新型巖棉夾芯彩鋼板冷橋結(jié)露現(xiàn)象的分析研究

郝英奇，丁克偉，程晨，夏珊

（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

1 研究背景

冷橋主要指建筑物圍護結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境進行熱傳導(dǎo)時,因為圍護結(jié)構(gòu)中一些部位的傳熱系數(shù)顯著大于其他部位，使得這些部位之間的熱量被集中傳遞，從而增大了負載和能源消耗。[1]冷橋會造成空間冷卻消耗增加，浪費了耗冷能量；會在溫度較高一側(cè)出現(xiàn)凝結(jié)水，從而影響保溫材料的隔熱性能；冷橋不但會造成熱量損失，還會成為保溫結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，造成該處溫度較高的一側(cè)凝露、結(jié)霜、保溫層受潮失效，嚴重時還使結(jié)構(gòu)層受凍損壞。因此避免冷橋結(jié)露現(xiàn)象的出現(xiàn)，是當(dāng)今巖棉夾芯彩鋼板市場急需解決的一個問題。

現(xiàn)在市場上檢驗巖棉夾芯彩鋼板優(yōu)劣的一個重要條件，是驗證其在室內(nèi)冷橋部位會不會出現(xiàn)結(jié)露。安徽三寶鋼構(gòu)有限公司采用先進的生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)出一種新型巖棉夾芯彩鋼板，其結(jié)構(gòu)簡單，集防水、隔熱、保溫和耐火功能于一體，外形美觀，結(jié)構(gòu)強度高，可廣泛用于船舶、冶金、電力、建筑等領(lǐng)域。本文通過ANSYS有限元軟件的熱分析以及熱分析的模擬結(jié)果，以驗證本產(chǎn)品是否在室內(nèi)冷橋部位出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

2 新型巖棉夾芯彩鋼板的構(gòu)造與尺寸

圖1 新型巖棉夾芯彩鋼板結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 新型巖棉夾芯彩鋼板熱工分析模型圖

彩鋼板上下兩層是金屬薄板，芯材為有一定剛度的巖棉，是在專用的自動化生產(chǎn)線上復(fù)合而成的具有承載力的結(jié)構(gòu)板材，也稱為“三明治”板。巖棉夾芯板夾芯層從上到下由隔熱層、保溫層和耐火層等組成。板體的兩端固定安裝有槽型鋼，槽型鋼內(nèi)安裝有多個螺孔，在板體的上端面設(shè)有防水板，防水板向外拱出并形成瓦狀結(jié)構(gòu)，在防水板的兩側(cè)還分別設(shè)有集水槽，防水板的材質(zhì)為不銹鋼。見圖1。

主要尺寸參數(shù)：巖棉板長1.2m，寬0.95m，上下金屬薄板分別厚0.6mm和0.5mm，巖棉層厚75mm。

3 ANSYS熱分析理論和熱分析的方法路線簡介

3.1 ANSYS熱分析理論簡介

ANSYS熱分析可以模擬熱傳導(dǎo)、對流及輻射三種熱傳遞方式，主要用于計算構(gòu)件的熱物理參數(shù)，分析構(gòu)件的溫度場分布，其遵循熱力學(xué)第一定律，采用有限元方法計算每個節(jié)點的溫度和導(dǎo)出需要的熱物理參數(shù)。在ANSYS程序中，熱分析主要為穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析兩大類。對于穩(wěn)態(tài)分析：Q=ΔU=0，表示流入系統(tǒng)的熱量與流出系統(tǒng)的熱量平衡；對于瞬態(tài)分析：q=，表示一個系統(tǒng)的溫度，系統(tǒng)內(nèi)能等是時間變化的函數(shù)。本文研究的是新型巖棉夾芯彩鋼板的熱穩(wěn)態(tài)分析。[1][2]

3.2 ANSYS熱分析的方法路線簡介

ANSYS熱分析一般有如下三個步驟：

①建模，命名文件名→定義單元類型→定義單元實常數(shù)→定義材料特性→建立幾何模型→劃分網(wǎng)格；

②施加載荷計算，定義分析類型→施加載荷→確定加荷步→求解→保存分析結(jié)果；

圖3 新型巖棉夾芯彩鋼板熱流密度圖

③后處理，ANSYS熱分析的結(jié)果在*.rth文件中，它包含節(jié)點溫度以及節(jié)點和單元的熱流密度，對于穩(wěn)態(tài)熱分析，可以使用后處理POST1進行后處理。[1][3]

4 ANSYS有限元分析過程

4.1 模型建立

按照試件的實際尺寸：板長1.2m,寬0.95m,巖棉層厚75mm,上下面材分別厚0.6mm、0.5mm。運用ANSYS有限元分析軟件建立上述彩鋼板的有限元模型。有限元建模之后并劃分網(wǎng)格的模型如圖2所示。

4.2 單元選擇

彩鋼金屬面選用有限應(yīng)變殼單元SHELL131。巖棉保溫材料單元選擇SOLID70。本文只做穩(wěn)態(tài)熱分析，因此只選取一個自由度即溫度。

4.3 材料參數(shù)

新型巖棉夾芯彩鋼板主要由金屬面、巖棉等材料組成，根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB50176-93）的規(guī)定,材料的具體熱工參數(shù)見表1。

圖4 新型巖棉夾芯彩鋼板節(jié)點溫度場分布圖

材料熱工參數(shù)表 表1

4.4 施加荷載

邊界條件：①按照《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB50176-93）的規(guī)定，安徽地區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū)，本地區(qū)供暖時，室內(nèi)外平均溫度分別取18℃和-7℃；②按照《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》的規(guī)定，室內(nèi)外對流換熱系數(shù)分別取8.7W/(m2·K)和23.3W/(m2·K)。[1][4]

4.5 數(shù)值模擬結(jié)果

運用ANSYS軟件對圖3的模型施加邊界條件，再設(shè)置巖棉和鋼材的熱工性能參數(shù)，分別計算得到新型巖棉夾芯彩鋼板的溫度場分布圖及熱流密度矢量圖，具體結(jié)果見圖3和圖4。

4.6 結(jié)論分析

圖3和圖4分別為新型巖棉夾芯彩鋼板的熱流密度圖和溫度場分布圖。按照《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB50176-93）的規(guī)定，室內(nèi)溫度為18℃且室內(nèi)空氣相對濕度為60%時，可得出室內(nèi)空氣露點溫度為10.1℃。彩鋼板冷橋部位的內(nèi)表面溫度值是決定室內(nèi)是否出現(xiàn)結(jié)露的關(guān)鍵因素，其必須要高于室內(nèi)濕度條件下的露點溫度。[1][5]

①由圖3可以看出，熱流密度最大的部位為彩鋼板的巖棉材料處，僅為17.283W/m2，熱流損失很小。

②由圖4可以看出，本文所研究新型巖棉夾芯彩鋼板會有結(jié)露現(xiàn)象，因為冷橋處內(nèi)表面溫度為-0.6℃<10.1℃，且室內(nèi)空氣相對濕度較大。

③本產(chǎn)品在作屋面板以及外墻板的時候，在板體的上端面設(shè)有防水板，防水板向外拱出并形成瓦狀結(jié)構(gòu)，在防水板的兩側(cè)還分別設(shè)有集水槽（見圖1）。這樣，冷橋結(jié)露現(xiàn)象產(chǎn)生的水滴會及時匯進集水槽排出，并且防水板也大大增強了彩鋼板的防水性能。這種做法不僅極大程度上消除了結(jié)露現(xiàn)象，還提高了板體的結(jié)構(gòu)強度。因此，本產(chǎn)品適用于做建筑外墻板以及屋面板，不適用于在室內(nèi)相對濕度較大的情況下做建筑內(nèi)墻板。

5 結(jié)語和展望

通過上述的ANSYS有限元軟件的數(shù)值分析，可以看出安徽三寶鋼構(gòu)有限公司生產(chǎn)的新型巖棉夾芯彩鋼板雖然在室內(nèi)相對濕度較大的情況下做建筑內(nèi)墻板時會有結(jié)露現(xiàn)象，但是在做建筑外墻板以及屋面板時，由于獨特的防水板和集水槽的設(shè)計，使得彩鋼板大大消除了結(jié)露現(xiàn)象并且提高了板體的結(jié)構(gòu)強度。

從上述分析中可以發(fā)現(xiàn)，本產(chǎn)品存在的主要問題是做內(nèi)墻板時無法消除冷橋現(xiàn)象。因此，在以后的研究生產(chǎn)中，希望加大這方面的研究力度，研究出可以消除冷橋現(xiàn)象的新型金屬面材或者改變此板做內(nèi)墻板時候的構(gòu)造，以達到可以消除冷橋結(jié)露現(xiàn)象的目的。

[1]張立志.新型高效夾心保溫復(fù)合墻體的構(gòu)造與性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[2]王建江，胡仁喜，劉英林.結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)有限元分析實例指導(dǎo)教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[3]王剛.新型夾芯保溫復(fù)合墻板性能研究[D].合肥：安徽建筑大學(xué)，2013.

[4]GB50176-93，民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993.

[5]夏光輝.新型夾芯保溫復(fù)合墻板力學(xué)及熱工性能研究[D].合肥：安徽建筑大學(xué)，2013.

[6]解維益.金屬面絕熱用夾芯板保溫隔熱和力學(xué)性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

[7]Antonio Galagno，Colomba Di Blasi，Eva Milella.ThermalResponse to Fire of a Fibre-Reinforced Sandwich Panel:ModelFormulation，Selection of Intrinsic Properties and ExperimentalValidation[J].Polymer Degradation and Stability，2009.