【碩士】現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅墻體熱物理性能研究

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　　【學位年度】2007　　【摘要】　　現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)房屋憑借其獨特的優(yōu)勢得到了人們越來越多的關(guān)注。與古代木建筑相比，在建筑風格、材料的選擇與制造、節(jié)能保溫性、健康與舒適性、建造水平等都存在很大差異，設(shè)計、制造和驗收規(guī)范還不完善，所以系統(tǒng)研究木結(jié)構(gòu)住宅的建造技術(shù)非常必要。墻體是建筑物的重要組成部分，對整個建筑的保溫、隔熱、隔聲等性能起到至關(guān)重要的作用。在建筑外圍護結(jié)構(gòu)中墻體所占的比例最大，墻體傳熱造成的熱損失所占的比例也最大，研究表明，建筑物通過維護結(jié)構(gòu)傳熱，其耗熱量占整個建筑使用能耗的73％到77％，其中外墻耗熱量占了30％左右。而墻體的傳熱是一個極為復(fù)雜的過程，它關(guān)系到整個建筑環(huán)境的熱舒適度和節(jié)能問題。因此，如何降低圍護結(jié)構(gòu)特別是外墻傳熱系數(shù)——K值，成為研究人員們關(guān)注的焦點。研究現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)墻體的熱物理性能不僅有助于科學地設(shè)計墻體參數(shù)，空調(diào)負荷計算，同時對合理評價整個房間的節(jié)能效果也具有重要意義，為合理地設(shè)計木結(jié)構(gòu)墻體和開發(fā)理想的墻體材料提供依據(jù)。本論文以現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅建筑的墻體為研究對象，采用防護和標定熱箱法對其穩(wěn)態(tài)熱物理性能進行了研究，分析了不同的墻骨柱種類、墻骨柱間距、保溫材料種類對墻體熱物理性能的影響，并計算了墻體的傳熱量；采用有限差分數(shù)值計算方法結(jié)合Matlab軟件和PDE工具箱，以及有限元法對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅墻體的非穩(wěn)態(tài)熱物理性能進行了評價，分析了使用過程中現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅墻體的溫度場；采用Dest建筑能耗模擬軟件結(jié)合現(xiàn)場實際檢測初步評價了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的節(jié)能性能，獲得的主要結(jié)論如下： 1．通過標準試件標定后，防護和標定熱箱法不僅適用于一般鋼混結(jié)構(gòu)建筑墻體的穩(wěn)態(tài)熱物理性能檢測和評價，該方法也同樣適用于現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑墻體的穩(wěn)態(tài)熱物理性能的檢測與評價。 2．現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)墻體具有良好的保溫隔熱特性。無論是2×4還是2×6墻體，其穩(wěn)態(tài)熱物理性能都明顯要好于一般的鋼混結(jié)構(gòu)建筑墻體，包括外墻外保溫墻體和外墻內(nèi)保溫墻體。 3．現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)墻體的穩(wěn)態(tài)熱物理性能受到墻骨柱種類、墻骨柱間距、保溫材料的影響。①在墻骨柱間距、保溫材料種類相同的情況下，2×6墻體的熱物理性能優(yōu)于相應(yīng)的2×4墻體。②保溫材料的不同對木結(jié)構(gòu)墻體的熱物理性能有著重要影響，研究結(jié)果表明，在相同墻骨柱種類和墻骨柱間距下，擠塑保溫板構(gòu)成的墻體熱物理性能最好，巖棉保溫板構(gòu)成的墻體次之，聚苯保溫板構(gòu)成的墻體最差。③墻骨柱間距對木結(jié)構(gòu)墻體的熱物理性能也有著重要影響。在保溫材料和墻骨柱種類相同的條件下，隨著墻骨柱間距的增加，墻體的熱物理性能也相應(yīng)提高。因此，在強度允許和結(jié)構(gòu)安全的情況下，可以適當增大墻骨柱間距。 4．在相同的外界條件和室內(nèi)熱環(huán)境條件下，木結(jié)構(gòu)墻體的日傳熱量明顯低于鋼混結(jié)構(gòu)的外墻外保溫墻體和外墻內(nèi)保溫墻體，木結(jié)構(gòu)建筑墻體比鋼混結(jié)構(gòu)建筑墻體的節(jié)能效果更明顯。 5．采用有限差分數(shù)值計算方法結(jié)合Matlab軟件和PDE工具箱，可以有效地對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅墻體的非穩(wěn)態(tài)熱物理性能進行評價。計算時采用傅立葉變換將一個周期內(nèi)離散的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)的邊界條件，同時選用PDE工具箱中的拋物線型偏微分方程，墻體兩側(cè)邊界條件按Neumann邊界條件計算。 6．在相同的邊界條件下，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅墻體溫度場分布情況與一般鋼混結(jié)構(gòu)建筑類似。但是現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅墻體的非穩(wěn)態(tài)熱物理性能明顯好于一般的鋼混結(jié)構(gòu)建筑墻體包括外墻外保溫和外墻內(nèi)保溫墻體。主要表現(xiàn)為：①與鋼混結(jié)構(gòu)建筑相比，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅墻體內(nèi)表面溫度明顯高于鋼混結(jié)構(gòu)建筑墻體。②現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅墻體較一般鋼混結(jié)構(gòu)建筑墻體具有更高的抵抗溫度波動的能力。③現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅墻體不僅能有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性，還能降低整個建筑的使用能耗。 7．通過有限單元法，可以準確方便地求解現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅墻體溫度場分布情況，并獲得墻體內(nèi)部溫度分布情況。在木結(jié)構(gòu)建筑墻體中，保溫材料、空氣隔層主要起到保溫作用，抵抗外界溫度波動，在保溫材料和空氣隔層內(nèi)外兩側(cè)溫差較大。木墻骨在木結(jié)構(gòu)住宅建筑中不僅起到結(jié)構(gòu)承重作用，同時也起到一定的保溫作用。 8．Dest 建筑能耗模擬軟件可以有效地對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅在使用過程中的能耗情況進行分析。在相同的使用條件下：①現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅房間的自然室溫(無采暖和空調(diào))在16～29℃范圍內(nèi)的天數(shù)大于鋼混結(jié)構(gòu)建筑，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅的舒適度優(yōu)于鋼混結(jié)構(gòu)建筑。②現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅建筑的采暖熱負荷鋼混結(jié)構(gòu)建筑低25.5％；空調(diào)冷負荷比鋼混結(jié)構(gòu)低8.4％。③木結(jié)構(gòu)建筑一年內(nèi)采暖和空調(diào)耗電量比鋼混結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能21.5％。 9．通過現(xiàn)場檢測，可以看出：①木結(jié)構(gòu)住宅墻體能夠有效地抵抗外界環(huán)境溫度的波動。室內(nèi)外溫度均以24小時為周期變化，但是室內(nèi)溫度波形分布在較窄的范圍內(nèi)。室內(nèi)溫度峰值比室外溫度峰值的出現(xiàn)時間有2到3小時的滯后。②室外環(huán)境相對濕度以24小時為周期變化，室內(nèi)環(huán)境相對濕度基本保持在一定數(shù)值，平均約為40％左右，變化幅度基本受外界環(huán)境影響較小。③北美輕型現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅墻體內(nèi)表面不會產(chǎn)生冷凝·····　　共81頁

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