混凝土管片蒸養(yǎng)窯熱環(huán)境模擬及溫控研究

溫付友

摘要：混凝土管片蒸養(yǎng)需要消耗大量的熱能，熱能過(guò)程控制成為混凝土管片綠色生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)混凝土管片蒸養(yǎng)窯建筑結(jié)構(gòu)及構(gòu)件屬性進(jìn)行分析，基于熱工分析系統(tǒng)Ecotect Analysis進(jìn)行BIM建模，并對(duì)建筑結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行熱工參數(shù)賦值。通過(guò)模擬混凝土管片蒸養(yǎng)窯被動(dòng)組分得熱、溫度/得熱對(duì)比等熱工過(guò)程，對(duì)模擬結(jié)果分析評(píng)價(jià)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，成都地區(qū)夏季太陽(yáng)輻射相對(duì)充足，而冬季可以吸收輻射相對(duì)較少，自然通風(fēng)情況下，混凝土蒸養(yǎng)窯室內(nèi)溫度會(huì)因吸收輻射的量產(chǎn)生變化?？煞謩e采用增加通風(fēng)機(jī)和保溫毯的方法做好相應(yīng)的溫控措施，使混凝土管片在適宜的溫度下蒸養(yǎng)，確?；炷凉芷馁|(zhì)量。

Abstract： Steaming of concrete segments requires a large amount of thermal energy， and thermal process control has become a key link in the green production process of concrete segments. Analyzing the structure and component properties of the concrete segment steam curing kiln， the BIM modeling is performed based on the thermal analysis system Ecotect Analysis， and the thermal structure parameters of the building structural model are assigned.The simulation results were analyzed and evaluated by simulating thermal processes such as heat gain and temperature / heat gain comparison of the passive components of the concrete segment steam curing kiln.The results show that the solar radiation in Chengdu is relatively sufficient in summer and relatively little radiation can be absorbed in winter. Under natural ventilation， the temperature in the concrete steam curing kiln will change due to the amount of radiation absorbed.The method of adding ventilator and insulation blanket can be adopted separately to control temperature，so that the concrete segments can be steam-cured at a suitable temperature to ensure the quality of concrete segments.

關(guān)鍵詞：混凝土管片;蒸養(yǎng)窯;熱環(huán)境;模擬;溫控

Key words： concrete segment;steaming kiln;thermal environment;simulation;temperature control

中圖分類號(hào)：TU528.064 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）06-0204-03

0 ?引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提高，大規(guī)模城鎮(zhèn)化在推動(dòng)軌道交通建設(shè)的同時(shí)，也有力地促進(jìn)了地鐵工程技術(shù)的發(fā)展。地鐵工程施工的重點(diǎn)是盾構(gòu)隧道，大體量、高品質(zhì)的管片作為盾構(gòu)隧道的主體結(jié)構(gòu)之一，對(duì)保證地鐵網(wǎng)線建設(shè)工程質(zhì)量具有重要作用。國(guó)內(nèi)大部分混凝土管片均采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的方法，以提高管片構(gòu)件的生產(chǎn)效率[1]。但若蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度控制不當(dāng)，則會(huì)給混凝土管片的性能帶來(lái)弊端，進(jìn)而影響到力學(xué)性能及耐久性，同時(shí)給綠色施工帶來(lái)不利影響?？梢?jiàn)，分析混凝土管片蒸養(yǎng)窯的熱工過(guò)程，對(duì)于控制蒸養(yǎng)溫度、保證構(gòu)件質(zhì)量和綠色施工至關(guān)重要。

近年來(lái)，關(guān)于混凝土管片蒸養(yǎng)的研究已經(jīng)成為了一個(gè)熱點(diǎn)。為完善管片混凝土的蒸養(yǎng)工藝，呂根喜等[2]提出了一種能嚴(yán)格按照靜停、升溫、恒溫、降溫進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)的獨(dú)立單元窯式管片養(yǎng)護(hù)工藝模式，以期為混凝土管片生產(chǎn)流水線的技術(shù)提升提供參考。王浩[3]從設(shè)施布置、蒸養(yǎng)室內(nèi)溫度的控制及管片成型后堆放靜養(yǎng)等方面闡述了溫度對(duì)管片質(zhì)量的影響，并提出相應(yīng)的質(zhì)量保障措施，使管片廠在保證質(zhì)量的同時(shí)達(dá)到日產(chǎn)量最大化。李雪梅等[4]提出蒸養(yǎng)過(guò)程中，礦物摻合料種類、摻量及復(fù)摻比例等配合比參數(shù)將影響管片混凝土的抗壓強(qiáng)度，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻合料復(fù)合摻加混凝土力學(xué)性能好于單摻混凝土。相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)于混凝土管片蒸養(yǎng)的研究多集中于蒸養(yǎng)技術(shù)的優(yōu)化，缺少對(duì)混凝土管片蒸養(yǎng)窯熱工過(guò)程模擬優(yōu)化的研究。

鑒于此，本文基于熱工分析系統(tǒng)Ecotect Analysis進(jìn)行BIM建模，通過(guò)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行熱工參數(shù)賦值，模擬混凝土管片蒸養(yǎng)窯主要區(qū)域被動(dòng)組分得熱、溫度/得熱對(duì)比等熱工過(guò)程，并對(duì)模擬結(jié)果分析評(píng)價(jià)，為管片廠蒸養(yǎng)制度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 ?研究背景

以中國(guó)水利水電第七工程局有限公司新津管片廠為對(duì)象進(jìn)行研究。該管片廠位于成都市新津縣，地理位置位于北緯30.67°，東經(jīng)104.06°。成都屬亞熱帶季風(fēng)氣候，具有春早、夏熱、秋涼、冬暖的氣候特點(diǎn)，年平均氣溫16℃。管片廠自投入運(yùn)行以來(lái)，總體狀況良好，但也出現(xiàn)了一些值得關(guān)注的問(wèn)題，如混凝土管片在蒸養(yǎng)過(guò)程中難以掌握混凝土蒸養(yǎng)窯能源消耗情況。分析建筑室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)于控制室內(nèi)各區(qū)域溫度而言尤為重要，同時(shí)能為建筑節(jié)能提供參考。本文通過(guò)實(shí)地調(diào)研，結(jié)合Ecotect Analysis軟件進(jìn)行BIM建模，分析混凝土蒸養(yǎng)窯熱工性能，對(duì)混凝土蒸養(yǎng)窯提出溫控措施，為混凝土蒸養(yǎng)窯的維護(hù)提供依據(jù)。

2 ?研究方法

前期對(duì)成都市新津縣新建混凝土管片廠蒸養(yǎng)窯進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，考察該混凝土蒸養(yǎng)窯內(nèi)部圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其他構(gòu)件的屬性。后期結(jié)合實(shí)地調(diào)研結(jié)果，利用BIM技術(shù)中的Revit軟件建模，并采用Ecotect Analysis軟件對(duì)混凝土蒸養(yǎng)窯進(jìn)行熱環(huán)境分析。

2.1 管片廠混凝土蒸養(yǎng)窯BIM模型建立

Revit是BIM技術(shù)中最具有代表性并且是目前為止應(yīng)用最廣泛的三維模型軟件，應(yīng)用BIM技術(shù)能夠給工程項(xiàng)目帶來(lái)價(jià)值的關(guān)鍵就是在Revit軟件中建立三維模型，創(chuàng)建一個(gè)可以信息化交流的平臺(tái)。Revit可以參數(shù)化表示每一個(gè)建筑構(gòu)件，并提供參數(shù)化的修改模式，清晰、真實(shí)的表達(dá)出實(shí)際工程項(xiàng)目的完整的面貌。新津管片廠混凝土管片養(yǎng)護(hù)窯的Revit模型，如圖1所示。將建立的BIM模型導(dǎo)入Ecotect Analysis軟件中，并對(duì)模型各部分賦予材質(zhì)。

2.2 材質(zhì)及氣象參數(shù)導(dǎo)入

在Ecotect Analysis軟件的材質(zhì)選擇欄分別選擇墻體、窗戶、門(mén)、天花板、屋頂、地板并導(dǎo)入材質(zhì)。Ecotect Analysis提供了專用的氣象策略分析工具：Weather Tool，同時(shí)它提供中國(guó)270個(gè)城市的氣象數(shù)據(jù)文件（Weather Data）。在Weather Data中將成都市氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Ecotect Analysis。

2.3 熱工計(jì)算

加載成都地區(qū)的氣候參數(shù)，進(jìn)行熱環(huán)境分析。在進(jìn)行熱工模擬計(jì)算之前，區(qū)域?qū)傩缘脑O(shè)置大部分參數(shù)為系統(tǒng)默認(rèn)值。室內(nèi)設(shè)計(jì)條件（Internal design condition）包括了衣著量（Clothing）系統(tǒng)默認(rèn)值1，相對(duì)濕度（Humidity）60%，風(fēng)速（Wind Speed）為0.5m/s。人員與運(yùn)行等條件的設(shè)置包括人員情況（Occupancy）為3人，室內(nèi)得熱情況（Internal Gainss）系統(tǒng)默認(rèn)值，居住建筑使用全天。熱環(huán)境屬性的設(shè)置包括系統(tǒng)類型（Type of system），選擇自然通風(fēng)，因?yàn)榛炷琳麴B(yǎng)窯的門(mén)窗春夏秋冬都開(kāi)。運(yùn)行時(shí)間（Hours of operation）全天使用選擇（No Schedule）選項(xiàng)。

3 ?模型熱環(huán)境分析

3.1 混凝土管片蒸養(yǎng)窯被動(dòng)組分得熱分析

Ecotect軟件中通過(guò)選定日期范圍可以清楚了解不同來(lái)源得熱的逐日變化情況以及各自準(zhǔn)確的所占比例。同時(shí)能夠通過(guò)分析得到建筑冬、夏季時(shí)的主要熱源來(lái)自何處，利用利弊合理處理，營(yíng)造相對(duì)舒適的物理環(huán)境同時(shí)有效地節(jié)約能源。

對(duì)混凝土管片蒸養(yǎng)窯各區(qū)域作如圖2的被動(dòng)組分得熱分析。

對(duì)于靜養(yǎng)保溫區(qū)、蒸養(yǎng)升溫區(qū)、蒸養(yǎng)保溫區(qū)，全年得熱來(lái)源主要為蒸養(yǎng)窯內(nèi)部吸收的熱輻射，失熱主要由通風(fēng)及區(qū)域間空氣流動(dòng)造成。對(duì)于蒸養(yǎng)降溫區(qū)，得熱來(lái)源主要為蒸養(yǎng)窯內(nèi)部所吸收的熱輻射及區(qū)域間空氣流動(dòng)，失熱的原因主要為通風(fēng)及空氣流動(dòng)。各區(qū)域被動(dòng)組分得熱所占比例見(jiàn)表1。

由表1數(shù)據(jù)可得，各蒸養(yǎng)主要區(qū)域中，主要得熱組分占比和與主要失熱組分占比和均超過(guò)90%，從空氣流動(dòng)與通風(fēng)的角度優(yōu)化蒸養(yǎng)窯熱環(huán)境是控制溫度的關(guān)鍵。

3.2 混凝土管片蒸養(yǎng)窯溫度/得熱對(duì)比分析

混凝土管片蒸養(yǎng)窯維護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度/得熱對(duì)比如圖3所示。

圖3為所有區(qū)域的結(jié)構(gòu)部件得熱情況。圖中橫坐標(biāo)為室外溫度情況，縱坐標(biāo)為室內(nèi)的得熱情況，綠色虛線的走勢(shì)代表了理想狀態(tài)下該蒸養(yǎng)窯室內(nèi)區(qū)域的隨外界溫度變化得熱情況，紅色點(diǎn)與藍(lán)色點(diǎn)分別代表了該蒸養(yǎng)窯區(qū)域的失熱與得熱情況，點(diǎn)的密集與否代表了該走勢(shì)的離散程度。由圖3可知，分區(qū)門(mén)及墻體的設(shè)計(jì)在冬季對(duì)于室內(nèi)保溫起到了一定的作用。

3.3 混凝土管片蒸養(yǎng)窯溫控措施

從上述分析中易得，自然通風(fēng)情況下，夏季時(shí)間段光照時(shí)間偏長(zhǎng)，墻體吸收熱輻射多，可以采用在室內(nèi)增加通風(fēng)機(jī)的方法，通過(guò)排風(fēng)帶走余熱來(lái)降溫。冬季時(shí)間段太陽(yáng)光照時(shí)間相對(duì)較少，冷空氣流動(dòng)導(dǎo)致圍護(hù)墻體散熱快，可以采用增加保溫毯，改進(jìn)蒸養(yǎng)窯分區(qū)門(mén)材質(zhì)的方法，減少熱量的流失以控制溫度[5]。

4 ?小結(jié)

Ecotect Analysis基于BIM技術(shù)構(gòu)造建筑模型，在熱環(huán)境分析方面提供了計(jì)算被動(dòng)組分得熱、溫度/得熱對(duì)比分析等熱工指標(biāo)，通過(guò)分析這些指標(biāo)的模擬結(jié)果，可以有效地為工作人員對(duì)混凝土蒸養(yǎng)窯的溫度控制提供依據(jù)。從上述熱工指標(biāo)分析中，可以得出以下結(jié)論：

①?gòu)母鲄^(qū)域被動(dòng)組分得熱分析模擬結(jié)果可以清楚地了解到靜養(yǎng)保溫區(qū)、蒸養(yǎng)升溫區(qū)、蒸養(yǎng)恒溫區(qū)的被動(dòng)組分得熱情況相近，全年得熱主要通過(guò)內(nèi)部得熱，失熱主要由通風(fēng)得熱和區(qū)域間得熱造成。對(duì)于蒸養(yǎng)降溫區(qū)，得熱主要通過(guò)內(nèi)部得熱和區(qū)域間得熱，失熱主要由通風(fēng)得熱和區(qū)域間得熱造成。

②對(duì)比蒸養(yǎng)窯所有區(qū)域的總得熱情況和所有區(qū)域的結(jié)構(gòu)部件得熱情況，我們可以直觀的了解到分區(qū)門(mén)、墻體的設(shè)計(jì)在冬季對(duì)于室內(nèi)保溫起到了一定的作用。將原分區(qū)門(mén)的木材質(zhì)替換為保溫效果更好的材質(zhì)，可使室內(nèi)保溫效果會(huì)進(jìn)一步提升。

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