木塑集成木构墙体隔热性能研究

2023年5月2日发(作者：阿诗丹顿热水器排名)

木塑集成木构墙体隔热性能研究

杨小军;郁岗;孙友富;唐道远;唐晓岚

【摘 要】为解决当前木塑建筑存在隔热性差的问题,设计了2类结构木塑集成墙体,

并对集成墙体的隔热性能进行了试验研究.结果表明:木塑集成墙体采用框剪结构具

有较好的稳定性,能充分发挥木塑材料优异性能;木塑集成框剪单层墙和双层墙均具

有较好的热工性能,根据GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》,以20 mm

厚木塑为墙板、木塑材料为墙骨柱的木塑集成框剪单层墙体的传热系数为0.414

W/(m2·K),符合墙体热工性能Ⅱt级标准,适用于严寒地区、寒冷地区;以50 mm厚

木塑为墙板、木塑材料为墙骨柱的木塑集成框剪双层墙体的传热系数为0.207

W/(m2·K),符合墙体热工性能Ⅰt级标准,适用于严寒地区.

【期刊名称】《新型建筑材料》

【年(卷),期】2019(046)005

【总页数】6页(P88-92,102)

【关键词】木塑复合材料;框剪结构墙体;热工性能;传热系数

【作 者】杨小军;郁岗;孙友富;唐道远;唐晓岚

【作者单位】南京林业大学 材料科学与工程学院,江苏 南京 210037;安徽森泰木塑

集团股份有限公司,安徽 广德 242200;南京林业大学 材料科学与工程学院,江苏 南

京 210037;南京林业大学 材料科学与工程学院,江苏 南京 210037;安徽森泰木塑集

团股份有限公司,安徽 广德 242200;南京林业大学 材料科学与工程学院,江苏 南京

210037

【正文语种】中 文

【中图分类】TU111.4+1

0 引 言

现代木结构是在传统木结构的基础上结合现代建筑技术发展而来，比传统木结构具

有更多的优势，如用料少、跨度大、结构合理、耐久性好、建筑速度快、施工便捷

等，不仅如此，还能与其它结构和材料组合形成复合型建筑结构体系，综合利用各

类建筑材料的特点，达到建筑设计和结构优化的效果。另外，现代工业生产的工程

木产品（如胶合木及木塑复合材料等）在结构性能和材料性能上优于天然木材，可

代替珍贵的天然木材应用于建筑的结构体系与墙体构造体系，解决建筑结构用材问

题，有效地节约自然资源和建设能源[1-3]。

木塑复合材料（Wood plastic composite，WPC）是由木纤维或植物纤维与高分

子塑料经过特定的工艺制成的热塑性材料，具有优良的防腐性能、防水性能、热绝

缘性能及易加工性能等，被广泛应用于建筑室内装饰或园林建筑小品。随着WPC

生产技术的进步，木塑产品品质的不断提升，木塑复合材普遍存在的易老化、力学

强度低、韧性差及工艺复合过程中流动性差等不足现已得到根本解决[4-7]，继续

将产品定位为户外工程用材或装饰材，应用价值有限，受益群体有限，如何将高品

质木塑材料应用于现代木结构建筑，充分发挥其优异性能，更好地服务于社会，已

成为木塑行业所面临的一项重要课题。近年来，国内外出现一大批以安徽森泰木塑

集团有限公司、北京天地木塑复合材料有限公司等为代表的建筑用木塑材料生产企

业，对轻钢结构木塑建筑进行了设计及施工探索，木塑材料表现出了优异性能，但

尚存在建筑热工性能差、施工周期长、居住体验差等突出问题。

与轻钢结构木塑建筑相比，木结构建筑的性能优势明显。以木塑为主要材料将木塑

与木结构相结合，探索一种基于木结构的木塑建筑，是克服现有轻钢结构木塑建筑

不足的一个重要途径。墙体在建筑中比重较大，是建筑性能及建筑设计施工去繁从

简的关键。墙体的保温隔热性能是评价建筑围护结构热工性能的一个重要指标，住

宅建筑中围护结构耗热量占建筑物总耗热量的70%以上[8]。为此，本文以木塑建

筑墙体为研究对象，运用现代木结构设计方法设计基于木结构的木塑建筑墙体，从

墙体结构材料及墙面挂板形式等方面入手，研究木塑集成墙体的隔热性能，以期研

究出适用于木塑建筑的木塑墙体，这对木塑建筑的发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用木材为产自加拿大的SPF 松木（Pinus spp.）规格材，纹理通直，有部分

活节，NLGA 标准2 级材，含水率约13%。

墙体结构用木塑材料为“目”型截面中空结构聚乙烯（Polyethylene，PE）木塑，

端面规格40 mm×90 mm，壁厚7 mm。外墙面用木塑板为PE 共挤木塑，端面

规格有20 mm×200 mm肋骨型材和50 mm×200 mm 中空板材2 种，壁厚7

mm。墙体内饰面板为聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）木塑，外型规格

1220 mm×2440 mm，壁厚8 mm，密度0.93 g/cm3，由安徽森泰木塑集团股

份有限公司提供。

墙体用PVC 塑料外墙挂板为卡扣搭接式，规格230 mm×4000 mm，壁厚1.5

mm，由南京森之虎木结构建筑工程有限公司提供。

墙体用轻钢为冷弯薄壁C 型钢，端面规格为截面高度73 mm，截面宽度33 mm，

卷边宽度26 mm，厚度1 mm。

填充用玻璃棉为复合式铝箔玻璃棉，厚度50 mm，干密度0.011 g/cm3，耐火等

级为A 级不燃。墙体覆面用防火纸面石膏板，规格1220 mm×2440 mm×9.5

mm，面密度9.5 kg/m2，耐火等级为A 级不燃，环保等级E0 级别（甲醛释放量

≤0.5 mg/L）。

防水防潮用呼吸纸外观呈层状凹凸型，厚度0.5 mm，断裂延伸率88%，不透水

性2 m 水柱24 h 不透水。

1.2 主要仪器

JTRJ-B 传热系数自动检测系统：金华巨龙电脑试验机有限公司；ISOMET model

2104 热特性分析仪：北京桔灯导航科技发展有限公司。

1.3 木塑集成墙体构造

参照GB 50005—2017《木结构设计标准》和GB 50361—2005《木骨架组合墙

体技术规范》，试验墙体采用框剪结构形式，即以胶合木为框架、并通过在框架及

框架内墙骨柱上铺钉定向结构刨花板（OSB）实现抗剪，钉间距150 mm。试验

墙体分为框剪单层墙和框剪双层墙，框剪单层墙是指墙体外墙面采用挂板形式，由

墙体承载；框剪双层墙是指在框剪墙体外侧布置1 层由基础承载、框剪墙体扶持

的保护墙。墙骨柱类型包括轻钢、PE 木塑材料和SPF 规格材，墙体内侧覆面板采

用9.5 mm 厚防火纸面石膏板，外墙板通过挂板条固定于框架墙体外侧，类型包

括：20 mm 厚PE 共挤木塑、50 mm 厚PE 共挤木塑及PVC 塑料挂板。墙体框

架空腔中填充玻璃纤维棉。墙体典型构造见图1~图4。

图1 以轻钢为柱材的墙体（G1）构造

图2 以SPF 为柱材的墙体（S2）构造

图3 以PE 木塑为柱材的墙体（W4）构造

图4 以PE 木塑为柱材的双层墙体（W5）构造

试验墙体共11 组，如表1 所示，为评价墙骨柱对墙体隔热性能的影响，分别采用

轻钢、SPF 规格材、“目”型木塑材料为墙骨柱，墙体编号为G1、S1、S2、W1、

W2。外墙挂板通过干挂等形式悬挂于墙体的外面，达到保温、装饰、保护墙体等

作用。外墙挂板的结构形式、材料、密封性能等都会影响外墙挂板的隔热性能。为

评价外墙面挂板对墙体隔热性能影响，分别采用15 mm 厚PVC 塑料板、20 mm

厚PE 木塑板、50 mm 厚PE 木塑板为外墙面挂板，以SPF 规格材为墙骨柱的墙

体编号为S3、S4、S5，以“目”型木塑材料为墙骨柱的墙体编号为W3、W4、

W5。

表1 木塑集成木构墙体试样编号 墙骨柱类型 内墙面板 外墙面板 备注G1 轻钢

PVC 木塑 - 单层墙S1 SPF 规格材 - - 单层墙S2 SPF 规格材 PVC 木塑 - 单层墙

S3 SPF 规格材 PVC 木塑 15 mm 厚PVC 塑料 单层墙S4 SPF 规格材 PVC 木塑

20 mm 厚PE 木塑 单层墙S5 SPF 规格材 PVC 木塑 50 mm 厚PE 木塑 双层墙

W1 PE 木塑材料 - - 单层墙W2 PE 木塑材料 PVC 木塑 - 单层墙W3 PE 木塑材料

PVC 木塑 15 mm 厚PVC 塑料 单层墙W4 PE 木塑材料 PVC 木塑 20 mm 厚PE

木塑 单层墙W5 PE 木塑材料 PVC 木塑 50 mm 厚PE 木塑 双层墙

1.4 墙体传热系数测试方法

依据GB/T 13475—1992《建筑构件稳态热传递性质的测定标定和防护热箱法》

采用防护热箱法对墙体隔热性能进行测试。试验墙体按墙体构造设计制作，外形尺

寸为1100 mm×910 mm。

墙体试验测点布置如图5 所示。采用锡箔纸将18 支温度传感器分别在墙体内外两

表面指定位置等间距粘贴固定，在墙体中间填充玻璃棉的部位布置1 个测点，在

四周墙骨柱所在的热桥部位均匀分布8 个测点，测点间距300 mm。空气温度测

点布置在墙体与冷、热箱体中间悬空位置。热流板位于墙体中央和边部。设置热箱

温度为50 ℃，设定各测点温度记录的间隔时间30 min，直至达到稳态后的一段

时间，记录每一间隔时间的冷面空气温度、冷面每个测点的温度、热面空气温度、

热面每个测点的温度以及热流值，依据GB/T 23483—2009《建筑物围护结构传

热系数及采暖供热量检测方法》计算每组墙体的传热系数。

图5 墙体隔热试验的测点布置

2 结果与分析

2.1 试验数据

在墙体传热系数测试中，11 组墙体都表现出了同样的规律。以采用50 mm 厚PE

木塑外墙板的W5 墙体为例，各点测试温度如图6 所示，不同部位的热流量曲线

如图7 所示。

图6 W5 墙体各位置点温度变化曲线

由图6 可见，室内环境温度即热箱温控温度先升高后下降，6 h 以后趋于稳定。温

控热箱加热后，温度上升，超过阈值后，停止加热，温度缓慢下降至设置温度，供

热系统由系统自动控制，热箱始终处于动态平衡的热环境。达到稳态后，墙体外表

面墙骨柱位置间的测点温度高于保温棉位置的测点温度。墙骨柱是热量传导主要部

位，有一定的热桥效应导致热流量变大，热耗增加，温度升高。

图7 W5 墙体不同部位的热流量曲线

由图7 可见，热流量在12 h 以后趋于稳态。由于墙体不同部位构造所用材料不同，

导致热流量存在差异，墙骨柱处的热流量普遍高于保温棉处的热流量。达到稳态后

热流量在5~10 W/m2 波动。木塑集成木构墙体是由多层材料复合而成的框剪结

构，框架中木塑墙骨柱按一定间距排列，墙骨柱和空腔部位的热传递速率不同，墙

骨柱降低了墙体热阻，促进了热量传导。

墙体不同部位传热系数的计算需依据JGJ/T 132—2009《居住建筑节能检测标准》

要求，围护结构主体部位热阻的末次计算值与24 h 之前的计算值相差不大于5%。

按照12 h 以后墙骨柱和保温棉处的传热系数取平均值分别为0.237 W/（m2·K）

和0.188 W/（m2·K），墙骨柱位置的传热系数比保温棉处平均提高了20.7%，

如图8 所示。

图8 W5 墙体不同部位的传热系数

考虑到墙骨柱部位热桥效应的影响比较明显，墙体的总传热系数须考虑墙骨柱部位

传热的影响，宜采用面积加权法进行计算，公式如式（1）所示：

式中：U——测试墙体总传热系数，W/（m2·K）；

Si——保温棉处区域占墙体面积比，经计算为53%；

Ki——保温棉处传热系数，W/（m2·K）；

Sf——木塑墙骨柱处占墙体面积比，因考虑到试验墙体面积小的实际情况，取保

温棉以外区域面积比，即47%；

Kf——木塑墙骨柱处传热系数，W/（m2·K）。

根据式（1）计算出各组墙体的总传热系数如表2 所示。依据GB 50189—2015

《公共建筑节能设计标准》热工级别划分，G1、S1、W1 有效传热系数U＜0.6

W/（m2·K），达到Ⅲt 级标准，适用于寒冷、夏热冬冷地区；S2、S4、W2、

W4 有效传热系数U＜0.5 W/（m2·K），符合Ⅱt 级标准，适用于严寒、寒冷地

区；S3、S5、W3、W5 有效传热系数U＜0.4 W/（m2·K），符合Ⅰt 级标准，

可以适用于严寒地区。采用PE 木塑柱材作为墙骨柱的墙体采用50 mm 厚木塑外

墙挂板，其总传热系数最低，保温隔热性能最好。

表2 木塑集成木构墙体的传热系数实测值W/（m2·K）编号 墙骨柱处传热系数 保

温棉处传热系数 总传热系数G1 0.583 0.510 0.544 S1 0.580 0.530 0.553 S2

0.503 0.434 0.466 S3 0.399 0.365 0.381 S4 0.439 0.382 0.408 S5 0.403 0.354

0.377 W1 0.587 0.466 0.523 W2 0.484 0.386 0.432 W3 0.338 0.258 0.295

W4 0.481 0.354 0.414 W5 0.237 0.188 0.207

2.2 墙体材料的热物理特性

采用ISOMET model 2104 热特性分析仪测试木塑板、OSB 及木材的导热系数，

其它材料热工参数参照GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》得到，组成

墙体的几种材料热工参数见表3。

表3 墙体材料的热工参数材料 密度/（g/cm3） 导热系数/[W/（m·K）]轻钢 7.83

58.200 PVC 塑料 1.31 0.170 SPF 规格材 0.43 0.137 PVC 木塑材料 0.73 0.156

PE 木塑材料 1.31 0.338防火纸面石膏板 9.07 0.330 OSB 0.65 0.340玻璃棉

0.07 0.035

由表3 可见，材料导热系数大小为：轻钢＞PE 木塑材料＞PVC 塑料＞PVC 木塑

材料＞SPF 规格材。轻钢材料的导热性能最大，SPF 规格材的导热系数最小，PE

木塑材料与常用建筑墙体覆盖面板（防火纸面石膏板、定向结构刨花板等）的导热

系数接近。PVC 木塑及PVC 塑料接近保温材料[导热系数＜0.14 W/（m·K）] 的

要求；PE 木塑的导热系数相比轻钢材料也具有很大的隔热优势。可见，采用木塑

复合材作为建筑墙体外墙挂板、内墙饰面、墙骨柱等在建筑热工性能方面优势明显。

2.3 墙骨柱类型对墙体隔热性能的影响

由表2 可见，G1、S2、W2 墙体除墙骨柱类型不同外，其它墙体建筑构造保持一

致，G1 墙体的传热系数最大，W2 墙体的传热系数最小。S2 墙体传热系数比G1

墙体降低14.3%，采用SPF 规格材作为墙骨柱的墙体保温性能优于以轻钢作为墙

骨柱的墙体。轻钢是良好的热导体，不利于隔热，在墙体中热桥效应明显，这是当

前轻钢结构木塑建筑普遍存在隔热性差的重要原因。W2 墙体的传热系数比S2 墙

体降低7.3%，以“目”型木塑材为墙骨柱的墙体保温性能优于以SPF 规格材为墙

骨柱的墙体。虽然木塑材料的导热系数高于SPF 规格材，但木塑柱材为“目”型

中空结构，木塑材中增加了3 层空气层，空气是热绝缘性较好，因而以木塑材为

墙骨柱的墙体获得了比SPF 规格材更好的热工性能，墙体的总传热系数进一步降

低。

2.4 墙面板对墙体隔热性能的影响

由表2 可见，以“目”型木塑材作为墙骨柱的墙体总传热系数由小到大为：W5＜

W3＜W4＜W2＜W1。W5 墙体的传热系数最小，传热阻最大，50 mm 厚木塑外

墙挂板的墙体保温隔热性能最佳，这是由外墙挂板采用空心截面构造和木塑材料本

身优良的热工性能决定的。W3＜W4 表明，采用15 mm 普通PVC塑料挂板的墙

体的热工性能优于20 mm 厚PE 木塑外墙挂板，PVC 塑料的导热系数比PE 木塑

低，保温性能更优。由于普通PVC 塑料挂板的厚度较薄，木塑外墙挂板可以通过

增加厚度、采用中空截面形式来获得更优的热工性能。W2＜W1 的原因是内墙板

的设置，增加了构造厚度，且PVC 木塑是优良的保温材料，作为内墙饰面板在起

到内部装饰作用的同时还能起到很好的隔热作用。采用20 mm 和50 mm 厚PE

外墙木塑挂板的W4、W5 木塑集成木构墙体相比不设置外墙挂板的W1 墙体传热

系数分别降低了20.8%和60.4%。以SPF 规格材作为墙骨柱的墙体也反映出相同

的热工性能规律，传热系数大小为：S5＜S3＜S4＜S2＜S1，通过设置内墙木塑板、

20 mm 厚外墙木塑挂板和50 mm 厚外墙木塑挂板的木塑集成木构墙体相比不设

置内墙板和外墙挂板的墙体传热系数分别降低了26.2%和31.8%。合理设置墙体

挂板材料和墙体结构形式是有效提高墙体热工性能的重要措施。

3 结 论

（1）采用以胶合木为框架，以木塑材料为墙骨柱、外墙板及内饰面板的框架剪力

墙结构，可以克服传统轻钢结构木塑建筑中轻钢结构材料引起的墙体热阻小、阻尼

比小的不足。采用柱间距610 mm，可方便结构板材、石膏板及PVC 木塑装饰板

整张铺设。40 mm×90 mm“目”型截面木塑柱材给墙体创造了足够空腔，为保

温和吸声材料的布置提供了空间。采用“目”型中空结构木塑柱材，节约了木塑用

量，同时有效降低了材料的传热性能。

（2）木塑集成木构墙体采用的木塑复合材导热系数较低，其中墙体内饰面板用

PVC 木塑导热系数为0.156 W/（m·K），外墙面板用PE 木塑导热系数为0.338

W/（m·K）。内饰面板用PVC 木塑为板状块材，是一种装饰、热绝缘材料，接近

保温材料要求。外墙面板用PE 木塑的导热系数与常用墙体覆盖面板（防火纸面石

膏板、定向结构刨花板等）的导热系数相近，远低于轻钢的导热系数58.2 W/

（m·K）。木塑材料能达到建筑保温材料要求，可用作具有热工要求的墙体材料。

（3）墙骨柱热传导性能是影响墙体热工性能的重要因素，以“目”型木塑材料、

SPF 规格材和轻钢型材为墙骨柱的墙体的传热系数分别为0.432、0.466、0.544

W/（m2·K）。以轻钢作为墙体的墙骨柱在墙体中热桥效应明显，不利于墙体隔热。

“目”型木塑材具有良好的绝热性能，可使墙体获得较好的热工性能。

（4）以20 mm 厚木塑为墙板、“目”型木塑材为墙骨柱的木塑集成框剪单层墙

体的有效传热系数U＜0.5 W/（m2·K），符合墙体热工级别中Ⅱt 级标准，适用

于严寒地区，寒冷地区；以50 mm 厚木塑为墙板、“目”型木塑材为墙骨柱的木

塑集成框剪双层墙体保温隔热性能最佳，有效传热系数U＜0.4 W/（m2·K），符

合墙体热工级别中Ⅰt 级标准，适用于严寒地区。

（5）墙体的外墙面板不仅能对墙体起保护、装饰作用，同时也是木构墙体保温隔

热不可忽视的重要影响因素。以50 mm 和20 mm 厚PE 木塑挂板的墙体对传热

系数贡献较大，与无外墙面板的墙体相比，总有效传热系数分别降低20.8%和

60.4%。两者均可满足墙体保温要求，50 mm 厚PE 木塑挂板因为厚度大，采用

多孔型中空截面，热工性能更优异。PVC木塑具有优异的热绝缘性，用作内墙饰

面板，能进一步提升墙体的隔热性能。

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