不同外墻保溫體系框架柱熱橋二維非穩(wěn)態(tài)傳熱比較

汪越　桑曉景

摘 要：文章將廢玻璃再生輕石制成的保溫砌塊或保溫墻板作為構(gòu)造層加入外墻保溫體系中，以混凝土框架柱熱橋為研究對象，選取武漢地區(qū)冬季典型日的氣象數(shù)據(jù)，采用二維非穩(wěn)態(tài)傳熱理論，通過有限元分析軟件ANSYS對框架柱熱橋處墻體內(nèi)表面溫度隨時間變化的規(guī)律進(jìn)行模擬分析，從而對該種保溫材料用于外墻保溫體系中的適用性給予科學(xué)經(jīng)濟的評價，并為相關(guān)的建筑節(jié)能計算提供參考。

關(guān)鍵詞：廢玻璃再生輕石；墻體保溫；熱橋；傳熱

伴隨著經(jīng)濟的快速增長，能源危機日益凸顯，而建筑能耗約占全社會商品能耗的30%，而建筑耗熱中，熱橋耗熱已經(jīng)占到總能耗的20%左右，因此，對于熱橋處的熱量損失規(guī)律的研究具有重要意義。

玻璃使用范圍廣，損耗多，若丟棄的廢玻璃不能有效地回收利用，不僅浪費資源，還將對環(huán)境造成污染，因此，加強對廢玻璃的回收再利用意義重大。日本公司已經(jīng)形成了廢玻璃回收再處理的生產(chǎn)線，可將其轉(zhuǎn)化為再生輕石材料，具有保溫、隔熱等特性，經(jīng)其制作成的保溫墻板和砌塊對于優(yōu)化建筑節(jié)能有重要作用。文章將廢玻璃再生輕石材料制成的保溫砌塊和墻板作為保溫構(gòu)造層加入外墻保溫體系中，以武漢地區(qū)冬季典型日氣候作為數(shù)據(jù)依托，研究該保溫材料在建筑外墻保溫體系中的適用性。

1 框架柱熱橋二維非穩(wěn)態(tài)傳熱過程

實際工程中建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱涉及到多方面的復(fù)雜影響，會受到室外空氣溫度、太陽輻射強度等外部條件和室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)設(shè)備引起的溫度變化的影響。這表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流量、溫度隨時間會發(fā)生變化，即發(fā)生非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。目前，一些節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中也提出，建筑物的采暖空調(diào)負(fù)荷計算、全年能耗計算和自身的節(jié)能性好壞，都必須通過動態(tài)計算方法，即考慮建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的非穩(wěn)態(tài)傳熱問題。

研究表明，當(dāng)墻體的高度達(dá)到厚度的10倍以上時，在垂直方向的溫度場可以近似看作為恒定不變，物體傳熱過程可以用二維傳熱理論進(jìn)行分析。根據(jù)文獻(xiàn)中試驗測試與溫度場模擬結(jié)果可知，溫度等溫線彎曲比較明顯的范圍，即側(cè)向散熱的影響范圍大約為墻厚的1.5～2倍。文章在研究混凝土框架柱熱橋的溫度場和熱流密度分布時，建立模型時，取柱邊向兩邊各延伸長度大于墻體的2倍，即0.6m。

1混合砂漿；2混凝土空心砌塊； 1混合砂漿；2玻璃輕石砌塊；

3水泥砂漿；4混凝土柱 3水泥砂漿；4混凝土柱

（a）無保溫 （b）玻璃輕石砌塊自保溫

1混合砂漿；2玻璃輕石保溫板； 1混合砂漿；2混凝土空心砌塊；

3水泥砂漿；4混凝土空心砌塊； 3水泥砂漿；4玻璃輕石保溫板；

5水泥砂漿；6混凝土柱 5水泥砂漿；6混凝土柱

文章以圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的框架柱熱橋為例進(jìn)行研究，四種保溫形式下的框架柱熱橋構(gòu)造圖如上圖1所示，墻體材料的熱物性指標(biāo)見表1。

在采用ANSYS對框架柱熱橋進(jìn)行模擬分析時，選取平面四邊形單元PLANE55并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因模擬部位形狀簡單規(guī)則，采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模擬分析時墻體內(nèi)、外墻面的表面對流換熱系數(shù)分別取8.7W/（m2·K）和23 W/（m2·K）。

在室內(nèi)一側(cè)設(shè)有采暖空調(diào)系統(tǒng)，取理想條件下的情況，即室溫保持恒定，=18℃，室內(nèi)空氣相對濕度取60%，算得室內(nèi)空氣露點溫度為10.1℃；室外大氣綜合溫度參照相關(guān)文獻(xiàn)資料取武漢地區(qū)冬季典型日的氣象數(shù)據(jù)，其中最高溫度=1.2℃，最低溫度=-2.7℃，將室外空氣溫度處理為正弦曲線，用公式1和2表示：

（1）

（2）

其中，為室外空氣溫度，℃；為時間，h。

2 不同保溫形式熱橋柱的溫度變化規(guī)律

圖2對四種保溫形式下框架柱熱橋在室內(nèi)一側(cè)墻角處的溫度隨時間變化曲線進(jìn)行了對比。由圖知，無保溫和自保溫形式的墻角處內(nèi)表面溫度波動幅度相似，內(nèi)保溫和外保溫形式相近，但內(nèi)保溫的溫度波動幅度更大。

圖3對四種保溫形式下框架柱熱橋在室內(nèi)一側(cè)墻體主體部位的內(nèi)表面溫度隨時間變化規(guī)律進(jìn)行了描繪。可知，無保溫形式的墻體內(nèi)表面溫度最低，且波動幅度較大，而內(nèi)保溫和外保溫形式對熱橋部位主體墻體的內(nèi)表面溫度的變化影響幾乎一致，自保溫形式溫度波動幅度很小，幾乎保持為直線型。

綜上，采用外保溫和自保溫的外墻保溫體系，墻體內(nèi)表面溫度變化趨勢更穩(wěn)定，可以減弱熱橋部位各構(gòu)造層的熱應(yīng)力，不宜造成結(jié)構(gòu)損壞，也使居住環(huán)境更舒適。

3 保溫板厚度不同對熱橋柱溫度變化的影響

選取內(nèi)保溫和外保溫兩種外墻保溫形式，保持墻體其他構(gòu)造層不變，玻璃輕石保溫板的厚度依次取20mm、40mm、60mm和80mm，以此比較保溫層厚度不同時這兩種保溫形式熱橋部位墻體內(nèi)表面溫度的變化，選取墻角處和墻體主體部位兩個位置的內(nèi)表面溫度進(jìn)行比較。

3.1 墻角處內(nèi)表面溫度

圖4和圖5描繪了不同保溫板厚度時，內(nèi)保溫和外保溫兩種保溫形式下熱橋部位內(nèi)墻角溫度隨時間的變化曲線。由圖知，這兩種保溫形式中熱橋部位墻角處溫度波動趨勢是相似，但內(nèi)保溫波動幅度更大，外保溫波動幅度較小，且隨著保溫板厚度增加，熱橋部位墻角處的溫度也隨之升高。在室外溫度較低時，墻角內(nèi)表面溫度隨保溫板厚度增加變化較大，外保溫比內(nèi)保溫形式變化幅度更大；在室外溫度較高時，保溫板厚度的增加影響溫度的改變較小，故外保溫保溫板厚度的改變對熱橋部位墻角處的溫度影響比內(nèi)保溫更大一些。

3.2 墻體主體部位內(nèi)表面溫度

圖6和圖7表示采用用不同厚度的保溫板時，內(nèi)保溫和外保溫兩種保溫形式下熱橋部位室內(nèi)一側(cè)主體墻體內(nèi)表面溫度隨時間的變化曲線。由圖知，兩種保溫形式下，內(nèi)表面溫度曲線變化趨勢和幅度相似，而且隨著保溫板厚度的增加，主體墻體內(nèi)表面的最低溫度逐漸增大，最高溫度保持一致。保溫板厚度的改變對熱橋部位墻體主體部位內(nèi)表面溫度的影響，內(nèi)保溫形式和外保溫形式相差不大，不存在明顯的優(yōu)劣。

4 結(jié)語

文章采用ANSYS對武漢地區(qū)冬季氣候條件下的不同保溫體系中的框架柱熱橋進(jìn)行了模擬分析，結(jié)論如下：

（1）采用外墻自保溫形式時，熱橋部位各位置處的溫度波動幅度都很小，墻角處的溫度變化幅度相對大一些，表明室內(nèi)溫度波動不大，居住較舒適；采用內(nèi)保溫形式時，熱橋部位各位置處的溫度波動相對于自保溫要大一些；而采用外保溫形式時，熱橋部位墻角處和主體墻體表面溫度的波動幅度都很小，對結(jié)構(gòu)最有利，使得居住環(huán)境也更舒適。

（2）采用外墻內(nèi)保溫形式時，保溫板厚度的改變對墻角處溫度的影響不大，對墻體主體部位溫度影響較大，表明并不是保溫板越厚，保溫效果越好；外墻外保溫形式，保溫板厚度改變對墻角處和主體墻體溫度影響都很大，應(yīng)該選取合適的保溫板厚度。

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作者簡介：汪越（1988- ），女，碩士研究生；桑曉景（1989- ），女。