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现代木结构住宅墙体热物理性能研究

赵勇  
【摘要】: 现代木结构房屋凭借其独特的优势得到了人们越来越多的关注。与古代木建筑相比,在建筑风格、材料的选择与制造、节能保温性、健康与舒适性、建造水平等都存在很大差异,设计、制造和验收规范还不完善,所以系统研究木结构住宅的建造技术非常必要。 墙体是建筑物的重要组成部分,对整个建筑的保温、隔热、隔声等性能起到至关重要的作用。在建筑外围护结构中墙体所占的比例最大,墙体传热造成的热损失所占的比例也最大,研究表明,建筑物通过维护结构传热,其耗热量占整个建筑使用能耗的73%到77%,其中外墙耗热量占了30%左右。而墙体的传热是一个极为复杂的过程,它关系到整个建筑环境的热舒适度和节能问题。因此,如何降低围护结构特别是外墙传热系数一—K值,成为研究人员们关注的焦点。研究现代木结构墙体的热物理性能不仅有助于科学地设计墙体参数,空调负倚计算,同时对合理评价整个房间的节能效果也具有重要意义,为合理地设计木结构墙体和开发理想的墙体材料提供依据。 本论文以现代木结构住宅建筑的墙体为研究对象,采用防护和标定热箱法对其稳态热物理性能进行了研究,分析了不同的墙骨柱种类、墙骨柱间距、保温材料种类对墙体热物理性能的影响,并计算了墙体的传热量;采用有限差分数值计算方法结合Matlab软件和PDE工具箱,以及有限元法对现代木结构住宅墙体的非稳态热物理性能进行了评价,分析了使用过程中现代木结构住宅墙体的温度场;采用Dest建筑能耗模拟软件结合现场实际检测初步评价了现代木结构建筑的节能性能,获得的主要结论如下: 1.通过标准试件标定后,防护和标定热箱法不仅适用于一般钢混结构建筑墙体的稳态热物理性能检测和评价,该方法也同样适用于现代木结构建筑墙体的稳态热物理性能的检测与评价。 2.现代木结构墙体具有良好的保温隔热特性。无论是2X4还是2X6墙体,其稳态热物理性能都明显要好于一般的钢混结构建筑墙体,包括外墙外保温墙体和外墙内保温墙体。 3.现代木结构墙体的稳态热物理性能受到墙骨柱种类、墙骨柱间距、保温材料的影响。 ①在墙骨柱间距、保温材料种类相同的情况下,2X6墙体的热物理性能优于相应的2X4墙体。②保温材料的不同对木结构墙体的热物理性能有着重要影响,研究结果表明,在相同墙骨柱种类和墙骨柱间距下,挤塑保温板构成的墙体热物理性能最好,岩棉保温板构成的墙体次之,聚苯保温板构成的墙体最差。③墙骨柱间距对木结构墙体的热物理性能也有着重要影响。在保温材料和墙骨柱种类相同的条件下,随着墙骨柱间距的增加,墙体的热物理性能也相应提高。因此,在强度允许和结构安全的情况下,可以适当增大墙骨柱间距。 4.在相同的外界条件和室内热环境条件下,木结构墙体的日传热量明显低于钢混结构的外墙外保温墙体和外墙内保温墙体,木结构建筑墙体比钢混结构建筑墙体的节能效果更明显。 5.采用有限差分数值计算方法结合Matlab软件和PDE工具箱,可以有效地对现代木结构住宅墙体的非稳态热物理性能进行评价。计算时采用傅立叶变换将一个周期内离散的温度数据转化为连续的边界条件,同时选用PDE工具箱中的抛物线型偏微分方程,墙体两侧边界条件按Neumann边界条件计算。 6.在相同的边界条件下,现代木结构住宅墙体温度场分布情况与一般钢混结构建筑类似。但是现代木结构住宅墙体的非稳态热物理性能明显好于一般的钢混结构建筑墙体包括外墙外保温和外墙内保温墙体。主要表现为:①与钢混结构建筑相比,现代木结构住宅墙体内表面温度明显高于钢混结构建筑墙体。②现代木结构住宅墙体较一般钢混结构建筑墙体具有更高的抵抗温度波动的能力。③现代木结构住宅墙体不仅能有效地改善室内热环境的舒适性,还能降低整个建筑的使用能耗。 7.通过有限单元法,可以准确方便地求解现代木结构住宅墙体温度场分布情况,并获得墙体内部温度分布情况。在木结构建筑墙体中,保温材料、空气隔层主要起到保温作用,抵抗外界温度波动,在保温材料和空气隔层内外两侧温差较大。木墙骨在木结构住宅建筑中不仅起到结构承重作用,同时也起到一定的保温作用。 8.Dest建筑能耗模拟软件可以有效地对现代木结构住宅在使用过程中的能耗情况进行分析。在相同的使用条件下:①现代木结构住宅房间的自然室温(无采暖和空调)在16~29℃范围内的天数大于钢混结构建筑,现代木结构住宅的舒适度优于钢混结构建筑。②现代木结构住宅建筑的采暖热负荷钢混结构建筑低25.5%;空调冷负荷比钢混结构低8.4%。③木结构建筑一年内采暖和空调耗电量比钢混结构建筑节能21.5%。 9.通过现场检测,可以看出:①木结构住宅墙体能够有效地抵抗外界环境温度的波动。室内外温度均以24小时为周期变化,但是室内温度波形分布在较窄的范围内。室内温度峰值比室外温度峰值的出现时间有2到3小时的滞后。②室外环境相对湿度以24小时为周期变化,室内环境相对湿度基本保持在一定数值,平均约为40%左右,变化幅度基本受外界环境影响较小。③北美轻型现代木结构住宅墙体内表面不会产生冷凝。而墙体内部有可能会产生冷凝,产生冷凝的部位在聚苯乙烯保温板和空气各层之间。通过测试计算,木结构墙体可能的冷凝量为1.1221g/(m~2h),满足国标中GB50176-93的要求。经过检测,木结构墙体内部未见冷凝水,墙体内材料处于干燥环境中,未发生腐朽,保温性能不会因为潮湿而性能降低。


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