基于热流计（HFM）的埃及空心砌块建筑围护结构复合墙体截面热工性能实验研究

《Scientific African》：Investigating the Thermal Properties of Hollow Blocks Building Envelope Composite Sections Used Across Egypt

　　

研究建筑围护结构截面中所用建筑材料的热工性能对于提升室内热舒适性和改善能效至关重要。本研究旨在采用热流计（HFM，Heat Flow Meter）技术实验测定建筑围护结构墙体截面的热工性能。研究人员针对埃及背景下最常用的建筑材料和复合墙体截面，研究了包括导热系数、热阻、U值（U-value，传热系数）和比热（specific heat）在内的热工性能。首先，研究人员开展了稳态对比分析，以考察将不同厚度和导热系数的饰面材料加入带有2 cm抹灰的25 cm空心黏土砖截面中的影响。结果表明，添加任何饰面材料层均提高了墙体截面的总体热阻，平均热阻值为0.3546～0.4285 m²·°C/W。结果表明，饰面材料对总体热阻的贡献取决于其厚度和导热系数的共同作用。随后，研究人员研究了埃及常用的20种复合墙体截面。所研究复合墙体截面的导热系数值为0.6356～0.8552 W/m·°C，热阻为0.3759～0.5192 m²·°C/W。结果突显了饰面材料的类型、组合和厚度对完整墙体组件热性能的显著影响。这些发现强调，在采用数值模拟评估埃及背景下建筑围护结构的热性能时，考虑完整墙体构造和各饰面层热工性能的重要性。

建筑部门消耗了全球约35%的能源，并贡献约38%的能源相关CO₂排放；其中相当部分能源用于供暖和制冷以保障室内舒适，空调供暖通风（HVAC）系统在某些情境下可占建筑能耗约38%。建筑围护结构是分隔室内与外部环境的物理边界，作为被动气候调节器，其导热系数、热阻、热容量和时间滞后等热工性能对建筑热行为、供暖制冷需求和室内热舒适具有重要影响。既有埃及相关研究多聚焦单一砌体材料，或比较实验测定值与埃及规范值对热舒适模拟的影响，但对含多个饰面层的完整复合墙体截面研究不足；同时，建筑材料因原料来源和制造过程不同，实际热工性能可能与规范值存在差异。基于此，研究人员以埃及常用市售建筑材料和复合墙体截面为对象，采用实验室尺度测试台和热流计法开展实验测定，以获得与埃及建筑背景相关的热工性能数据，并强调评估完整墙体组件而非仅主体砌体材料的重要性。

关键技术方法概括（不超过250字）：研究人员采用稳态热流计（HFM）实验测试台测定墙体截面热工性能，测试台由带控制单元的热源段、试样位置和室内环境段组成，以受控热输入模拟外部热边界。温度测量采用midi LOGGER GL820数据记录仪和K型（Type K）热电偶，每个试样两面各布置3个热电偶，经0～100 °C校准，精度±0.5 °C，每5分钟记录24 h直至稳态。不确定度分析得到热功率不确定度0.380 W、导热系数不确定度0.113 W/m·°C；以住房与建筑国家研究中心（HBRC）既往测定的轻砖试样验证，偏差不超过10%。试样横向尺寸为25×25 cm，厚度随砌体与饰面层变化；研究选用埃及常用市售建筑与饰面材料及20种常用复合墙体构造，非特定队列来源。热工参数按稳态传热关系和相关方程计算。

研究结果保留原文相关小标题如下。“Thermal mass effect on thermal comfort across Egypt（热质量对埃及热舒适的影响）”：研究人员采用Szokolay方法并结合Weather Tool软件，对埃及七个气候设计区代表城市进行被动设计策略分析，比较应用策略前后年热舒适时间比例。结果表明，热质量（thermal mass，指材料储存和释放热量的能力）是提高年热舒适小时最有效的被动策略之一，尤其与夜间通风（night purge ventilation）结合时效果增强；例如在Minya，热质量使年热舒适小时增加约53%，与夜间通风结合后升至56%；在Cairo约37%升至39%，在Assiut约50%升至55%，在Hurghada约43%升至51%，在Kharga约53%升至63%，在Aswan约41%升至52%，在Alexandria约17%且结合后约17%。不同区域增幅不同，说明热质量与夜间通风结合的效果具有气候依赖性。

“Results and Discussion（结果与讨论）”：研究人员通过稳态对比分析，考察将不同厚度和热阻的饰面材料加入25 cm空心黏土砖加2 cm抹灰截面后的总体热阻变化。结果表明，添加饰面材料一般提高复合墙体总体热阻，但增幅取决于饰面层厚度和导热系数的共同作用；相同2 cm厚度下，花岗岩（granite）和大理石（marble）使热阻分别达到0.3606和0.3609 m²·°C/W；1 cm陶瓷（ceramic）因导热系数较低而得到较高总热阻0.3692 m²·°C/W；1 cm瓷质砖（porcelain）因导热系数较高而总热阻较低，为0.3570 m²·°C/W；2 cm Pharaonic stone和firebrick分别使总热阻达到0.4285和0.4264 m²·°C/W；3 mm Alexandrian splash、1 mm plastic paint和Kemastone分别使热阻为0.3546、0.3553和0.3571 m²·°C/W。随后，研究人员基于实验所得各材料热工性能和计算方程，对埃及常用的20种复合墙体截面进行热工性能评估。结果显示，所研究复合墙体截面导热系数由0.6356 W/m·°C增至0.8552 W/m·°C，热阻范围为0.3759～0.5192 m²·°C/W，U值范围为1.9261～2.6605 W/m²·°C，比热范围为4302～6139 J/kg·°C；总厚度相近的截面可因饰面材料不同而呈现不同热工性能。

讨论与结论部分可总结为：饰面材料对复合墙体热阻的贡献不能仅依据厚度判断，而应综合考虑其厚度与导热系数；完整墙体组件的热性能受饰面材料类型、组合和厚度显著影响，总厚度相近的墙体截面也可能因各层热特性不同而具有不同热工性能；因此，在评估建筑围护结构热性能和选择埃及气候背景下适宜墙体构造时，应考虑完整墙体构造及各饰面层热工性能。研究结论部分翻译如下：本研究旨在提出实验测试台以研究建筑材料和复合墙体截面的热工性能；理解这些热工性能对于改善建筑围护结构热性能和提升室内热舒适具有重要意义。研究人员对埃及背景下常用建筑材料和复合墙体截面进行了实验研究，评估了所研究材料和墙体截面的导热系数、热阻、总体传热系数和比热。主要发现为：其一，分析了多个埃及气候区以评估被动设计策略对热舒适的影响，发现热质量是所研究气候区中最有效的被动策略之一，尤其与夜间通风结合时；例如在Minya，热质量使年热舒适小时增加约53%，与夜间通风结合后升至56%，表明改善建筑热性能时应考虑气候特定被动设计策略。其二，对渐进墙体组件的稳态对比分析表明，将饰面材料加入25 cm空心黏土砖加2 cm抹灰截面一般提高总体热阻，但增幅取决于饰面层厚度和导热系数的共同作用；所研究构造的平均热阻范围为0.3546～0.4285 m²·°C/W，含Pharaonic stone和firebrick的截面平均热阻最高，分别为0.4285和0.4264 m²·°C/W；结果表明不能仅根据厚度评估饰面材料的热贡献。其三，20种复合墙体截面的导热系数范围为0.6356～0.8552 W/m·°C，热阻范围为0.3759～0.5192 m²·°C/W；结果表明完整墙体组件的热性能受组成饰面材料的类型、组合和厚度强烈影响，总厚度相近的截面可因各层热特性不同而呈现不同热工性能。其四，总体而言，研究结果强调应评估完整墙体组件，而非仅考虑主体砌体材料；在评估建筑围护结构热性能并为埃及气候背景选择适宜墙体构造时，应考虑饰面层热工性能及其厚度和组合。