 50176—2016计算墙体理论传热系数并采用Abaqus软件模拟墙体传热系数，与实际检测结果进行比对。并基于数值模拟结果对墙体内部温度与热流密度分布展开分析探究墙体内部温度及热流分布规律，为未来中高层木结构保温隔热性能的设计工作提供参考。

1 轻木墙体的结构设计

轻型木结构墙体作为围护结构的主要组成部分[23]，主要由石膏板、定向刨花板（OSB）、墙骨柱、保温棉、饰面材料等组成。本研究中的墙体构造如图1所示。

图1 轻型木结构墙体结构示意图Fig.1 Structural diagram of light timber structure wall

内墙面选用防火石膏板，厚度为15 mm；墙骨柱为加拿大进口SPF（Spruce-Pine-Fir ）规格材，截面尺寸为184 mm（厚度）×38 mm（宽度），间距为406 mm；保温层选用普通岩棉，填充在墙骨柱的空隙间，以提升墙体保温隔热性能；墙骨柱两侧覆OSB板将保温棉密封在墙内，同时进一步提高墙体的刚度与抗侧性能，厚度为9 mm；外侧OSB板外再铺设一层防水透气膜，一方面防止外部环境中的水分进入墙体内部，导致木构件霉变，另一方面墙体内部的水蒸气可以正常排出到外部，保持墙体内部干燥；铺设25 mm（厚度）×38 mm（宽度）木龙骨，间距为200 mm，为防水透气膜排出的水蒸气预留空间，同时可以用于水泥压力板的安装固定，水泥压力板厚度为10 mm；最外层为真石漆面层，涂刷于水泥压力板上。墙体各层材料均用螺钉或枪钉连接。

2 材料与方法

2.1 测试对象与仪器

2.1.1 测试对象

本试验所测墙体A与墙体B构造均如图1所示。其中，墙体A为一层质检部南侧外墙，质检部室内面积为18.15 m2，墙体B为二层仓库北侧外墙，仓库室内面积为75.24 m2。

2.1.2 测试仪器

HT-1传热系数测定仪1 台；热流计传感器3片，测试范围0～200 mV；温度传感器14个，精度±0.1℃；建筑热工数据采集处理系统软件一套；扬子NSB-60 立式取暖器，碳素纤维加热方式，最高功率1 000 W。

2.2 测试方法与过程

2.2.1 测试方法

参照标准GB/T23483—2009 《建筑物围护结构传热系数及采暖供热量检测方法》 与JGJ/T357—2015 《围护结构传热系数现场检测技术规程》，采用热流计法对墙体传热系数进行测定，将整个房间作为热箱，通过热流计采集热流数据，测试示意图如图2所示。

图2 传热系数测定示意图Fig.2 Schematic diagram of heat transfer coeきcient

2.2.2 测试流程

1）将热流计与温度传感器用铝箔纸胶带等间距分别粘贴于墙体内外表面，尽量保证其在墙体的投影区域重合。热流计测点布置如图3 所示，现场实际布置如图4 所示。

图3 热流计测点布置示意图Fig.3 Layout of measuring points of heat flow meter

图4 二层仓库北侧外墙现场实测图Fig.4 Site test of the North exterior wall of the warehouse on the second floor

2）采用主动制热措施，提升室内温度，使室内外温差不低于10 ℃，且内外墙体表面温差大于8K，以保证试验数据准确合理。因墙体A位于南侧，白天受阳光照射时间长、强度高，墙体外表面温度与空气温度较高，故用电暖器提升室内空气与墙体内表面温度。墙体B位于北侧且墙体受遮阳结构的保护，白天受太阳照射时间短、强度低，墙体外表面与空气温度较低，故用空调提升室内空气与墙体内表面温度。

3）开启HT-1 传热系数测定仪采集数据，采集完成后对数据进行处理。参照式（1）计算墙体热阻R，式（2）计算墙体传热系数K。

式中：R为墙体热阻，m2·K/W；Ti为墙体内表面温度，K；Te为墙体外表面温度，K；C为热流计标定系数，W/(m2·mV)；E为电动势，mV；K为墙体传热系数，W/(m2·K)；Ri为墙体内表面换热阻，m2·K/W；Re为墙体外表面换热阻， m2·K/W。

2.3 理论计算

参考标准GB50176—2016《民用建筑热工设计规范》[24]对墙体A、B的理论传热系数进行计算，并与试验结果对比，理论计算公式如下：

式中：fa，fb，……fq为与热流平行方向各部分面积占总面积的百分比；Roua，Roub，……Rouq为与热流平行方向各部分的传热阻，m2·K/W；Raj，Rbj，……Rqj为与热流垂直方向第j层各部分的热阻，m2·K/W。

2.4 模拟验证

采用Abaqus软件对建立稳态传热条件下的墙体构造模型，代入墙体各材料热工参数，对墙体内部温度分布及热量流动进行分析。数值模拟技术的模拟结果建立在划分的每一个网格上，对墙体内表面每一个网格的热流密度取均值，代入公式（7），即可得到墙体传热系数的数值模拟结果。

式中：q为墙体平均热流密度，W/m2。

3 结果与分析

3.1 实际检测结果

表2 墙体A传热系数测定结果（纵向）Tab.2 Test results of heat transfer coeきcient of wall A(longitudinal)

表3 墙体B传热系数测定结果Tab.3 Test results of heat transfer coeきcient of wall B

采用热流计法对墙体A与墙体B的传热系数进行测定，得到温度-电压曲线，如图5所示。通道01、通道02为内墙面温度传感器，通道11、12为外墙面温度传感器，通道25为室外温度传感器，通道26为室内温度传感器，通道07为热流计传感器。各测点测试结果见表1～3，传热系数值如图6所示。

图5 墙体B的B1 测点温度-电压曲线图Fig.5 Temperature voltage curve of measuring point B1 of wall B

表1 墙体A传热系数测定结果（横向）Tab.1 Tset results of heat transfer coeきcient of wall A (transverse)

图6 传热系数测试值柱状图Fig.6 Histogram of test values of heat transfer coeきcient

3.2 理论计算结果

墙体结构材料热工参数如表4所示。顺水层的龙骨分布对墙体总体保温性能影响不大，为便于计算，对墙体A、B的构造采用近似化处理，顺水层龙骨设定为203 mm。取保温层38 mm宽度龙骨及368 mm宽度保温棉代入公式（3）～（6）进行计算。保温棉区域传热系数K1=0.201 W/(m2·K)，墙骨柱区域传热系数K2=0.553 W/(m2·K)。由计算结果可知，当处于理想状态下进行测试时，墙体的传热系数应在K1与K2之间，即大于0.207 W/(m2·K)，小于0.553 W/(m2·K)，综合传热系数理论值为0.238 W/(m2·K)。

表4 墙体结构材料热工参数Tab.4 Thermal parameters of wall structure

3.3 数值模拟结果

参考图1的墙体构造，取两根龙骨及相应保温棉区域建立墙体模拟模型，如图7所示，墙体各组成部分导热系数参照表4选取，内外表面温度分别为30 ℃和16 ℃，换热系数分别为8.7和23。墙体结构在垂直地面方向均匀分布，因此取俯视图对墙体温度传递过程以及热流密度分布进行模拟，结果如图8和图9所示。如图8所示，龙骨的导热系数相对保温棉更高，因此热量倾向于从龙骨位置传递，龙骨位置相比于保温棉区域温度更高。这一结论在图9中得到验证，墙体结构的热流密度最大为9.354 W/m2，发生在龙骨中间部位。但值得注意的是，热流密度最小处发生在保温层靠近龙骨柱的保温棉区域，而非内外表面区域，最小为2.732 W/m2，比墙体表面远离龙骨部位热流量小0.130 W/m2左右。保温层的热流主要集中在龙骨区域，在保温层龙骨两侧，热流呈扇形扩散，顺水层的龙骨结构与空气层热阻差异不大，热流密度相差0.300 W/m2左右，可以参考理论计算过程对其进行简化处理。对墙体内表面热流密度取均值，为3.386 W/m2，墙体传热系数模拟值为0.233 W/(m2·K)。

图7 墙体数值模拟构造示意图Fig.7 Schematic diagram of numerical simulation structure of wall

图8 墙体稳态下温度分布模拟图Fig.8 Simulation diagram of temperature distribution of wall under steady state

图9 墙体稳态下热流密度分布模拟图Fig.9 Simulation diagram of heat flux distribution of wall under steady state

3.4 结果分析

传热系数是衡量墙体保温隔热性能的重要指标，传热系数越小，则表示该墙体的保温隔热性能越好。墙体A与墙体B的平均传热系数分别为0.463、0.465、0.374 W/(m2·K)，墙体传热系数的理论值与模拟值分别为0.238 W/(m2·K)和0.233 W/(m2·K)。根据GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》中规定，当体型系数小于0.3时，寒冷地区甲类公共建筑外墙传热系数K应不大于0.5 W/(m2·K)，故A墙体与B墙体传热系数符合规范要求。

由图6可知，A2点传热系数最高，为0.686 W/(m2·K)，该点保温隔热性能最差，B2点最低，为0.262 W/(m2·K)，该点保温隔热性能最好。保温棉区域的传热系数理论计算结果为0.201 W/(m2·K)，龙骨区域传热系数理论结果为0.553 W/(m2·K)，与实测值相比分别低23.3%和19.4%，理论值与实测值之间的误差比例相近。此外，热流计检测点位于窗户下侧，窗户区域间距较小，龙骨分布可能与预设结构存在差异。因此，A2点应当为龙骨区域，B2点为保温棉区域。根据GB/T 50176—2016 《民用建筑热工设计规范》 附录B可知，云杉（热流方向垂直木纹）导热系数λ为0.14 W/(m·K)，岩棉导热系数λ为0.041 W/(m·K)，岩棉的导热系数远小于墙骨柱。因二者导热系数差距过大，墙骨柱的保温隔热性能不如岩棉，热量易从墙骨柱处发生传递，因此墙骨柱在墙内极易形成线型热桥，使得墙体保温性能降低，热流计若覆于墙骨柱投影区域，也将导致传热系数升高，如测点A2、A5、B3。其余各测点所测得结果差异也较大，墙体保温性能极为不均匀。由于轻型木结构墙体保温性能多依赖内部填充的保温棉，有研究表明填充保温棉可明显提高木结构建筑的保温节能性[25],而本次研究保温棉填充过多或过少，都会导致墙体保温性能减弱，故其热工性能受到施工质量的影响较大。寒冷地区为保证墙体保温隔热性能，控制室内温度，提高室内人体舒适度，可在荷载条件允许的情况下适当增大墙骨柱间距，减少墙骨柱在墙面的投影面积。或适当增厚墙体，并在墙体内选用保温隔热性能更好的填充材料。

A墙体位于办公室，B墙体位于仓库，因日常办公需要，A墙体测试期间房门偶尔会短暂开启，且A墙体采用电暖器加热，无法保证室内各处温度基本相同，导致室内温度波动较大，对试验结果有一定的影响。另一方面，测点呈纵向排列时，电暖器无法与测点处于统一高度，下方测点温度高于上方测点。因电暖器加热方式为辐射加热，部分热量会被热流计误读，导致热流偏大，测试值偏大。故测点纵向排列时A1点测试值大于横向排列时的测试值，A墙体传热系数测试值略大于B墙体。

4 结论

本研究主要采用热流计法，对山东鼎驰木业有限公司研发大楼一楼与二楼的墙体传热系数进行检测，并采用理论计算与数值模拟相结合的方式对检测结果进行验证，主要结论如下：

1）墙体A（横向）与墙体A（纵向）的平均传热系数分别为0.463、0.465 W/(m2·K)，墙体B的平均传热系数为0.374 W/(m2·K)，传热系数理论值为0.238 W/(m2·K)，传热系数模拟值为0.233 W/(m2·K)，均符合GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》要求，且达到了寒冷地区甲类公共建筑外墙标准。

2）各测点传热系数实测值差异较大，传热系数最大值为0.686 W/(m2·K)，最小值为0.262W/(m2·K)。墙体保温性能不均匀，墙体保温性能受墙体自身结构形式等因素影响较大。

3）保温层墙骨柱区域热流密度显著高于保温棉区域，墙骨柱处易形成热桥，导致热流量和传热系数大幅上升，保温隔热性能下降。为提高寒冷地区墙体保温隔热性能与室内人体舒适度，可在条件允许的情况下适当增大墙骨柱间距，或增厚墙体并选择更好的保温层材料。