單一保溫墻體中典型熱橋柱的傳熱影響區(qū)域及其節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

毛偉，文靈紅，許建明

（1機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計(jì)研究院建筑技術(shù)研究所重慶 400039 2重慶凱康科技有限公司 重慶 400010）

自保溫體系是今后建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能的重要趨勢(shì)[1]，其中，熱橋部位的熱損問(wèn)題是限制其發(fā)展重要因素。據(jù)研究[2]，在夏熱冬冷地區(qū)，采用自保溫材料的墻體因熱橋引起的傳熱系數(shù)增加比率可達(dá)2/3，即隨著建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的不斷提升，熱橋的附加熱損占圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗的比例亦隨之增大（節(jié)能建筑中，通過(guò)熱橋的能耗可達(dá)20%[3]）。另有研究[4]表明，隨著熱橋面積比的增大，能耗值大致成線性增長(zhǎng)。此外，囿于一維傳熱之面積加權(quán)方法的誤差（可達(dá)10%~30%[5]），近年有關(guān)熱橋部位傳熱的研究多集中于二維[6][7]和三維[8][9]的傳熱分析，得出了等諸多有益成果[6][10]~[12]。熱橋柱是熱橋的重要組成部分，有必要就其傳熱影響區(qū)域展開(kāi)專題研究。本文以重慶地區(qū)為例，通過(guò)有限體積法數(shù)值求解，分析典型熱橋柱的影響區(qū)域，并據(jù)此提出若干優(yōu)化思路，以期對(duì)專業(yè)工作者有所幫助。

1 典型熱橋柱熱橋柱

本文選取一典型單一保溫墻體中框架柱節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象，如圖1所示。具體材料及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 典型熱橋柱節(jié)點(diǎn)示意

表1 墻材的熱物性指標(biāo)

2 熱橋柱傳熱模擬分析

2.1 二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的數(shù)值求解模型

熱橋是由不同材料構(gòu)筑的復(fù)合傳熱體，其傳熱過(guò)程較復(fù)雜，系三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。根據(jù)傅里葉定律[13]，其導(dǎo)熱微分方程可以用矢量的形式表示如下：

式中：ρ為密度，kg/m3；c為比熱容，J/（kg·K）；t為溫度，℃;τ為時(shí)間，s；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；為單位時(shí)間內(nèi)單位體積中內(nèi)熱源的生成熱，W/m3。

此處，對(duì)數(shù)值求解模型做以下假設(shè)：熱橋?yàn)榫|(zhì)，各向同性；熱物性不隨溫度而變化，導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)；無(wú)內(nèi)熱源；不含非線性單元，邊界條件不隨溫度而變化；不考慮輻射傳熱和傳濕傳質(zhì)。由此，對(duì)應(yīng)至笛卡爾坐標(biāo)系，式（1）可簡(jiǎn)化為：

該研究的主要目的是求解二維熱橋部位內(nèi)部溫度分布，實(shí)質(zhì)即在規(guī)定的初始條件（恒溫介質(zhì)）及邊界條件（第三類邊界條件）下求解導(dǎo)熱微分方程。這里，首先將初始條件分夏季和冬季（針對(duì)重慶地區(qū)）兩種計(jì)算工況進(jìn)行，溫度均為設(shè)定值。從而，式（2）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

墻體與室內(nèi)外空氣接觸壁面均按第三類邊界條件[13]考慮，即有如下定解條件。

式（4）、式（5）中：n為換熱表面外法線；hi和he分別為墻體內(nèi)外表面的對(duì)流換熱系數(shù)；t為求解溫度；ti和te分別為墻體內(nèi)外表面計(jì)算溫度。重慶地區(qū)計(jì)算溫度及對(duì)流換熱系數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 重慶地區(qū)熱環(huán)境指標(biāo)

熱橋內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的溫度值可通過(guò)消元法和迭代法求解線性代數(shù)方程組得出。其計(jì)算過(guò)程的基本步驟主要有：（1）前處理——包括創(chuàng)建幾何模型、設(shè)置材料物性參數(shù)、劃分網(wǎng)格、建立離散方程、設(shè)定初始條件和邊界條件等；（2）求解——利用有限元方法求解控制參數(shù)、求解離散方程、判斷解的收斂性等；（3）后處理——即用渲染的方式（云圖）表示熱橋部位內(nèi)部的溫度。此處，需說(shuō)明的是，本文利用ANSYS前處理程序ICEM進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，得到三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。將熱橋柱與墻體接觸區(qū)域及附近的網(wǎng)格局部加密，以期離散方程的解趨近精確解。網(wǎng)格劃分示例如圖2所示。

2.2 模擬結(jié)果分析及討論

圖2 網(wǎng)格劃分示例

利用有限體積法對(duì)典型熱橋柱的5種節(jié)點(diǎn)處理進(jìn)行分析，其溫度場(chǎng)分布如圖3所示。從中可看出：（1）兩種工況下，節(jié)點(diǎn)處熱橋效應(yīng)明顯，其溫度曲線的變化明顯大于墻身其他部位；（2）熱橋柱內(nèi)部溫差較大（可達(dá)10℃，不利于主體結(jié)構(gòu)的耐久性），熱量散失快，熱損耗明顯；（3）熱橋柱邊緣兩側(cè)約300mm范圍均為受影響區(qū)域，尤以150mm范圍為甚。

圖3 節(jié)點(diǎn)部位不做處理時(shí)的傳熱云圖

3 考慮熱橋影響區(qū)域的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

據(jù)前文熱橋影響區(qū)域的分析，結(jié)合現(xiàn)今橋處理優(yōu)先選用外保溫形式的現(xiàn)狀，將熱橋柱兩側(cè)保溫材料做法延伸300mm，節(jié)點(diǎn)如圖4所示。圖4中保溫材料選用玻璃棉板，相關(guān)參數(shù)取值[14]：ρo=40kg/m3；C=1.06[KJ/（kg·k）]；λ=0.037[W/（m·K）]；S=0.52[W/（m2·K）](其余參數(shù)取值見(jiàn)表1)。 依循前文思路，圖4所示熱橋柱節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部溫度數(shù)值計(jì)算云圖如圖5所示。從中可看出：（1）熱橋柱與主體墻交界處（尤其是靠室外側(cè)）熱流集中問(wèn)題得到明顯改善；（2）基本消除了室內(nèi)側(cè)熱橋柱的漏熱問(wèn)題；（3）熱橋內(nèi)部溫度有一定升高。

圖4 考慮熱橋影響區(qū)域后的外保溫處理

圖5 節(jié)點(diǎn)部位做局部加強(qiáng)保溫的外保溫處理時(shí)的傳熱云圖

4 結(jié)論

本文利用有限體積法并結(jié)合重慶地區(qū)的氣象參數(shù)，分析了不同熱橋柱節(jié)點(diǎn)處理手法對(duì)應(yīng)的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱特性。結(jié)論如下：

（1）熱橋柱傳熱影響區(qū)域?yàn)槠溥吘墐蓚?cè)300mm范圍，尤以150mm范圍為甚。

（2）節(jié)點(diǎn)處做局部加強(qiáng)外保溫時(shí)，能有效避免外側(cè)保溫層熱橋柱連接處斷裂導(dǎo)致的熱損，且能基本消除室內(nèi)側(cè)熱橋柱的漏熱問(wèn)題。

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