裝配式ECP復(fù)合墻體熱工性能有限元分析

趙西平, 王若楠, 黃 煒

(1.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院, 陜西 西安 710055; 2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710055)

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)的飛速發(fā)展和人們對(duì)建筑環(huán)境要求的不斷提高,建筑能耗不斷增加[1].在低碳經(jīng)濟(jì)理念的驅(qū)使下,住宅產(chǎn)業(yè)化已成為中國(guó)建筑和土木行業(yè)現(xiàn)階段需要迫切解決的問題,同時(shí)產(chǎn)業(yè)化節(jié)能建筑也成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[2].建筑節(jié)能中最重要的一項(xiàng)措施就是墻體保溫隔熱[3].具有良好保溫隔熱性能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)可減少室內(nèi)外溫差所造成的傳熱損失,提高房間的熱穩(wěn)定性.因此發(fā)展高質(zhì)量的節(jié)能保溫墻板已成為中國(guó)建筑行業(yè)目前需要解決的問題,是實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化和推廣產(chǎn)業(yè)化節(jié)能建筑的重要途徑,對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展有著極其深遠(yuǎn)的意義.

目前,發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍在外墻板中使用高效保溫、隔熱材料,這種形式的外墻板在預(yù)制外墻板中已占很大比例,例如在丹麥、瑞典、法國(guó)均已占70%以上[4].中國(guó)裝配式結(jié)構(gòu)起步較晚,機(jī)械化程度低,阻礙了裝配式復(fù)合墻板的發(fā)展,目前可單獨(dú)或通過復(fù)合后用作外墻板的材料有：預(yù)應(yīng)力混凝土空心板(SP)、預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)(PC)、玻璃纖維增強(qiáng)水泥輕質(zhì)多孔隔墻條板(GRC)、蒸壓加氣混凝土外墻板(ALC)、纖維水泥復(fù)合夾芯板(FC)等[5].

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者結(jié)合實(shí)物試驗(yàn)和數(shù)值模擬,對(duì)復(fù)合墻體的受力性能和抗震性能進(jìn)行了研究[6-8].針對(duì)中空擠出成型纖維水泥墻板(ECP墻板),饒宇等[9]指出裝配式ECP墻體在7.5度大震(0.31g)及以下時(shí),其鋼框架、圍護(hù)墻板及其連接件基本處于彈性工作狀態(tài),抗震性能良好.由于裝配式建筑的承重構(gòu)造大多為鋼結(jié)構(gòu),建筑鋼材雖然強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好,但其良好的導(dǎo)熱性使得節(jié)點(diǎn)部位極易形成局部保溫弱點(diǎn),產(chǎn)生熱橋效應(yīng).鑒于進(jìn)行大量的復(fù)合墻體試驗(yàn)較為困難,因此本文采取有限元模擬方法對(duì)ECP復(fù)合墻體的熱工性能進(jìn)行研究,根據(jù)模擬結(jié)果分析ECP復(fù)合墻體的傳熱系數(shù)、溫度場(chǎng)和各參數(shù)的影響情況.

1 物理模型

1.1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本構(gòu)造

中空擠出成型纖維水泥墻板(ECP墻板)是以硅質(zhì)材料(如天然石粉、粉煤灰、尾礦等)、水泥、纖維等為主要原料,通過真空高壓擠塑成型中空型板材,然后通過高溫高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)而成的新型建筑水泥墻板,相比一般板材強(qiáng)度更高、表面吸水率更低、隔聲效果更好[10].

ECP墻板尺寸大、質(zhì)輕,通過角鋼干掛在建筑外墻上,上下層墻板之間預(yù)留10mm施工縫,進(jìn)行“斷橋”處理.ECP墻板是非結(jié)構(gòu)的裝飾構(gòu)件,為防止由溫度、地震或風(fēng)荷載等外部因素引起板材損壞,板材節(jié)點(diǎn)連接選用柔性連接形式,即板材自重荷載由承重角鋼承擔(dān),水平荷載由 Z 形連接件承擔(dān).板材通過間隙錯(cuò)位移動(dòng),從而避免因板材之間相互碰撞而造成的墻體破壞或脫落.Z型連接件材料選用Q235,并采取熱鍍鋅防腐處理.根據(jù)ECP墻板的重力與風(fēng)壓計(jì)算其支撐龍骨抗彎情況,規(guī)定角鋼尺寸為50mm×50mm×6mm.圖1為鋼結(jié)構(gòu)豎裝ECP墻板間層構(gòu)造;圖2為ECP復(fù)合墻體基本構(gòu)造,從內(nèi)到外依次是10mm水泥砂漿面、100mm加氣混凝土砌塊、80mm 保溫層、80mm封閉空氣間層和60mm ECP墻板.

圖1 鋼結(jié)構(gòu)豎裝ECP墻板間層構(gòu)造圖Fig.1 Structural drawing of steel structure vertical installation ECP plate(size:mm)

圖2 ECP復(fù)合墻體示意圖Fig.2 Schematic diagram of ECP composite wall(size:mm)

1.2 ECP復(fù)合墻體傳熱系數(shù)

n層材料組成的墻體傳熱系數(shù)K與材料層厚度di和導(dǎo)熱系數(shù)λi有關(guān)(i=1、2、…、n).不考慮熱橋的影響,由公式R0=Ri+R1+…+Rn+Re(Ri、Re分別為墻體內(nèi)、外表面熱阻)計(jì)算出其總熱阻R0,再通過K=1/R0得出ECP復(fù)合墻體的傳熱系數(shù).ECP復(fù)合墻體中的保溫層材料分別選取巖棉、礦棉、玻璃棉、擠塑聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯硬泡沫塑料,所得到的ECP復(fù)合墻體用W1～W5表示，其傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1.由表1可知,ECP復(fù)合墻體的傳熱系數(shù)為0.226～0.319W/(m2·K).JGJ 26—2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，寒冷地區(qū)外墻傳熱系數(shù)限值為0.35W/(m2·K).若ECP復(fù)合墻體中的保溫層分別采用上述5種保溫材料,其外墻傳熱系數(shù)均小于上述節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限值.

1.3 參數(shù)設(shè)置

運(yùn)用ANSYS有限元模擬軟件分析ECP復(fù)合墻體在寒冷地區(qū)的傳熱情況.假設(shè)墻體所處環(huán)境溫度恒定,將有限元模型簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)傳熱.張舉[11]研究膨脹螺栓對(duì)一體化系統(tǒng)傳熱的影響時(shí),將墻體傳熱系數(shù)按面積加權(quán)法來計(jì)算,得出考慮膨脹螺栓時(shí)的墻體傳熱系數(shù)僅增大了1.27%,對(duì)墻體傳熱影響較小.ECP墻板最大尺寸為600mm(長(zhǎng))×4000mm(寬),因板材質(zhì)輕,當(dāng)其厚度為60mm時(shí),僅需要4個(gè)Z字型連接件來承載板材質(zhì)量,故可忽略膨脹螺栓構(gòu)件.

表1 ECP復(fù)合墻體傳熱系數(shù)Table 1 Heat transfer coefficient of ECP composite wall

本文針對(duì)寒冷地區(qū)的典型城市—天津地區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬.根據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》,冬季室內(nèi)計(jì)算采暖溫度為18℃,室外計(jì)算溫度值為-9℃,墻體內(nèi)、外表面換熱系數(shù)分別取8.7W/(m2·K)和23.0W/(m2·K),ECP復(fù)合墻體組成材料的熱工參數(shù)見表2.墻體模擬采用第3類邊界條件,墻體斷面設(shè)定為絕熱條件.將ECP復(fù)合墻體視為無內(nèi)熱源多層復(fù)合墻體,各層材料彼此之間的接觸良好,熱阻忽略不計(jì).

表2 ECP復(fù)合墻體組成材料的熱工參數(shù)Table 2 Thermal parameters of ECP composite wall material

1.4 網(wǎng)格劃分

對(duì)ECP復(fù)合墻體的有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.因簡(jiǎn)化后的墻體形狀規(guī)則,在滿足精度要求的情況下,采用自由劃分,網(wǎng)格劃分尺寸設(shè)置為2.5mm.網(wǎng)格劃分圖如圖3所示.

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh diagram

2 二維平壁傳熱模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比

計(jì)算模型為10mm水泥砂漿面、100mm加氣混凝土條板、80mm巖棉板、80mm封閉空氣間層以及60mm ECP墻板；復(fù)合墻體的內(nèi)表面換熱阻Ri=0.11(m2·K)/W,外表面換熱阻Re=0.04(m2·K)/W,室內(nèi)計(jì)算溫度ti=18℃,室外計(jì)算溫度te=-9℃.

(2)有限元模擬.模擬結(jié)果如圖4所示.由圖4可知，模擬得到的θe=-8.65℃,θi=17.09℃,熱流量q=7.96W/m2;在穩(wěn)定傳熱下,墻體為平壁時(shí)的傳熱公式為q=K(θi-θe),得到K=0.309W/(m2·K) .

圖4 有限元模擬結(jié)果Fig.4 Finite element simulation results

對(duì)比可知，有限元模擬結(jié)果與理論計(jì)算值相近,復(fù)合墻體的內(nèi)、外表面模擬溫度略低于計(jì)算溫度,傳熱系數(shù)值則高于計(jì)算數(shù)據(jù).程海峰[12]研究了空氣間層定型尺寸對(duì)系統(tǒng)傳熱性能的影響,結(jié)果表明當(dāng)空氣間層厚度為0～20mm 時(shí),其熱阻隨著間層厚度的增加近似呈線性增加;隨著間層厚度的繼續(xù)增大,空氣間層熱阻的增量遞減；當(dāng)空氣間層厚度為65mm 左右時(shí),熱阻取得最大值.本文所研究的ECP復(fù)合墻體空氣間層厚度為80mm,此時(shí)間層內(nèi)的熱阻達(dá)不到理想狀態(tài)值,從而驗(yàn)證了ANSYS有限元二維穩(wěn)態(tài)熱橋計(jì)算軟件的正確性.

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

將單位面積耗熱量較大的梁柱節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象,模擬其在一定熱環(huán)境下的溫度分布,確定熱橋處的內(nèi)表面最低溫度是否低于露點(diǎn)溫度,即是否會(huì)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象.冬季室內(nèi)計(jì)算溫度為18.0℃時(shí),露點(diǎn)溫度為10.1℃.

本文主要針對(duì)鋼柱形式、保溫材料類型以及鋼柱外保溫層厚度進(jìn)行研究.通過上述參數(shù)設(shè)置,簡(jiǎn)化過的空心方鋼柱和H型鋼柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖5所示.根據(jù)實(shí)際測(cè)試與溫度場(chǎng)模擬可知,熱橋側(cè)向散熱的影響范圍為墻體厚度的1.5～2.0倍[13],因而鋼柱兩邊延伸長(zhǎng)度為墻體厚度的2.0倍,即660mm.鋼柱采用H型鋼柱、空心方鋼柱和方鋼管混凝土柱3種常見形式,選取3種鋼柱的截面尺寸為：空心方鋼柱尺寸200mm×200mm×8mm,H型鋼柱尺寸200mm×200mm×8mm×8mm,方鋼管混凝土柱尺寸200mm×200mm×8mm.

圖5 鋼柱節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化構(gòu)造圖Fig.5 Simplified structural diagram of steel column joints(size:mm)

3.1 墻體編號(hào)

根據(jù)鋼柱形式和墻體保溫材料類型劃分墻體編號(hào).其中：A表示空心方鋼柱、H表示H型鋼柱、C表示方鋼管混凝土柱;1表示保溫材料為巖棉板、2表示保溫材料為礦棉板、3表示保溫材料為玻璃棉板、4表示保溫材料為擠塑聚苯乙烯泡沫塑料、5表示保溫材料為聚氨酯硬泡沫塑料.

3.2 有限元模擬分析

3.2.1鋼柱無外保溫

圖6為鋼柱不采用外保溫措施時(shí),分別采用5種保溫材料的ECP復(fù)合墻體在3種鋼柱形式下所模擬出的熱橋及其附近區(qū)域的溫度曲線圖.

圖6 ECP復(fù)合墻體內(nèi)表面溫度-距鋼柱中心距離的關(guān)系曲線Fig.6 Internal surface temperature of ECP composite wall as a function of distance from steel column center

由圖6(a)可知:空心方鋼柱附近墻體的內(nèi)表面溫度比主墻體內(nèi)表面溫度低,在x軸水平方向上,當(dāng)距鋼柱中心距離x≤220mm時(shí),墻體內(nèi)表面溫度變化較大;當(dāng)x>220mm時(shí),墻體內(nèi)表面溫度變化逐漸減小.當(dāng)0mm≤x<660mm時(shí),墻體內(nèi)表面溫度大小為A2

由于與空心方鋼柱形式相同,僅是鋼柱內(nèi)夾芯材料有差別,故圖6(b)與圖6(a)變化趨勢(shì)相同.當(dāng)距方鋼管混凝土柱中心水平距離x=73mm時(shí),5種保溫材料中,保溫材料為礦棉板時(shí)的墻體內(nèi)表面溫度最低,溫度為12.47℃,大于空氣露點(diǎn)溫度,說明當(dāng)鋼柱形式為方鋼管混凝土柱時(shí),保溫層分別采用5種保溫材料的ECP復(fù)合墻體都不會(huì)產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象.由圖6(b)可知：C1熱橋影響范圍為195.9mm、C2熱橋影響范圍為192.9mm、C3熱橋影響范圍為197.8mm、C4熱橋影響范圍為200.2mm、C5熱橋影響范圍為202.9mm.即5種保溫材料對(duì)于方鋼管混凝土柱熱橋的影響范圍由小到大為：礦棉<巖棉<玻璃棉<聚苯乙烯<聚氨酯,與空心方鋼柱的熱橋影響范圍排列順序相同,但影響范圍都大于空心方鋼柱.因此,根據(jù)墻體內(nèi)表面溫度和熱橋影響范圍，得到結(jié)構(gòu)柱體節(jié)能效率為：空心方鋼柱>方鋼管混凝土柱.

由圖6(c)可知：采用H型鋼柱時(shí),當(dāng)0mm≤x<73mm時(shí),墻體內(nèi)表面溫度大小為H3空心方鋼柱.

3.2.2鋼柱有外保溫

建筑鋼材自身導(dǎo)熱系數(shù)與周圍墻體相差較大,使得此處墻體的熱量流失較大,建筑能耗增加.鋼柱熱橋處不采取局部外保溫措施時(shí),A1墻體的內(nèi)表面最低溫度為12.63℃,低于主墻體內(nèi)表面溫度4.46℃,熱流密度更是達(dá)到46.64W/m2,比主墻體熱流密度大38.68W/m2,造成局部熱流密度過大,即熱橋的存在會(huì)導(dǎo)致建筑能耗增加.表3為3種形式鋼柱在采用外保溫措施且保溫層厚度從0mm開始,以5mm為間隔依次遞增至50mm時(shí)，ECP復(fù)合墻體的內(nèi)表面最低溫度.

分析表3數(shù)據(jù)可知：對(duì)熱橋部位進(jìn)行局部外保溫設(shè)計(jì)后,墻體內(nèi)表面最低溫度得到了明顯提升,可有效減小墻體能耗；鋼柱形式相同時(shí),保溫材料為聚氨酯硬泡沫塑料時(shí)的墻體內(nèi)表面最低溫度值最大；H型鋼柱的內(nèi)表面最低溫度在11種工況下都大于空心方鋼柱和方鋼管混凝土柱,且H型鋼柱從無外保溫措施到有外保溫措施時(shí),墻體內(nèi)表面最低溫度的提升幅度大于其他2種鋼柱形式.

表3 不同形式鋼柱外保溫層厚度與ECP復(fù)合墻體內(nèi)表面最低溫度關(guān)系Table 3 Relationship between external thermal insulation thickness of different steel columns and minimum temperature of inner surface of ECP composite wall ℃

由表3中A1～A5的數(shù)據(jù)可知,鋼柱熱橋處采用外保溫措施后,墻體內(nèi)表面最低溫度最大可升高3.61℃,熱流的損失量大幅度減小,熱流密度由46.05W/m2降低至14.50W/m2;若以Δt=0.5℃判斷熱橋的影響范圍,其影響范圍A1為129.84mm、A2為133.89mm、A3為126.38mm、A4為122.33mm、A5為114.2mm,即空心方鋼柱在增設(shè)50mm外保溫層后,5種保溫材料對(duì)其熱橋影響范圍由小到大為聚氨酯<聚苯乙烯<玻璃棉<巖棉<礦棉,與未采取保溫措施時(shí)相反.由C1～C5數(shù)據(jù)可知,鋼柱熱橋處采用外保溫措施后,墻體內(nèi)表面最低溫度最大可升高3.70℃,熱橋處熱流密度由46.64W/降低至14.66W/m2,降低幅度為31.98W/m2;若以Δt=0.5℃判斷熱橋的影響范圍,其影響范圍C1為130.21mm、C2為134.82mm、C3為127.03mm、C4為122.55mm、C5為115.84mm,即方鋼管混凝土柱在增設(shè)50mm外保溫層后,5種保溫材料對(duì)其熱橋影響范圍由小到大為聚氨酯<聚苯乙烯<玻璃棉<巖棉<礦棉.由H1～H5數(shù)據(jù)可知,鋼柱熱橋處采用外保溫措施后,墻體內(nèi)表面最低溫度最大可升高3.54℃,熱流密度由45.03W/m2降低至14.37W/m2;熱橋影響范圍H1為128.98mm、H2為128.64mm、H3為119.16mm、H4為110.04mm、H5為106.55mm,即H型鋼柱在增設(shè)50mm外保溫層后,5種保溫材料對(duì)其熱橋影響區(qū)域由小到大為聚氨酯<聚苯乙烯<玻璃棉<礦棉<巖棉.

3.3 模擬結(jié)果優(yōu)化建議

(1)鋼柱的存在使得ECP復(fù)合墻體的熱阻值大大降低,對(duì)鋼柱采取外保溫措施可有效減小熱橋的影響.

(2)當(dāng)封閉空氣間層厚度達(dá)到20mm后,隨著該厚度的增大,間層熱阻的增量越來越小;當(dāng)間層厚度接近65mm時(shí),間層熱阻取得最大值;當(dāng)間層厚度大于65mm后,間層熱阻有減小的趨勢(shì)[12].表明空氣間層厚度過大并不會(huì)增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻,因此可以適當(dāng)減小空氣間層厚度,提高ECP復(fù)合墻體的熱工性能.

(3)周偉[15]對(duì)H型鋼柱節(jié)能設(shè)計(jì)構(gòu)造進(jìn)行分析后,得到減小腹板厚度、增大腹板高度對(duì)節(jié)能有利的結(jié)論.腹板開孔后可有效降低熱橋效應(yīng),而表面孔長(zhǎng)是影響墻體傳熱性能的最重要參數(shù);孔橫向間距對(duì)墻體傳熱有較大影響[16].因此通過合適的鋼梁尺寸和開孔參數(shù)設(shè)計(jì),可有效提高ECP復(fù)合墻體的平均傳熱系數(shù).

4 結(jié)論

(1)ECP復(fù)合墻體的傳熱系數(shù)為0.226～0.319W/(m2·K),低于JGJ 26—2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于寒冷地區(qū)外墻傳熱系數(shù)最高為0.35W/(m2·K)這一限值要求.

(2)ECP板材面積大、質(zhì)量輕,一般采用外掛式構(gòu)造.該構(gòu)造下梁柱處于板材內(nèi)部,一般不存在梁柱節(jié)點(diǎn)熱橋問題.通過ANSYS有限元模擬,驗(yàn)證了3種鋼柱形式在天津(寒冷)地區(qū),熱橋部位內(nèi)表面最低溫度均高于露點(diǎn)溫度,不存在墻體表面結(jié)露現(xiàn)象.

(3)不同鋼柱形式,其熱橋部位的影響范圍不同,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意熱橋部位的處理,防止大量熱流損失.根據(jù)ECP復(fù)合墻體內(nèi)表面最低溫度和熱橋影響范圍得出3種形式鋼結(jié)構(gòu)柱體節(jié)能效率存在以下關(guān)系：H型鋼柱>空心方鋼管柱>方鋼管混凝土柱.

(4)鋼柱采用外保溫措施后,ECP復(fù)合墻體的熱損失降低,內(nèi)表面最低溫度升高,熱橋影響范圍減小,保溫隔熱性能顯著提高.保溫材料為聚氨酯時(shí)其墻體內(nèi)表面最低溫度提升幅度大,尤其是保溫層厚度從0mm變?yōu)?mm時(shí),熱橋處熱流密度可由46.64W/m2降低至14.66W/m2,表明聚氨酯保溫材料對(duì)于熱橋處的保溫性能貢獻(xiàn)較大.對(duì)節(jié)能要求較高的地區(qū),可優(yōu)先考慮采用聚氨酯作為墻體保溫材料.