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不同厚度加气混凝土隔热性能的比较
不同厚度加气混凝土隔热性能的比较
廖利娣1,2,冯驰1,孟庆林1
(1.华南理工大学建筑节能研究中心亚热带建筑科学国家重点实验室,广州510640;
2.广东省建筑材料研究院广州510160)
[摘要]本文根据我国南方地区的气候特点,在热气候风洞试验台中对不同厚度加气混凝土在干、湿状态下的内、外表面温度和内表面热流进行了逐时测量,分析了厚度和干、湿状态对加气混凝土隔热效果的影响,得到了蓄水加气混凝土的最优隔热厚度,为加气混凝土在南方地区的应用提供了建议。
[关键词]蓄水;加气混凝土;隔热性能;热气候风洞
ComparisonofInsulationPerformanceofAeratedConcretewithDifferentThickness
[Abstract]Inthispaper,basedontheclimatecharacteristicsinsouthChina,theinternalandexternalsurfacetemperaturesandinternalheatfluxofdryandwetaeratedconcretewithdifferentthicknessinahotclimatewindtunnelweremeasured.Andthen,theeffectsofthicknessandwatercontentontheinsulationperformancewereanalyzed,alsothebestthicknessofwateredaeratedconcreteforinsulationwasobtained.Finally,recommendationsforaeratedconcreteapplicationinsouthChinawereproposed.
[Keywords]watercontent;aeratedconcrete;insulationperformance;hotclimatewindtunnel
1引言
随着全球能源的进一步紧张,节能已成为人们关注的焦点,建筑节能作为其重要的组成部分,也被提上了议程。
我国相继出台了一系列与建筑节能相关的政策和规范,建筑节能目标从原来的节能30%提高至节能65%。
加气混凝土蓄水屋面具有隔热效果好、可上人、荷载小和易保养等特点,受到工程师的青睐和大力推广,加气混凝土蓄水隔热性能的研究也成为建筑热工方向的一个新课题。
文献[1]通过现场实测证明了蓄水加气混凝土屋面与刚性屋面相比具有显著的隔热效果,但其结果仅建立在30mm厚加气混凝土之上,没有进一步研究加气混凝土厚度变化及干、湿状态对其隔热性能的影响。
同时,现场测试受天气的约束比较大,测试数据采集困难,不利于实验测试工作的开展。
本文针对上述问题,采用风洞技术模拟我国南方地区气候,对不同厚度加气混凝土在干、湿状态下的隔热性能进行比较研究,为蓄水加气混凝土屋顶的实际工程应用提供指导意见。
2实验方法
2.1概述
判断加气混凝土隔热性能最直接的方法是通过实验对加气混凝土内、外表面温度和内表面热流进行测试分析。
本文通过热气候风洞实验台动态模拟不同地区的气候,为加气混凝土提供一个可控的外界环境,使其在接近实际工况的模拟环境下动态蒸发换热,并在实验过程中对加气混凝土的内、外表面温度以及内表面热流和蒸发量进行测试。
最后根据实验数据研究分析厚度和干、湿状态对加气混凝土隔热性能的影响。
2.2热气候风洞试验台
热气候风洞实验台由华南理工大学建筑节能研究中心自主研发,为研究多孔材料被动蒸发冷却能力提供了很好的实验条件。
该实验台的核心功能和目标是模拟任意地区的室外气候条件,并研究蓄水材料的传热和传质现象。
与现场实测相比,热气候风洞实验彻底摆脱了自然气候条件的束缚,弥补了在测试过程中实验参数与数据难以控制、采集和处理的问题。
热气候风洞实验台通过模拟室外气候参数(包括空气温、湿度,太阳辐射和风速)来实现室外真实气候,其构造如图1~3所示[2]。
其中,实验环境温度由KFRD-60LW/VA(ZXF)空调(S)与电加热扇(T)联合控制来实现;测试环境相对湿度通过对BFD-01-04电极加湿器(R)与DH-890C工业除湿机(U)的控制来实现;室外太阳辐射照度由实验台上方设置的红外线灯(P)来实现;风环境通过风机(M)来实现[3]。
图1热气候风洞实验台立面图
图2热气候风洞实验台平面图(图例同图1)
图3热气候风洞实验台剖面图
为了能够准确记录蓄水加气混凝土在模拟气候环境中的质量变化,试件槽的设置很关键,需保证试件托放在电子天平上不碰到槽壁且能上下贯穿(如图4和图5所示),内槽尺寸为110mm×110mm,外槽尺寸为400mm×400mm,高度为175mm。
在试件槽正下方放有电子天平。
为了隔离试件下表面与空调室的直接接触,在试件下表面垫有一层25mm厚的聚苯乙烯板,相当于围护结构。
同时为了模拟试件在实际工程中的使用状态,在试件槽的周围设置了边界砖槽,并在其4个侧壁和底面贴有25mm厚的聚苯乙烯板以防止试件向四周传热。
图4试件槽剖面图
3实验结果分析
本文选取50、100和150mm共3种厚度的加气混凝土作为研究对象,模拟的气候条件是连续3d广州夏季典型气象日,其空气温、湿度、太阳辐射和风速分别如图6和图7所示。
测试前蓄水加气混凝土经过充分浸泡,使其含水量达到最大值,干燥加气混凝土则是由烘箱烘至恒重。
通过比较分析3种厚度加气混凝土分别在干、湿状态下的内、外表面温度变化和内表面热流变化,总结加气混凝土在充分蓄水后的24h内,其厚度对加气混凝土隔热性能的影响并比较加气混凝土在干、湿状态下的隔热效果。
图5试件槽平面图
图6广州夏季典型气象日空气温、湿度
图7广州夏季典型气象日太阳辐射和风速
3.1温度分析
3.1.1外表面温度
厚度分别为50、100和150mm的加气混凝土在干湿状态下的外表面温度如图8所示。
可以看出,加气混凝土外表面温度随着厚度和蒸发时间的变化而变化。
在第1个蒸发日里,3种厚度的蓄水加气混凝土外表面温度均比干燥加气混凝土低,从第2个蒸发日开始,干、湿加气混凝土外表面的温差随着厚度的增大而减小。
由此可见,当加气混凝土达到150mm厚时,蓄水所带来的隔热效果有所降低。
图8不同厚度干、湿加气混凝土试件外表面逐时温度比较
为了更直观地评价干、湿加气混凝土的隔热效果与厚度的关系,本文选取了第1个蒸发日的平均温度进行比较,如图9所示。
随着加气混凝土厚度的增加,干燥加气混凝土的外表面平均温度减小,而蓄水加气混凝土的相应值有所增大。
同时,干、湿加气混凝土的外表面平均温度差值随着厚度的增加而急剧缩小。
另外,从试件外表面最高温度来看(如图10所示),蓄水加气混凝土与干燥加气混凝土的温差也随着加气混凝土厚度的增大而缩小。
因此,对50mm厚加气混凝土而言,使加气混凝土蓄水或在加气混凝土上洒水对其表面温度的降低具有显著效果。
图9第1个蒸发日不同厚度干、湿加气混凝土外表面平均温度
图10第1个蒸发日不同厚度干、湿加气混凝土外表面温度最大值比较
3.1.2内表面温度
厚度分别为50、100和150mm的加气混凝土在干、湿状态下的内表面温度分别如图11所示。
可以看出,50mm厚蓄水加气混凝土在连续3个蒸发日内的隔热效果都优于干燥加气混凝土,100mm厚蓄水加气混凝土的隔热效果则在第2个蒸发日开始降低,并在第3个蒸发日开始不如干燥加气混凝土,而150mm厚蓄水加气混凝土的隔热效果在第1个蒸发日开始就不如干燥加气混凝土。
图12比较了第1个蒸发日不同厚度干、湿加气混凝土内表面平均温度。
如图所示,加气混凝土内表面平均温度随着厚度的增加而降低。
干燥试件内表面平均温度呈直线快速下降,且干、湿试件内表面平均温度的差值逐渐缩小,当厚度达到150mm时,干、湿试件的内表面平均温度相等。
图13比较了第1个蒸发日不同厚度干、湿加气混凝土内表面温度的最大值。
可以看出,当加气混凝土的厚度为50mm时,蓄水状态下的内表面最高温度远低于干燥状态下的对应值;当厚度增加到100mm时,虽然蓄水加气混凝土内表面最高温度仍低于干燥加气混凝土,但两者的温差缩小了75%;当厚度增加到150mm时,蓄水加气混凝土内表面最高温度略高于干燥加气混凝土的相应值。
图11不同厚度干、湿加气混凝土试件内表面逐时温度比较
图12第1个蒸发日不同厚度干、湿加气混凝土内表面平均温度
图13第1个蒸发日不同厚度干、湿加气混凝土内表面温度最大值比较
3.2热流分析
试件内表面热流表示试件传导热量多少,直接反映了材料的隔热性能。
50、100和150mm厚加气混凝土的内表面逐时热流分别如图14所示。
由图可知,50mm厚蓄水加气混凝土的内表面热流在3个蒸发日内始终小于干燥加气混凝土,隔热效果明显。
而100mm厚蓄水加气混凝土在第2个蒸发日出现拐点,内表面热流高于干燥加气混凝土,隔热效果开始减弱。
150mm厚加气混凝土在第1个蒸发日充分蓄水时隔热效果优于干燥加气混凝土,当自由水分蒸发后,试件内的空隙充满了水分导致试件的导热系数增大,通过试件的热流随之增大,到第3个蒸发日时,其隔热效果明显差于干燥试件的隔热效果。
为了综合评价厚度对干、湿加气混凝土隔热效果的影响,图15比较了第1个蒸发日不同厚度干、湿加气混凝土的内表面平均热流。
可以看出,无论加气混凝土是在蓄水状态下还是干燥状态下,内表面平均热流都随着厚度的增大而减小,由此可知,加气混凝土的厚度越大,其隔热性能越好。
但是当加气混凝土厚度达到100mm后,随着厚度的增大隔热性能的改善不再明显。
图16比较了第1个蒸发日不同厚度干、湿加气混凝土的内表面最大热流。
当加气混凝土厚度为50mm时,干、湿加气混凝土内表面最大热流差值较大,蓄水对提高加气混凝土隔热效果明显;当加气混凝土厚度为100mm时,虽然蓄水试件的内表面最大热流小于干燥试件的内表面热流,但两者的热流差值缩小了2/3,蓄水对隔热效果的提高不明显;当加气混凝土的厚度为150mm时,干、湿状态下试件内表面最大热流持平,此厚度的加气混凝土无需蓄水,可在干燥状态下直接使用。
图14不同厚度干、湿加气混凝土试件内表面热流比较
图15第1个蒸发日不同厚度干、湿加气混凝土内表面平均热流
图16第1个蒸发日不同厚度干、湿加气混凝土内表面最大热流比较
4结语
综上所述,加气混凝土的干、湿状态和厚度对其内、外表面温度,以及内表面热流和蒸发量都有很大的影响。
加气混凝土蓄水后,水分取代了材料孔隙内的空气,加气混凝土的传热机理变得复杂,存在多种传热方式,除了固体、气体和液体导热外,还存在对流换热、相变换热和辐射换热。
蓄水加气混凝土在太阳辐射热作用下,水分受热蒸发,蒸发过程中以潜热方式带走热量,但同时由于材料蓄水后本身导热系数迅速增大,因此通过材料传递热量的能力增强。
只有当蒸发带走的潜热大于材料蓄水后其自身增加的导热量时,通过材料进入室内的热量才会减小。
通过实验的测试结果分析,可得出以下结论:
1)厚度是影响加气混凝土隔热效果的关键因素。
无论在干燥状态下还是在蓄水状态下,加气混凝土内、外表面温度和内表面热流都随着厚度的增加而减小,厚度越大隔热效果越好。
2)加气混凝土的隔热效果与其干、湿状态密切相关。
当加气混凝土的厚度为50mm时,蓄水加气混凝土隔热效果明显好于干燥加气混凝土;当加气混凝土的厚度为100mm和150mm时,蓄水对于提高加气混凝土隔热性能的效果不明显。
3)在综合考虑热工性能、成本、荷载及南方地区气候条件后,推荐使用100mm厚的蓄水加气混凝土,其次可使用50mm厚的蓄水加气混凝土和100mm厚的干燥加气混凝土,不推荐使用150mm厚的加气混凝土。
使用蓄水加气混凝土时应注意及时补水,使其保持较高的水分含量。
参考文献:
[1]孟庆林.建筑被动蒸发冷却技术[M].北京:
科学出版社,2006.
[2]高云飞.热气候风洞实验台流场模拟与试验[D].广州:
华南理工大学,2004.
[3]张玉.建筑多孔材料气候蒸发量的风洞实验方法研究[D].广州:
华南理工大学,2007.
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