建筑圍護結(jié)構(gòu)熱阻測試方法及影響因素分析

張大權(quán)，郭天賦（南陽市三亞建筑有限公司，河南 南陽 473000）

建筑圍護結(jié)構(gòu)熱阻測試方法及影響因素分析

張大權(quán)，郭天賦
（南陽市三亞建筑有限公司，河南 南陽 473000）

采用ANSYS模擬軟件對建筑圍護結(jié)構(gòu)熱阻檢測方法進行了模擬模型的建立。進而從不同加熱功率、室外空氣溫度波動、室外風(fēng)速波動等層面對建筑圍護結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測的影響進行了具體探討，數(shù)值模擬分析可從理論上對新型圍護結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)提供理論支撐。

ANSYS模擬；建筑圍護結(jié)構(gòu)；加熱功率；影響因素

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.084

1　建筑圍護結(jié)構(gòu)熱阻測試方法 ANSYS 模型建立

ANSYS15.0 的熱分析的基本原理是將要處理的模型首先進行網(wǎng)格劃分，劃分成有限個單元（每個單元包含若干個節(jié)點），根據(jù)能力守恒定律進行求解，求解一定邊界條件和初始條件下每一節(jié)點處的熱平衡方程，然后計算出各個節(jié)點的溫度值，以及其他相關(guān)量。運用ANSYS15.0 模擬分析的基本步驟可以分為：（1）建立有限元模型；（2）施加荷載；（3）求解；（4）后處理。

從理論上來講，任何一種材質(zhì)的建筑墻體其本身如果內(nèi)部不存在對流換熱并且不存在各項異性材料，在數(shù)值模擬中都可以將其用單一導(dǎo)熱系數(shù)的材質(zhì)取代。為了便于建立墻體模擬和接下來的數(shù)據(jù)處理，在此建立模型時將建筑墻體復(fù)合材料使用相當?shù)膯我徊馁|(zhì)充當。將室內(nèi)環(huán)境設(shè)定為18℃，將室外溫度簡化設(shè)定為 21.5℃±3.5℃的簡諧波動。墻體一側(cè)設(shè)置一個加熱箱，置于墻體內(nèi)側(cè)。加熱箱由加熱板和保溫層組成，電熱板功率為 120W/m2，保溫層的材料為擠塑板，厚度為 40mm，其物性參數(shù)為：導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.028W/m?K，比熱容 c=1500J/（kg?k），密度ρ=40kg/m3。墻結(jié)構(gòu)為 240mm 厚多孔磚砌體由包括 200mm 厚直孔燒結(jié)多孔磚、兩側(cè)各 20mm厚的石灰砂漿抹灰組成，所作墻體模型尺寸為 3m×3m×0.24m 并按照中心對稱性取 1/4 作為模擬計算。240mm 厚 KP1 型兩側(cè)未抹灰直孔燒結(jié)多孔磚砌體熱阻值為 0.53（m2?K）/W，折合成本測試墻體所用 200mm 厚多孔磚砌體的熱阻為0.44（m2?K）/W，比熱容 c=1050J/（kg?K），密度ρ=1270kg/ m3，水泥砂漿導(dǎo)熱系數(shù)為 0.999W/m?K。根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB 50176-1993），模擬建筑墻體兩表面換熱系數(shù)α取 8.7W/m2·K，αe取 23.3W/m2·K。建筑墻面與空氣對流方式為自然對流。

2　不同加熱功率對于現(xiàn)場檢測的影響

首先將對不同的加熱功率采取數(shù)值模擬，在 ANSYS 中可以對施加的熱流密度進行設(shè)置，后續(xù)模擬分別選取施加的熱流密度分別為55.6W/m2、111.2W/m2、166.8W/m2，建筑墻體材料的相關(guān)物性參數(shù)設(shè)置與上述相同。在模擬不同加熱功率對于測試的影響時，選取相同的室外空氣溫度波動函數(shù)以及室外風(fēng)速。室外空氣溫度波動函數(shù)的 K 值取 1，室外對流換熱系數(shù)取 23.3W/m2·K。三種不同加熱功率下所得的模擬結(jié)果分別如下：采用算術(shù)平均法對模擬試驗得到的數(shù)據(jù)進行處理，三次模擬所得的熱阻分別為 0.511m2·K/W、0.507 m2·K/W 、0.504m2·K/W，加熱功率越大，與理論熱阻的偏差越小。從模擬結(jié)果均可以看出，三組數(shù)據(jù)都得到了較好的測試結(jié)果，說明只要存在一定的溫差，這些測試偏差在可接受的范圍內(nèi)。加熱功率越大，造成的圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)壁面溫度的溫差就會越大，這樣可以更好的保證“一維傳熱”。但在進行現(xiàn)場測試時，為了防止建筑墻體的熱物性發(fā)生變化應(yīng)當盡量避免過高的測試溫度，達到一定測試溫差即可。

3　室外空氣溫度波動對于現(xiàn)場檢測的影響

除了加熱功率對于現(xiàn)場測試的影響外，將在施加熱流密度為55.6W/m2的基礎(chǔ)上對不同的室外氣溫波動進行研究，此時保持加熱功率以及室外圍護結(jié)構(gòu)的對流換熱系數(shù)不變。從算術(shù)平均法計算結(jié)果來看，針對普通 24 墻體，在加熱功率相同的情況下，建筑墻體內(nèi)側(cè)溫度達到穩(wěn)定的時間基本上一致。隨著室外溫度波動浮度的增大，實時計算熱阻波動浮度也增大。在實際現(xiàn)場檢測過程中，若室外空氣溫度突然升高，冷側(cè)壁面溫度則會隨之上升，此時就會造成兩側(cè)壁面的溫差縮小，溫差越小，則會削弱圍護結(jié)構(gòu)的三維傳熱現(xiàn)象，所以很有可能會對現(xiàn)場測試所得數(shù)據(jù)的可用性造成影響，盡管采用算術(shù)平均法進行數(shù)據(jù)處理可以削弱這一現(xiàn)象，但現(xiàn)場測試還是需要盡量避免室外空氣溫度過度波動的氣象條件下檢測。除了室外溫度的波動會影響測試結(jié)果，室外無規(guī)則的風(fēng)速變化也會對于現(xiàn)場的測試環(huán)境造成影響，所以風(fēng)速對于現(xiàn)場測試結(jié)果的影響大小也需進一步進行探討。

4　室外風(fēng)速波動對于現(xiàn)場檢測的影響

建筑墻體表面換熱系數(shù)是表征建筑墻體表面換熱過程的重要參數(shù)。由于建筑墻體表面換熱過程受空氣流動、輻射強度及建筑墻體外表面與周圍空氣間的溫差等諸多因素的影響，是一個復(fù)雜的動態(tài)過程。我國常用的圍護結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)是在冬季建筑物附近風(fēng)速為 3m/ s 時實測統(tǒng)計而確定的，僅實用于低層建筑：冬季 23.3 W/m2·K，夏季 18.6 W/m2·K.F. 在室外不同風(fēng)速條件的影響下，雖熱流和溫度都有會受到影響，但是就計算所得熱阻而言，在同一時刻不同風(fēng)速間差別細微。因為在進行熱阻計算時采取內(nèi)、外壁面溫差與內(nèi)墻面熱流密度的比值，盡管風(fēng)速變大，但同時建筑墻體內(nèi)側(cè)熱流密度也會增大，內(nèi)外墻面之間的溫度差也隨之改變，因此并無大變化。就某一時刻熱阻計算值而言，最大誤差為6%，將數(shù)據(jù)采用算術(shù)平均法得到的熱阻與理論值之間的誤差在 5%以內(nèi)。由于在測試現(xiàn)場風(fēng)速是無規(guī)律的變化，這必然會對采集的數(shù)據(jù)造成影響，所以在進行現(xiàn)場測試的時候也需要盡量避免室外風(fēng)速的影響。

除此之外，太陽輻射對于熱流計數(shù)據(jù)的采集必然也會存在影響，若受到太陽輻射的作用，則采集得到的熱流數(shù)據(jù)會隨著太陽的位置的改變而改變，這也會對熱阻的計算帶來誤差，所以，在進行建筑圍護結(jié)構(gòu)熱阻現(xiàn)場測試試驗時，應(yīng)當在受太陽輻射影響較小的北墻面進行熱流計布置。

［1］穆小麗.建筑圍護結(jié)構(gòu)K值現(xiàn)場檢測方法研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2010.

［2］田向偉，馬立.既有建筑墻體傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測方法對比分析［J］.墻材革新與建筑節(jié)能，2013（02）：55-58.