绿色建筑外墙泡沫混凝土复合墙板传热性能检测

廖荣国

外墙面板是建筑物外部防护结构的主体，其隔热、节能效果一般不佳。相关数据显示，与发达国家相比，我国建筑外墙单位面积的能源消耗是发达国家的4 ～5 倍，而与类似气候条件下的发达国家相比，我国冬季供暖的能源消耗是其3 ～5 倍[1]。我国的建筑节能技术同发达国家相比，仍有较大的差距，特别是在面积较大的农村和城镇，建筑住宅外护体结构的节能技术更落后，大部分仅能达到遮风挡雨的建筑功能。如何在房屋建设中节约能源，降低外墙面板能耗，是相关领域研究人员重点关注的问题[2]。绿色建筑和绿色施工是我国建筑业今后发展的重要方向。所以，在大力发展建筑技术节能的背景下，对混凝土结构的新材料和新结构的不断革新显得特别重要。

泡沫混凝土复合墙板相对于传统混凝土墙体结构，具有轻质、高强、保温隔热、耐火系数高、施工简便及可模块化制造等优点，但钢龙骨的导热系数是普通墙体的1000～1500倍，由于其优良的传热特性，会在龙骨处产生过量的热量，造成热桥效应，从而减小墙体的热阻，提高建筑能耗。基于此，本文将开展绿色建筑外墙泡沫混凝土复合墙板传热性能检测研究。

1 设置泡沫混凝土复合墙板传热系数测量装置

为了实现对泡沫混凝土复合墙板传热性能的准确测定，本文选择利用泡沫板制作测量装置。在测量装置中，利用泡沫混凝土复合墙板将装置划分为冷室和热室[3]。操作示意如图1所示。

图1 测量操作示意图（来源：作者自绘）

在测量的过程中，利用电炉、风扇、空调等装置，对室内外温度进行模拟和调整。对于传热性能检测所需的热流密度和温度数据等参数，可通过热流密度测量仪和温度采集仪进行采集。在复合墙板的内外表面上，对称安装有热流密度探针和热电偶，而在冷热室内分别悬挂一个热电偶，用于测量模拟的环境温度[4]。复合墙板平均传热系数的计算公式为：

式中：K为复合墙板平均传热系数；q为传热量；ΔT为温度差。在选择热流密度测量仪时，为不影响最终的检测结果，可选用HFM-8 型号的八通热流密度测量仪。该热流密度测量仪的分辨率为0.1 μV，采样频率最快可达200 Hz。

2 生成绿色建筑外墙泡沫混凝土复合墙板模型单元

完成对泡沫混凝土复合墙板传热系数测量装置的设置之后，可基于以下3 个假设条件，生成绿色建筑外墙泡沫混凝土复合墙板模型单元：第1，假设在不考虑复合墙板不同材料之间可能存在接触热阻的条件下生成；第2，假设在室内外恒温的条件下生成；第3，假设在忽略内外墙面辐射换热的情况下生成[5-6]。

完成上述假设后，对模型单元的相关参数进行合理选择。在此基础上，将该问题归结为稳态热传递。本文设计了一种泡沫混凝土复合墙板的标准模型，其尺寸参数如表1 所示。

表1 泡沫混凝土复合墙板材料的尺寸参数 单位：mm

复合墙板构件的尺寸选用国际通用的轻钢墙体设计标准。墙体的两边是隔热边界，按照《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—2016）中的有关要求，室内和室外的对流换热系数分别为8.5 和21.4 W/（m2·K）。

3 模型验证与复合墙板传热系数计算

本文采用分区热阻法计算复合墙板的传热系数，再通过模拟计算值进行验证[7]。结合上文叙述的对模型单元的3 个假设，将传热性能检测问题转变为稳态传热后计算复合墙板的传热系数。如图2 所示，将复合墙板模型单元划分为4 个分区，每个分区对应的热阻为Rn，对应的面积为Fn。

图2 复合墙板热阻分区示意图（来源：作者自绘）

假设复合墙板沿厚度方向上的截面总面积为F0，针对4 个不同分区，其对应的面积分别为F1、F2、F3、F4。平均热阻的计算公式为：

式中：R¯为平均热阻；R1、R2、……、Rn为每个分区的热阻；Ri为内表面换热阻；Re为外表面换热阻；φ为修正系数。

在结合上述3 个假设条件的基础上，认定复合墙板的厚度方向截面的热流密度相同，本文提出了一种计算方法，该方法可以用墙体在壁厚方向上的任何剖面的平均热流量表示。在此基础上，计算出墙体模型中各节点的温度分布[8]。将温度—墙板宽度曲线进行积分，然后取平均，就可以得出复合墙板的内外表面的平均温度。这一过程的计算公式为：

在测量的过程中，通过热箱装置可以测定标准不开孔条件下泡沫混凝土复合墙板的平均传热系数[9]。对泡沫混凝土复合墙板传热系数的理论计算值、测量值和模拟分析值进行对比分析，可进一步验证该检测方法是否适用于泡沫混凝土复合墙板传热性能检测[10]。将完成验证并合格的检测方法应用到实际绿色建筑外墙泡沫混凝土复合墙板传热性能检测中，获取传热性能以及相关参数结果，完成检测。

4 实例应用分析

为了验证该方法在实际应用中是否能够实现对复合墙板结构传热性能的准确检测，以及哪些因素会影响复合墙板的传热性能，设计以下检测实例。选择将某绿色建筑中使用的泡沫混凝土复合墙板作为研究对象，实物如图3 所示。该墙板以宽度1200 mm、高度2400 mm、厚度250 mm 作为一个计算单元，配置15 个高强螺栓。泡沫混凝土复合墙板的主要材料消耗情况如表2 所示。

表2 泡沫混凝土复合墙板的主要材料消耗情况

图3 测试用泡沫混凝土复合墙板（来源：作者自绘）

在明确该泡沫混凝土复合墙板的基本概况后，为验证本文检测方法的应用可行性，选择将墙板厚度作为变量，应用本文检测方法，针对不同墙板厚度条件下复合墙板的传热系数进行检测，将检测结果与实际测量得到的传热系数进行对比，若二者的差值不超过0.05 W/（m2·K），则证明该检测方法具有可行性；反之，若二者之间差值超过0.05 W/（m2·K），则证明该检测方法的检测结果不准确，不具备实际应用可行性。本文检测方法的检测结果与实测结果如表3 所示。

表3 本文检测方法的检测结果与实测结果

从表2 可以看出，随着墙板厚度增加，传热系数检测结果和传热系数实测结果都呈现逐渐递增的趋势，在相同墙板厚度条件下，2 种传热系数结果的差值不超过0.005 W/（m2·K），充分满足差值不超过0.05 W/（m2·K）的要求。通过上述实例可以证明，本文提出的检测方法能够实现对泡沫混凝土复合墙板传热系数的高精度检测，该检测方法具有极高的应用可行性。在此基础上，利用该检测方法对影响泡沫混凝土复合墙板传热性能的因素进行研究。以上述选择的泡沫混凝土复合墙板为研究对象，记录不同开孔排数条件下复合墙板的传热系数，得到的检测结果如表4 所示。

表4 不同开孔排数条件下的墙板传热系数

为了更好的体现墙板传热系数的变化，将表4 绘制为曲线图，如图4所示。从图4可以看出，在检测过程中，随着孔洞排数的增加，泡沫混凝土复合墙板的传热系数呈现出明显的递减趋势。从检测结果可以看出，开孔排数对泡沫混凝土复合墙板的传热性能会产生一定影响，二者之间存在一定的负相关关系，为确保复合墙板具备较强的传热性能，需要合理设置开孔排数。

图4 墙板传热系数曲线图（来源：作者自绘）

5 结语

综上所述，本文以绿色建筑外墙泡沫混凝土复合墙板为研究对象，针对其传热性能，提出一种全新的检测方法，并且通过实验证明了该检测方法的有效性。在后续的研究中，为进一步实现对泡沫混凝土复合墙板传热性能的掌握，将对不同开孔长度、不同开孔宽度以及复合墙板中不同龙骨厚度条件下的泡沫混凝土复合墙板传热性能进行检测，从而确定具备最优传热性能的泡沫混凝土复合墙板结构参数。