杨 静 饶 鑫 王 正 陈潇涵 张 鹏
摘要： 利用热流计法对两种常用型建筑外墙的传热系数进行现场测量与分析。计算和实测轻型木结构建筑和混凝土建筑外墙结构的传热系数，比较评价这两种不同外墙类型与结构的热工性能，并确定其建筑复合外墙热工级别和适用区域。研究表明，两种常用型建筑外墙体的传热系数的理论值与实测值一致；轻型木结构建筑外墙热工级别达到IIIt级，可用于寒冷、夏热冬冷地区；钢筋混凝土外墙结构较厚，但其保温效果较轻型木结构差。上述以期对轻型木结构建筑、钢筋混凝土建筑节能保温优化设计及其工程应用提供借鉴。 关键词： 轻型木结构； 钢筋混凝土； 外墙结构； 传热系数； 现场测量； 分析
中图分类号：TS653 文献标识码：A 文章编号：1001-5299 （2018） 04-0034-05
DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201804008
Analysis of Heat Transfer Test of Exterior Wall Structure of Two Kinds of Common Buildings
YANG Jing1 RAO Xin2 WANG Zheng2 CHEN Xiao-han1 ZHANG Peng1
(1.Department of Landscape Architecture, Jiangsu Vocational College of Agriculture and Forestry,Jurong 212400, China
2.College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037,China)
Abstract: In this paper, the heat transfer coefficient of two kinds of common buildings'exterior wall is measured and analyzed by heat flow meter method. The heat transfer coefficient of exterior wall structures of timber framed structure building and reinforced concrete building is calculated and measured, and the thermal performance of the two kinds of external wall types and structures is evaluated and measured, the two different types of external walls and the thermal performance of the structure are compared and analyzed，and the building composite wall thermal engineering level and applicable areas are determin
ed. The results show that t h e t h e o r e t i c a l v a l u e s o f t h e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t o f t h e t w o k i n d s o f c o m m o n b u i l d i n g s a r e c o n s i s t e n t w i t h t h e measured values. The thermal performance of the exterior structure of the timber framed structure building is of grade III
t
, which can be used in cold areas and hot summer and cold winter areas. The structure of reinforced concrete wall structure is thick, but its insulation effect is poor than the timber framed structure building. The above mentioned is in order to provide reference for the optimization design and engineering application of timber framed structure building and reinforced concrete building.
Key words: Timber framed structure building; Reinforced concrete building; Exterior wall structure; Transfer coefficient; Field measurement; Analysis
随着建筑绿发展理念的提出，轻型木结构建筑因其材料资源可再生、绿环保、低碳节能且舒适度高，近年广受人们关注，在建筑领域研究应用越来越广泛[1-2]。建筑的保温性能是评价其舒适度的指标之一，其中外墙占建筑外围护结构比重最大，是保温节能的关键所在。目前，国内外学者对建筑传
热性能进行大量研究，尤其是混凝土传热，已有较为系统的研究成果。2007年，王戈等[3]对适于北京地区的落叶松胶合板复合墙体进行结构设计，介绍保温隔热计算方法。试验结果表明，由水泥砂浆、落叶松胶合板覆板、保温材料以
*基金项目：江苏农林职业技术学院院级科技项目（2016kj008） ；江苏高效品牌专业建设工程资助项目（PPZY2015A082）
杨 静，讲师，江苏农林职业技术学院风景园林系
王 正(通讯作者), 高级工程师，南京林业大学材料科学与工程学院，E-mail:wangzheng63258@163
收稿日期：2017-07-02
高速缓冲器及石膏板等国产材料组成的复合墙体，当保温层材料厚度大于24 mm时，该墙体能够满足我国建筑规范中的保温隔热要求。2012年，张源等[4]针对空心砌块平均热阻理论计算方法的简单近似性，分析了其计算结果的不确定性，提出用CFD数值模拟、采用有限体积法的计算方法分析建筑构件的热工性能等，试验结果表明，该方法对建筑构件热工性能的计算不仅能够满足精度要求，还具有应用范围广、结果直观等优点。2014年，王庆轩等[5]对陶粒泡沫混凝土砌块、加气混凝土砌块、黏土砖以及细石空心
混凝土砌块5种砌体材料进行研究，并建立了多材料围护结构模型，采用热流计法同步测试了各墙体的传热系数。试验结果表明，190 mm厚陶粒泡沫混凝土砌块和加气混凝土砌块墙体以及290 mm厚填充聚苯板的细石空心混凝土砌块墙体的传热系数均小于1.0W/(m·K)，且得到陶粒泡沫混凝土砌块墙体传热系数的线性预测模型。2016年， Zhang等[6]以研究夏季混凝土天花板辐射冷却板（C-CRCP）启动过程中的室内参数变化，并为进一步分析非稳态辐射热传递建立了相关数学模型。试验结果表明，C-CRCP启动后，天花板表面的温度突然下降，其他内表面和室内空气的温度也呈下降趋势，天花板辐射热通量快速上升，然后逐步回升到稳定状态。2017年，李玮等[7]以相对湿度和温度梯度建立墙体一维非稳态热、湿和空气耦合传递模型(HA M模型)，并利用有限元法进行数值求解，研究湿传递对传热的影响。结果表明，墙体进行热湿传递会产生湿积累，降低墙体使用年限，实际能耗计算应充分考虑湿热传递的影响。2017年，Hou等[8]对填充压缩秸秆砖的空心混凝土块进行研究，基于多层节能墙体的热湿耦合机理，设计可控耦合热湿测试。试验结果表明，温度和相对湿度梯度对多层壁湿热性能影响大，将压缩的秸秆砖填充至空心混凝土块中可以有效阻碍热传递，提高多层壁的防潮性能，同时提出了一种用于模拟多层壁中的湿热性能的软件，其仿真结果和测试值具有相关性。
笔者拟对已有轻型木结构建筑和混凝土建筑外墙进行理论计算和现场的传热系数测试，分析并评价两种不同外墙类型与结构的热工性能，并确定其建筑复合外墙热工级别和适用区域，具有工程应用价值。
1 材料与方法
1.1 建筑墙体结构组成
测试对象为南京森之虎建筑公司制造的厚度为101.15 mm的轻型木结构建筑外墙和泗阳金牡丹家具有限公司办公楼的厚度为240 mm的混凝土建筑外墙，其墙体结构见图1。
轻型木结构建筑的墙骨柱截面尺寸为38 mm×89 mm，间距为406 mm，中间有横撑支承。钢筋混凝土采用估算值2.33 W/(m ·k)，材料热物理性能参数见表1。
1.2 测试方法与过程
1.2.1 测试仪器
试验主要用到HT-1型温度热流巡检仪1套，包括：热流计（精度≤±1‰，分辨率5 uv）；Pt-10型号高精度防水温度传感器（精度±0.5 ℃，分辨率0.1 ℃）；数据采集器（配置不同类型的智能通道板），可测电压、电流、热流等多重信号。信号采集系统共64通道，采集速率为200ms/每通道，其系统组成如图2。试验过程中，还用到锡箔胶带纸、透明胶带纸、卷尺、铅笔、取暖器（功率1 200 W）等。
1.2.2 测点选取
根据墙体设计图纸和现场情况，选择建筑南立面外墙进行测试，尽量避开日光直射和风速大的外墙面。外墙测点高度布置于1.2 m处，可同时布置2个测点，
图1 建筑外墙结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of the exterior
wall structure of the building
材 料厚度/mm导热系数/（W·m -1·k-1）定向刨花板120.120
杉木规格材890.156
某保温棉890.044
钢筋混凝土240 2.330
表1 墙体材料热物理性能参数
Tab.1 Thermal properties of wall materials
图2 HT-1型温度热流巡检仪系统组成
Fig.2 HT-1 temperature heat flow logging
苄丝肼
system components
轻型木结构建筑外墙分别测试墙骨柱或保温棉填充的外墙结构传热，分别标记为1、2号外墙结构；混凝土外墙分别标记为3、4号外墙结构，其测试结果取平均值。轻型木结构外墙体和混凝土外墙体的测点布置分别见图3、4，测试现场图见图5。
1.2.3 方法及原理
长城客户管理系统采用热流计法对上述两种建筑类型的外墙结构进行现场传热系数测试。热流计及其标定符合JG/T 3016—94《建筑用热流计》规定[9]。采取人工加热方式（4个取暖器同时加热），对建筑室内进行加热，以建立室内外的温度差，保证外墙结构高温侧表面温度高于低温侧10 ℃以上，便于更好测量外墙结构传热系数。
热流计法是围护结构传热系数现场检测的权威方法，也是JGJ/T 132—2009《居住建筑节能检测标准》推荐采用的现场检测方法[10]，其原理是采用热流计及温度传感器测量通过构件的热流值和表面温度，计算得出其热阻和传热系数，从而判定建筑物是否达到节能标准的要求[11]。在选取的测点位置布置热流计、温度传感器如图3，热流计置于外墙热面测点位置，通过导线把各部分连接起来，测试采集信号通过检测仪转换为数字信号，连续检测，将测试数据导入建筑热工数据采集处理系统分析处理，得到热流值及温度，测试结果选取传热过程稳定后的数据计算。
采用热流计测得通过外墙结构热面的热流量，温度传感器测得外墙结构冷、热面的表面温度，被测外墙结构热阻R的计算见式（1）[12-14]:
R CV T T
i e
=- （1） 式中：R——被测外墙结构热阻，m2·K/W；
T
i
——被测外墙结构热面温度，℃；
T
e
——被测外墙结构冷面温度，℃；
C——热流计标定系数，取8 W/m2·mV；
V——电动势（热流计读数），mV。
外墙结构的传热系数 K 计算见式（2）:
K R R R
1
i e
=++ （2） 式中：K——被测外墙结构传热系数，W/(m2·k)；
R
i
——试件内表面换热阻；对墙体一般取0.11 m2·k/W；
R
e
——试件外表面换热阻；对墙体一般取0.04 m2·k/W。
1.3 测试过程
测试期间，其室外环境温度17~25 ℃，室内温度20~45 ℃，相对湿度18％~23％。
根据热流计法连续检测外墙传热系数，综合考虑环境气候与测试时间的影响，进行连续测试试验，减
少试验误差。通过测得热流量和冷、热面温度，计算出外墙的热阻和传热系数，进而判断建筑物墙体是否达到节能标准要求。
1）选取测点位置，确定热流计、温度传感器位置，通过锡箔胶带纸粘贴在外墙结构相应表面上，且与表面紧密接触。
2）布置热流计、温度传感器，如图3。热流计布置于外墙结构热面，距地面1.2 m位置；热流计周围布置2只温度传感器，同时在外墙冷面与内墙传感器中心位置相对应处布置2只温度传感器，用锡箔胶带纸粘贴于外墙表面，保证紧密接触。室外空气温度传感器悬空裸露在空气中，距地面1.2 m，并用锡箔纸进行遮挡。室内空气温度传感器悬空挂于房间的中央，距地面1.2 m。 3）将热流计、温度传感器与数据采集器进行连接。
4）布置取暖器，分别在房间四个角落各布置1个取暖器进行加热，保证加热均匀性。室内外温差大于10 ℃，待传热稳定后继续测试96 h。测试期间，每32 s 自动记录一次热流密度、外墙表面温度、空气温度等。
5）试验结束后，存储数据，筛选满足要求的测量数据，采用建筑热工数据采集处理系统进行传热计算，得到不同外墙结构传热系数。
图3 轻型木结构建筑南立面外墙测点布置图
Fig.3 Measuring point layout of the south exterior wall of
timber framed structure building
图4 钢筋混凝土建筑南立面外墙测点布置图
Fig.4 Measuring point layout of the south exterior wall
of reinforced concrete building
2 外墙结构传热系数理论计算
建筑外墙结构的传热系数理论值一般是基于各层材料综合导热进行计算，外墙热阻由式（3）得出[15]：
R k
i
i =
d / （3）式中：d i ——材料的厚度,mm；
k i ——材料的导热系数。
木框架结构应采用有效传热系数衡量建筑外墙保温性能，其中，调整系数一般按照面积加权法，以确定外墙结构对热流的阻碍作用。根据式（4）得到外墙有效传热系数K 有效，描述轻型木结构建筑外墙结构的综合传热性质[16-18]。
（4）
式中：
F f ——墙骨柱占总外墙面积值，取9.89；F s ——保温棉填充占总外墙面积值，取90.1； R s 、R f ——非框架部分及框架结构部分外墙热阻,m 2·K/W；R i 、R e ——内、外表面换热阻，一般取0.11、0.04 m 2·k /W 。
3 结果与分析
3.1 传热实测值和理论计算值
轻型木结构建筑外墙结构与钢筋混凝土外墙结构传热实测值与理论值见表2。
现场实测轻型木结构建筑外墙结构的有效传热系数分别为0.507 W/(m 2
·K)，与理论计算值相对误差为6.74％；实测钢筋混凝土外墙结构平均传热系数为1.992 W/(m 2
·
K)，与理论计算值相对误差为14.51％。轻型木结构建筑外墙结构室内侧无石膏板覆面，仅采用双层防水透气膜将保温棉填充材料固定于框架结构中，墙内表面不平整，热流计、传感器粘贴不紧密，易产
生误差。建筑门洞、缝隙以及墙骨柱边缘缝隙、外墙板拼接缝隙等对外墙结构传热存在一定影响，这些保温薄弱环节会增加外墙的传热。在理论计算时，未考虑传热薄弱处的实际情况，造成测量误差。钢筋混凝土建筑外墙结构，其内置钢筋作为外墙保温的薄弱环节，加上钢筋混凝土配比不同、选取测点位置不同对测试结果影响较大，试验采取2个测点进行试验，试验误差偏大。
3.2 外墙结构传热分析
由表2得知，轻型木结构建筑1、2号外墙结构传热系数分别为1.182 W/(m 2
·K)和0.485 W/(m 2·K)，墙骨柱框架结构部分传热是保温棉填充结构部分的2倍，
说明墙骨柱框架结构作为建筑热桥，是保温结构设计的关键。建筑外墙设计需充分考虑墙骨柱规格尺寸、间距及横撑的合理设置等，在保证安全性能的前提下优化建筑外墙结构，提高建筑保温性。3.3 建筑外墙热工级别分析
复合墙体热工级别和适应地区参数如表3[20]，根据表2可知轻型木结构建筑外墙结构属于热工级别III t 级，可用于寒冷、夏热冬冷地区。
3.4 优选保温节能效果好的建筑外墙形式
轻型木结构建筑101.15 mm厚外墙结构的有效传热系数为0.507 W/(m 2
·K)，测得钢筋混凝土240 mm厚外墙结构平均传热系数为1.992 W/(m 2
·K)。文中的钢筋混凝土外墙厚是轻型木结构外墙的2.37倍，但其测得的传热系数值是轻型木结构外墙的3.93倍。钢筋混凝土建筑外墙厚度大，占地面积大，但保温效果差，建议可优选轻型木结构建筑外墙结构作为保温结构墙体，具有市场推广价值。4 结论
1）两种常用型建筑外墙体的传热系数的理论值与实测值一致。2）轻型木结构建筑外墙墙骨柱框架结构部分传热是保温棉填充结构部分的2倍，说明墙骨
表2 墙体结构传热系数实测值与计算值
Tab.2 Measured value and calculated value of wall
structure heat transfer coefficient
墙体结构墙内填充材料
实测值/(W·m -2·K -1)理论计算值/ (W·m -2·K -1) 相对误差/％K f
K s
K 有效
K f
K s
K 有效
轻型木结构
建筑外墙某保
温棉 1.1820.4850.507 1.2350.4400.475 6.74
钢筋混凝土外墙
—
1.9901.9941.992
—
—
2.33014.51
注：
K f 为1、3号外墙结构传热系数，K s 为2、4号外墙结构传热系数；钢筋混凝土外墙K 有效为平均传热系数。
表3 墙体热工级别及适应地区
Tab.3 Wall thermal level and adaptation area
热工级别
传热系数/（W·m -2·K -1 ）
地区I t ≤0. 4严寒II t ≤0. 5严寒、寒冷III t ≤0. 6寒冷、夏热冬冷IV t ≤1. 0夏热冬冷、夏热冬暖
V t
≤1. 2
夏热冬暖
（下转第48页）
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（责任编辑 张国萍）
柱框架结构作为建筑热桥，是保温结构设计的关键。3）轻型木结构建筑外墙热工级别达到III
t
级，可用于寒冷、夏热冬冷地区。4）钢筋混凝土外墙厚是轻型木结构外墙的2.37倍，但其测得的传热系数值是轻型木结构外墙的3.93倍。钢筋混凝土建筑外墙保温效果较轻型木结构差。
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崔莎
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