加氣混凝土墻體的熱橋效應(yīng)及局部保溫措施*

張?zhí)鹛?，譚羽非?，李玉洲

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.中國(guó)建筑上海設(shè)計(jì)研究院有限公司 第九設(shè)計(jì)院，上海 200063)

加氣混凝土墻體的熱橋效應(yīng)及局部保溫措施*

張?zhí)鹛?，譚羽非1?，李玉洲2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.中國(guó)建筑上海設(shè)計(jì)研究院有限公司 第九設(shè)計(jì)院，上海 200063)

加氣混凝土砌塊作為一種能滿足寒冷地區(qū)65%節(jié)能要求的自保溫墻體材料，在嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用時(shí)，局部易產(chǎn)生熱橋效應(yīng)，且熱橋部位極易產(chǎn)生發(fā)霉、凍脹和墻體抹灰層空鼓等問題.本文針對(duì)加氣混凝土砌塊墻體中的外轉(zhuǎn)角及丁字墻部位進(jìn)行實(shí)測(cè)，確定了這些部位熱橋的影響范圍，并分別建立了傳熱計(jì)算模型對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬.同時(shí)根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)計(jì)了熱橋部位的局部保溫形式，分析了局部保溫層厚度和保溫層位置對(duì)溫度場(chǎng)的影響.結(jié)果證明，局部保溫措施能夠提高熱橋部位溫度，減弱甚至消除熱橋的影響，有效抑制墻體內(nèi)部冷凝及其引發(fā)的凍脹凍融現(xiàn)象.研究結(jié)果可為加氣混凝土砌塊自保溫墻體在寒區(qū)的應(yīng)用和推廣提供理論依據(jù).

嚴(yán)寒地區(qū);加氣混凝土砌塊墻體;熱橋;局部保溫

加氣混凝土砌塊具有輕質(zhì)、熱工性能良好等優(yōu)點(diǎn)，近年來成為自保溫形式外墻的主要材料之一，同時(shí)也是框架結(jié)構(gòu)建筑填充墻及住宅類建筑承重墻的首選材料[1-2]；加氣混凝土材料導(dǎo)熱系數(shù)低，能夠滿足我國(guó)寒冷地區(qū)65%節(jié)能要求[3].但在我國(guó)寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用實(shí)踐中，由加氣混凝土砌塊構(gòu)建的墻體，在局部容易出現(xiàn)發(fā)霉、凍脹和墻體抹灰層空鼓等問題，這些缺陷限制了該材料在寒區(qū)大范圍的推廣及應(yīng)用[4-5].

針對(duì)加氣混凝土砌塊，目前國(guó)內(nèi)研究主要集中在夏熱冬冷地區(qū)的應(yīng)用方面，而寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)鮮有涉及；針對(duì)該砌塊墻體內(nèi)的熱橋現(xiàn)象，理論研究主要是建立傳熱計(jì)算模型及分析熱橋?qū)w傳熱的影響等[6-7].國(guó)外方面，瑞典科學(xué)家提出在實(shí)踐中利用材料和設(shè)計(jì)改善熱橋部位的結(jié)構(gòu)，以克服熱橋的不利影響[8]；美國(guó)、加拿大等國(guó)家研究了一系列的復(fù)合式節(jié)能墻體，通過在熱橋部位做一些特殊處理，降低熱橋傳熱在整個(gè)建筑能耗所占的比重[9].

研究結(jié)果顯示，熱橋現(xiàn)象容易發(fā)生在加氣混凝土砌塊墻體中含有鋼筋混凝土或金屬梁的部位[10]．本文首先對(duì)典型熱橋部位的溫度進(jìn)行實(shí)測(cè)，確定了熱橋的影響范圍，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)所建立的數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證.根據(jù)熱橋部位溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)了熱橋部位的局部保溫措施，并分析了局部保溫層厚度和位置對(duì)溫度場(chǎng)的影響.本文的研究結(jié)果可為加氣混凝土砌塊自保溫墻體在寒區(qū)的應(yīng)用和推廣提供理論依據(jù)和技術(shù)支持.

1 熱橋部位溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

測(cè)試在吉林建筑工程學(xué)院綜合教學(xué)館進(jìn)行，該建筑采用粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊建造墻體，砌塊厚460 mm，外抹10 mm厚干粉保溫砂漿，墻體傳熱系數(shù)為0.32 W/(m2·K).實(shí)驗(yàn)選取綜合樓東北角一個(gè)房間作為測(cè)試房間，針對(duì)外轉(zhuǎn)角及丁字墻等易產(chǎn)生熱橋的部位，在沿地面向上的1.5 m的高度處，沿外墻布置溫度測(cè)點(diǎn)，從墻角起，每隔10 cm布置一個(gè)熱電偶，在外壁面同樣的位置也布置熱電偶，測(cè)定相應(yīng)位置的外墻內(nèi)外表面溫度.同時(shí)利用溫度自計(jì)議測(cè)定室內(nèi)外溫度，測(cè)試結(jié)果采用WJK-E數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行記錄，測(cè)點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)采集儀如圖1所示.

圖1 外轉(zhuǎn)角熱橋測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試當(dāng)天為陰天，室外風(fēng)速為3.8 m/s.進(jìn)行外轉(zhuǎn)角部位測(cè)試時(shí)，室內(nèi)、室外平均溫度分別為16.4 ℃和-6.3 ℃；對(duì)于丁字墻，測(cè)試期間，室內(nèi)、外平均溫度分別為16.8 ℃和-6.1 ℃，測(cè)試結(jié)果如圖2所示.

測(cè)點(diǎn)

由圖2中的外轉(zhuǎn)角內(nèi)壁面溫度曲線可以看出，在距轉(zhuǎn)角最近0.1 m處的第一個(gè)測(cè)點(diǎn)，溫度最低，為10.6 ℃，距離外轉(zhuǎn)角越遠(yuǎn)溫度越高，在測(cè)試點(diǎn)4之后升高幅度變緩，開始趨近主體溫度，在測(cè)點(diǎn)9處達(dá)到主體溫度15.9 ℃；對(duì)于丁字墻，同樣在墻角處溫度最低，為14.3 ℃，溫度在測(cè)點(diǎn)8處達(dá)到主體溫度16.3 ℃.兩種結(jié)構(gòu)的外表面溫度均在近墻角處稍微升高.

圖3給出了外轉(zhuǎn)角和丁字墻的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，結(jié)構(gòu)中主要包含抹面及砌筑砂漿、加氣塊及鋼筋混凝土等材料.由于鋼筋混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于加氣混凝土砌塊，所以鋼筋混凝土周圍墻體熱阻較小，熱量容易散失，造成墻體局部?jī)?nèi)表面溫度低于其他部位，即形成熱橋效應(yīng).另外，墻體與樓板、墻體與陽臺(tái)以及墻體與屋面連接處等部位同樣容易產(chǎn)生熱橋效應(yīng)，但鑒于這些部位與外轉(zhuǎn)角和丁字墻結(jié)構(gòu)相似，溫度變化趨勢(shì)也相同，本文僅以外轉(zhuǎn)角和丁字墻為例，研究加氣混凝土砌塊墻體的熱橋效應(yīng).

1-砂漿;2-加氣混凝土砌塊;3-鋼筋混凝土

2 外轉(zhuǎn)角及丁字墻的傳熱數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

將加氣混凝土墻體視為無內(nèi)熱源多層復(fù)合墻體的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱[11]，忽略材料層間的接觸熱阻，忽略溫度場(chǎng)沿墻體高度的變化，針對(duì)外轉(zhuǎn)角和丁字墻，分別建立如圖4～5中的二維模型[12-14]，控制方程為：

(1)

對(duì)于外轉(zhuǎn)角，其邊界條件如圖4所示：墻體截?cái)嗵?，為絕熱邊界條件；墻體外壁面及內(nèi)壁面分別與室外空氣及室內(nèi)空氣發(fā)生對(duì)流換熱.具體滿足以下條件式：

圖4 外轉(zhuǎn)角模型及邊界條件

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

對(duì)于丁字墻，其傳熱模型的邊界條件與外轉(zhuǎn)角類似，同樣滿足第二類或第三類邊界條件，不同之處在于，y=0的整個(gè)界面為與室外空氣對(duì)流換熱，其他壁面與室內(nèi)空氣對(duì)流換熱，截?cái)酁榻^熱邊界條件，如圖5所示，此處不再列出.

上述公式中，l,m為墻體不同方向的長(zhǎng)度，δ,ε為墻體厚度，單位均為m；tn為室內(nèi)溫度，tw為室外溫度，tf1為室內(nèi)溫度，tf2為室外溫度，單位均為℃；hn和hw為墻體內(nèi)外表面的對(duì)流換熱系數(shù)，單位為W/(m2·K).

圖5 丁字墻物理模型及邊界條件

2.2 熱橋的影響范圍及模型尺寸的確定

為確定數(shù)學(xué)模型的尺寸，需根據(jù)測(cè)定的溫度場(chǎng)確定熱橋的影響范圍.定義墻體任意點(diǎn)m的溫差比為：

(8)

同樣，未受熱橋影響正常部位z的溫差比為：

(9)

熱橋的影響區(qū)域滿足[15-16]：

(10)

下面根據(jù)外轉(zhuǎn)角和丁字墻的實(shí)測(cè)結(jié)果，確定相應(yīng)的熱橋影響范圍，結(jié)果如表1所示：對(duì)外轉(zhuǎn)角部位，熱橋影響范圍為溫度低于15.875 ℃的所有部位，即熱橋影響范圍為0.9 m范圍以內(nèi)；對(duì)丁字墻，熱橋影響范圍為溫度低于16.275 ℃的所有部位，熱橋影響范圍為0.7 m以內(nèi).根據(jù)以上確定的熱橋影響范圍，即可確定數(shù)學(xué)模型中的各項(xiàng)幾何尺寸，其中l(wèi)，m的設(shè)定值應(yīng)大于熱橋影響范圍，以使模擬結(jié)果能夠反應(yīng)全部熱橋影響區(qū)域的溫度場(chǎng)情況.

據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，對(duì)外轉(zhuǎn)角墻體，取δ=0.47 m，l=m=1.2 m>0.9 m；對(duì)丁字墻體，取ε=0.47 m，δ=0.135 m，m=1.08 m，l=1.2 m>0.7 m.

表1 熱橋影響范圍計(jì)算表

2.3 計(jì)算模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以實(shí)驗(yàn)條件下的室內(nèi)外溫度條件，利用FLUENT軟件對(duì)外轉(zhuǎn)角的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，并將實(shí)測(cè)溫度與模擬溫度對(duì)比，以驗(yàn)證計(jì)算模型.模擬中，室內(nèi)、外對(duì)流換熱系數(shù)依據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》分別選為8.7 W/(m2·K)和23.3 W/(m2·K)，墻體中不同建筑材料的物性參數(shù)由施工方提供，如表2所示.

表2 建筑材料熱工物性參數(shù)

實(shí)驗(yàn)條件下，外轉(zhuǎn)角溫度云圖如圖6所示．

圖中顯示了熱橋影響區(qū)域內(nèi)溫度場(chǎng)的變化情況，并標(biāo)出了內(nèi)、外壁面測(cè)點(diǎn)的模擬溫度值，長(zhǎng)方形標(biāo)示的區(qū)域?yàn)閴w內(nèi)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所處區(qū)域.為便于觀察實(shí)測(cè)值和模擬值的差別，將實(shí)驗(yàn)和模擬得到的不同測(cè)點(diǎn)的溫度繪制成曲線如圖7所示.

由曲線可知，內(nèi)壁面各點(diǎn)模擬值和實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差均在6.5%以內(nèi)，最大值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)9處，達(dá)到6.3%；外壁面各點(diǎn)的相對(duì)誤差的最大值為測(cè)點(diǎn)1處，為7.5%.模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值誤差可以接受，因而前文建立的計(jì)算模型能夠反應(yīng)熱橋處墻體的溫度分布情況.

圖6 實(shí)測(cè)工況下外轉(zhuǎn)角的模擬溫度場(chǎng)

測(cè)點(diǎn)

2.4 典型工況的模擬及分析

為分析嚴(yán)寒地區(qū)典型工況下，典型熱橋部位的溫度場(chǎng)狀況，現(xiàn)設(shè)定室內(nèi)溫度為18 ℃，室外溫度為長(zhǎng)春市采暖計(jì)算溫度，即-20.9 ℃，模擬計(jì)算可得到圖8所示的外轉(zhuǎn)角和丁字墻的溫度分布云圖.

由外轉(zhuǎn)角溫度云圖可知，混凝土范圍內(nèi)顏色較淺，且?guī)缀鯖]有紅色區(qū)域面積，說明此處的溫度較低，低于墻體其他區(qū)域的溫度.溫度云圖體現(xiàn)了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)墻體傳熱的影響，y方向墻體所受的影響較大.丁字墻結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)兩側(cè)對(duì)稱，圖中截取了x軸正向的部分，其內(nèi)部鋼筋混凝土區(qū)域顏色較淺，溫度比其他區(qū)域低.丁字墻y方向兩側(cè)溫度均為室溫，受熱橋的影響較小.

無論是在外轉(zhuǎn)角還是在丁字墻處，內(nèi)部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的存在，均會(huì)導(dǎo)致墻體局部傳熱系數(shù)的提高，從而使該結(jié)構(gòu)及其周圍區(qū)域溫度低于墻體其他部位的溫度，形成局部熱橋.

圖8 外轉(zhuǎn)角、丁字墻溫度分布云圖

3 熱橋部位的局部保溫措施及模擬

3.1 增設(shè)局部保溫層的效果

模擬結(jié)果證實(shí)，加氣混凝土砌塊墻體中的熱橋，主要發(fā)生在鋼筋混凝土周圍局部區(qū)域，因而可采用局部范圍設(shè)置保溫層的方法，即在鋼筋混凝土部位設(shè)置保溫層，以降低該處墻體的傳熱系數(shù).所設(shè)置保溫層的長(zhǎng)度應(yīng)略大于鋼筋混凝土支柱的尺寸，無需布滿熱橋整個(gè)影響區(qū)域[17].對(duì)外轉(zhuǎn)角和丁字墻部位，分別采用苯板進(jìn)行局部保溫，苯板的熱工參數(shù)如表2所示.保溫層采用夾心保溫的方式，緊貼鋼筋混凝土外側(cè)，保溫層外再利用加氣混凝土薄板，鋪設(shè)到與主體墻體厚度一致.外轉(zhuǎn)角中，y方向保溫層長(zhǎng)度為0.4 m，而x方向上保溫層略短，為0.3 m；對(duì)于丁字墻，保溫層總長(zhǎng)度為0.7 m，左右對(duì)稱，y方向上不做保溫，具體如圖9所示.

圖10顯示了增加0.1 m保溫層后，外轉(zhuǎn)角與丁字墻的模擬結(jié)果.對(duì)比圖10與圖8，增加保溫層后,鋼筋混凝土及周圍區(qū)域的溫度比未保溫墻體明顯上升,部分區(qū)域溫度甚至超過墻體主體溫度,說明設(shè)置局部保溫層能降低外轉(zhuǎn)角熱橋的不利影響.

圖9 外轉(zhuǎn)角、丁字墻處保溫層設(shè)計(jì)

圖10 外轉(zhuǎn)角、丁字墻溫度云圖(保溫后)

圖10中丁字墻的溫度云圖與設(shè)置局部保溫層前相比，鋼筋混凝土區(qū)域中紅色幾乎充滿整個(gè)區(qū)域，鋼筋混凝土區(qū)域的溫度整體比保溫前高，且均已高出墻體主體溫度，熱橋完全消除.模擬結(jié)果說明在鋼筋混凝土區(qū)域設(shè)置局部保溫層效果明顯.

3.2 保溫層厚度的影響

為探討保溫層厚度不同時(shí)，保溫效果的差別，對(duì)增設(shè)不同厚度的局部保溫層后的外轉(zhuǎn)角和丁字墻，進(jìn)行相同的初、邊界條件下的模擬，并進(jìn)行對(duì)比分析.圖11和12給出了設(shè)置不同厚度保溫層后，內(nèi)壁面溫度曲線.對(duì)于外轉(zhuǎn)角，內(nèi)壁面y方向上的溫度如圖11所示.未進(jìn)行保溫的外轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，y方向上的內(nèi)壁溫度急劇上升之后趨于平穩(wěn)，達(dá)到主體溫度.而對(duì)所有增設(shè)保溫層的情況，溫度上升后，溫度逐漸下降，之后達(dá)到主體溫度14.79 ℃.下降區(qū)間為圖中0.7 m到1.1 m的范圍.在設(shè)置保溫層后，0.7 m到1.1 m范圍內(nèi)的內(nèi)壁溫度，均在墻體主體溫度之上，溫度最高的位置是保溫層之后0.7 m到0.8 m之間的區(qū)域.保溫層厚度越大，局部溫度提升越明顯，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)處溫度越高.增設(shè)0.1 m的保溫層，能使最高點(diǎn)溫度達(dá)到15.50 ℃，對(duì)于0.08 m、0.06 m及0.04 m的保溫層，能提升到的最高溫度分別為15.36 ℃、15.19 ℃和14.98 ℃.對(duì)外墻角結(jié)構(gòu)而言，增設(shè)局部保溫層能夠削弱熱橋的影響.

距離/m

丁字墻設(shè)置不同厚度保溫層后內(nèi)壁面溫度沿x方向的變化如圖12所示.與外轉(zhuǎn)角熱橋情況相似，

距離/m

加設(shè)局部保溫層之后，部分區(qū)域的內(nèi)壁面溫度會(huì)上升到主體部位溫度以上，保溫層厚度不同，溫度提升程度不同.增設(shè)0.1 m的保溫層，最高溫度達(dá)到15.53 ℃，對(duì)其他厚度的保溫層，該溫度依次為15.43 ℃,15.15 ℃和14.94 ℃.保溫層厚度為0.08 m時(shí)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)處內(nèi)避免最低溫度即可與主體溫度持平，此時(shí)，熱橋完全消除，且在0.3 m到0.7 m的范圍內(nèi)，內(nèi)壁面溫度一直高于主體溫度14.47 ℃.所以對(duì)本文中的丁字墻結(jié)構(gòu)，增設(shè)0.08 m厚度以上的保溫層能夠消除鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱橋.

3.3 保溫層位置的影響

局部保溫層可采用夾心保溫和外保溫兩種形式，為對(duì)比兩種保溫情況的效果差別，本節(jié)將分析保溫層位置對(duì)溫度場(chǎng)的影響.外轉(zhuǎn)角和丁字墻增設(shè)0.1 m外保溫層的溫度云圖如圖13所示.

圖13 外轉(zhuǎn)角、丁字墻溫度云圖(外保溫)

通過對(duì)比溫度場(chǎng)可知，無論是外轉(zhuǎn)角還是丁字墻結(jié)構(gòu)，在兩種不同的保溫形式下，只要保溫層厚度一致，墻體鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)部以及墻體內(nèi)壁溫度分布幾乎相同，說明在保溫層厚度一樣的情況下，無論局部保溫層設(shè)置在墻體的什么部位，墻體內(nèi)表面溫度及鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)部溫度場(chǎng)無明顯變化.兩種保溫形式的不同之處在于，當(dāng)局部保溫為外保溫形式時(shí)，相對(duì)于夾心保溫的方式而言，溫度升高的范圍增加，所有墻壁溫度均得到提高；而夾心保溫的形式，在保溫層外側(cè)的墻體，溫度提升幅度較低，所以外保溫的形式在提高外側(cè)墻體溫度方面具有優(yōu)勢(shì).在實(shí)際工程中，加氣混凝土砌塊墻體的局部保溫層宜采用外保溫的形式，可以從整體上減弱或消除熱橋的不利影響.

4 結(jié) 論

加氣混凝土砌塊自保溫墻體在嚴(yán)寒地區(qū)使用時(shí)，在外轉(zhuǎn)角和丁字墻等內(nèi)部存在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的區(qū)域，溫度明顯低于墻體主體溫度，會(huì)產(chǎn)生熱橋效應(yīng).

針對(duì)加氣混凝土砌塊墻體的熱橋部位進(jìn)行局部保溫，可以減弱甚至消除熱橋的不利影響.局部保溫層的厚度越大，熱橋處溫度提升幅度越大，對(duì)外轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，增設(shè)0.1 m的局部保溫層能夠減弱熱橋的影響；而對(duì)于丁字墻結(jié)構(gòu)，增設(shè)0.08 m的保溫層即可基本消除熱橋.局部保溫層設(shè)置于墻體中的部位不同，并不能影響墻體內(nèi)表面和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場(chǎng)，但是外保溫相對(duì)于夾心保溫而言，能夠進(jìn)一步提高墻體外側(cè)的溫度.

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Thermal Bridge Effect of Aerated Concrete Wall and Its Partial Insulation

ZHANG Tian-tian1, TAN Yu-fei1?, LI Yu-zhou2

(1.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin,Heilongjiang 150090, China;2. The 9th Design Institute, China Shanghai Architectural Design & Research Institute Co Ltd, Shanghai 200063, China)

As a self-insulating building material which can meet the 65 percent energy-efficiency requirements in cold regions of China, aerated concrete blocks often go moldy, suffer frost heaving, or cause plaster layer hollowing at thermal bridge parts in extremely cold regions due to the restrictions of environmental climate and construction technique. Outer-corner part and T-shaped part of aerated concrete walls are most influenced by thermal bridge effect. In this paper heat transfer calculation models for outer-corner wall and T-shaped wall were developed, and their temperature fields were simulated. According to the simulation results, insulation measures of the thermal-bridge position of self-heat-insulting walls were designed to weaken or even eliminate thermal bridge effect and to improve the temperature of thermal-bridge position. And the influences of the thickness and location of the local insulation layer on the temperature field were analyzed. Consequently, the condensation inside self-thermal-insulating wall and frost heaving caused by condensation and low temperature were reduced, avoiding damage to the wall body from condensation. The research results can provide theoretical basis for the application and extension of self-thermal-insulating wall in extremely cold regions.

extremely cold regions; aerated concrete wall; thermal bridge effect; partial insulation

1674-2974(2015)07-0114-07

2014-09-17

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 (2011BAJ08B07,2011BAJ05B03)

張?zhí)鹛?1987-)，男，湖北松滋人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士研究生

?通訊聯(lián)系人，E-mail:tanyufei2002@163.com

TU111.4

A