王亮

（山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006）

?；⒅楸厣皾{局部外保溫系統(tǒng)熱橋有限元分析

王亮

（山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006）

基于ANSYS有限元分析和溫度場(chǎng)理論，針對(duì)外墻中柱和外墻角柱熱橋部位進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過(guò)改變熱橋局部?；⒅楸厣皾{層厚度，分析研究不同保溫層厚度條件下的溫度場(chǎng)和熱流密度分布。結(jié)果表明：局部玻化微珠保溫層厚度對(duì)熱橋部位的溫度和熱流密度影響比較明顯。為了避免結(jié)露現(xiàn)象，外墻中柱的局部保溫層厚度應(yīng)大于20 mm，外墻角柱的局部保溫層厚度應(yīng)大于40 mm。采取局部保溫處理時(shí)，外墻中柱的熱橋影響區(qū)域?yàn)?00 mm，外墻角柱的熱橋影響區(qū)域?yàn)?50 mm，熱橋影響區(qū)域內(nèi)損失的熱量較多，所以應(yīng)重視熱橋影響區(qū)域的散熱問(wèn)題。相同條件下，外墻中柱比外墻角柱的熱橋影響區(qū)域大，散熱多，更應(yīng)該加強(qiáng)保溫處理。

ANSYS有限元分析；?；⒅楸厣皾{；溫度場(chǎng)；熱流密度；外墻中柱；外墻角柱；熱橋

0 引言

當(dāng)采用外墻自保溫時(shí)，會(huì)有熱橋現(xiàn)象，墻柱、墻梁板、門(mén)窗、陽(yáng)臺(tái)等使得熱橋數(shù)量急劇增加，這部分熱橋所占圍護(hù)結(jié)構(gòu)的比例相當(dāng)大，因熱橋而造成的建筑能耗達(dá)到了20%以上[1]。

?；⒅楸厣皾{具有很好的保溫隔熱性能，已經(jīng)被大量應(yīng)用到到建筑物的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫施工中，因此對(duì)該保溫系統(tǒng)在熱橋部位的研究非常有意義[2]。

本文運(yùn)用ANSYS分析軟件對(duì)外墻中柱、外墻角柱節(jié)點(diǎn)熱橋部位進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過(guò)改變熱橋局部?；⒅楸貙雍穸?，分析不同?；⒅楸貙雍穸葪l件下的溫度場(chǎng)和熱流密度分布，確定熱橋的影響區(qū)域，進(jìn)而得出玻化微珠保溫層的最佳厚度。將兩者熱橋部位的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析熱橋?qū)τ趦烧叩挠绊懗潭?，為后續(xù)該系列保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的依據(jù)。

1 熱橋的傳熱理論

1.1 自保溫外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱分析

自保溫外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)有界面砂漿、保溫砂漿、抗裂砂漿、飾面砂漿等多種材料組成。室外冷空氣通過(guò)墻體以空氣對(duì)流等形式傳遞到圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面，通過(guò)導(dǎo)熱方式，這部分能量經(jīng)多個(gè)界面層逐步傳遞到內(nèi)表面，最后，降低了室內(nèi)環(huán)境溫度[3]。

1.2 傳熱模型的基本假定

（1）混凝土各向介質(zhì)同性；（2）所用材料的性能不隨溫度改變；（3）結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒(méi)有熱源和質(zhì)量源；（4）各材料層與層之間不考慮輻射傳熱。

1.3 利用ANSYS軟件進(jìn)行二維穩(wěn)態(tài)傳熱分析的原理

利用ANSYS進(jìn)行熱分析，對(duì)于穩(wěn)態(tài)的熱傳遞，其熱平衡方程表示如下[4]：

式中：△Q——內(nèi)部熱。

相對(duì)應(yīng)的有限元平衡方程為：

式中：K——傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流密度、輻射率和形狀系數(shù)；

T——節(jié)點(diǎn)溫度向量；

Q——節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成。

2 熱橋影響區(qū)域的定義

外墻和屋面等建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，由于其組成材料性能以及結(jié)構(gòu)的不同形式，在室內(nèi)外溫差的作用下，墻柱、墻梁板、門(mén)窗、陽(yáng)臺(tái)等處的傳熱能力強(qiáng)，容易造成熱流密集，散失大量的熱量，且熱橋處的內(nèi)表面溫度較低。由于熱橋的存在，其周?chē)课灰苍诒粺針蛴绊?，這部分受熱橋影響的區(qū)域，其熱流密度和溫度分布均發(fā)生了變化，所以，將一定區(qū)域內(nèi)受熱橋影響的部分稱(chēng)之為熱橋影響區(qū)域[5]。

3 模型的建立

按照GB/T 8239—2014《普通混凝土小型空心砌塊》的要求，本文選取加氣混凝土砌塊墻體長(zhǎng)度為1000 mm，厚度為200 mm，混凝土柱的截面尺寸為500 mm×500 mm。

運(yùn)用ANSYS分析軟件對(duì)外墻中柱、外墻角柱節(jié)點(diǎn)熱橋部位有無(wú)局部保溫進(jìn)行有限元分析，將墻柱處的柱向墻體內(nèi)部退，熱橋柱外表面與墻體外表面不在同一個(gè)水平面上，形成凹形狀，將柱向內(nèi)退的范圍內(nèi)添加?；⒅楸厣皾{，對(duì)其進(jìn)行局部保溫處理。不進(jìn)行局部保溫處理是指熱橋柱外表面與墻體外表面處于同一水平面[6]。分別對(duì)外墻中柱和外墻角柱進(jìn)行傳熱分析，最后對(duì)兩者的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)改變熱橋局部?；⒅楸厣皾{層的厚度，將外墻中柱和外墻角柱熱橋柱局部的?；⒅楸貙拥暮穸萮分別?。?、10、20、30、40、50 mm，其中h=0時(shí)表示熱橋柱外表面與墻體外表面處于同一水平面，即熱橋處不做保溫處理。分析不同?；⒅楸貙雍穸葪l件下的溫度場(chǎng)和熱流密度分布，確定熱橋的影響區(qū)域，進(jìn)而得出?；⒅楸貙拥淖罴押穸?。本文以北方寒冷地區(qū)冬季采暖情況進(jìn)行分析，嚴(yán)格按照規(guī)范取室內(nèi)溫度為20℃，空氣濕度取60%，查室內(nèi)露點(diǎn)溫度表可知，此時(shí)空氣露點(diǎn)溫度為12℃，室內(nèi)熱表面換熱系數(shù)取8.7 W/（m2·K）；取室外溫度為-16℃，室外熱表面換熱系數(shù)取23 W/（m2·K）。為了保證熱橋影響區(qū)域的準(zhǔn)確性以及便于ANSYS模擬分析，將墻體的2個(gè)端面進(jìn)行絕熱處理[7]，其ANSYS分析模型如圖1所示，各層材料的熱工性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 ANSYS分析模型示意

表1 各層材料的性能參數(shù)

4 外墻中柱熱橋的數(shù)值模擬及結(jié)果分析

根據(jù)圖1（a）外墻中柱構(gòu)造的模型，利用ANSYS對(duì)柱熱橋處進(jìn)行模擬分析，得到局部不同保溫層厚度下的熱流密度和溫度分布，如圖2和圖3所示。

圖2 外墻中柱的熱流密度

圖3 外墻中柱的溫度分布

由圖2、圖3可知，當(dāng)外墻中柱不采取局部保溫措施（h= 0）時(shí)，熱橋中柱與墻體的交界處其熱流密度最大，為100.73 W/m2。由于加氣混凝土砌塊自保溫墻體的導(dǎo)熱系數(shù)大大小于鋼筋混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，所以交界處的熱流量相對(duì)較大。隨著局部玻化微珠保溫砂漿的保溫層厚度的增大，熱橋柱區(qū)域內(nèi)的熱流密度減小，同時(shí)熱橋柱的影響區(qū)域內(nèi)的整體溫度增大，在向墻體擴(kuò)展，且熱流流向逐漸變的均勻，這是由于隨著局部保溫厚度的增加，熱橋柱的導(dǎo)熱系數(shù)和加氣混凝土墻體的導(dǎo)熱系數(shù)越來(lái)越接近導(dǎo)致的。

根據(jù)熱橋影響區(qū)域的定義以及圖2和圖3的溫度和熱流密度，分別取交界處、距墻角100、150、200、500 mm處進(jìn)行研究，得到不同局部保溫層厚度下的溫度和熱流密度，如表2、表3所示。

表2 不同保溫層厚度下墻體內(nèi)表面不同位置處的溫度

表3 不同保溫層厚度下墻體內(nèi)表面不同位置處的熱流密度

由表2可以看出，熱橋柱與加氣混凝土墻體的交界處相對(duì)于其它位置溫度最低，且保溫層厚度分別為0和10 mm時(shí)，其對(duì)應(yīng)的溫度為8.02℃和11.66℃，均低于空氣露點(diǎn)溫度12℃，所以，交界處比較容易發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。隨著局部保溫層厚度的增大，交界處的溫度逐漸升高，當(dāng)局部保溫層厚度大于20 mm時(shí)，交界處溫度均高于露點(diǎn)溫度，且和墻體其它位置的溫度差越來(lái)越小。

由表3可以看出，局部保溫層厚度從0增大到50 mm時(shí)，交界處的熱流密度越來(lái)越小，且和墻體其它位置的熱流密度越來(lái)越接近。

由表2、表3可以看出，當(dāng)距墻角距離大于200 mm時(shí)，不同局部保溫層厚度下的溫度、熱流密度非常接近，所以，結(jié)合

熱橋影響區(qū)域的定義可知，外墻中柱熱橋的影響區(qū)域?yàn)?00 mm。

5 外墻角柱熱橋的數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)圖1（b）外墻角柱的模型，利用ANSYS對(duì)柱熱橋處進(jìn)行模擬分析，得到局部不同保溫層厚度下的熱流密度和溫度分布，如圖4、圖5所示。

圖4 外墻角柱的熱流密度

圖5 外墻角柱的溫度分布

由圖4可以看出，當(dāng)外墻角柱不做局部保溫措施時(shí)，熱橋角柱與加氣混凝土墻體的交界處其熱流密度最大，為123.21 W/m2。隨著玻化微珠保溫砂漿層厚度從0增大到50 mm，交界處的熱流密度減小到47.54 W/m2，流經(jīng)熱橋柱的熱流逐漸減少，一定程度上降低了墻體的內(nèi)外熱量交換，進(jìn)而避免了結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)。

由圖5可以看出，不同局部保溫層下的外墻角柱的溫度場(chǎng)分布大致相同，由于加氣混凝土自保溫墻體的導(dǎo)熱系數(shù)大大低于鋼筋混凝土柱，所以鋼筋混凝土柱和墻體交界處的溫度最低。由于熱量在墻體處傳遞速度較快，所以構(gòu)造中溫度最大值出現(xiàn)在墻體和鋼筋混凝土柱內(nèi)表面。

不同保溫層厚度下墻體內(nèi)表面不同位置處的溫度和熱流密度見(jiàn)表4、表5。

表4 不同保溫層厚度下墻體內(nèi)表面不同位置處的溫度

表5 不同保溫層厚度下墻體內(nèi)表面不同位置處的熱流密度

由表4可以看出，熱橋柱與加氣混凝土墻體的交界處相對(duì)于其它位置溫度最低，且保溫層厚度分別為0、10、20、30 mm時(shí)，其對(duì)應(yīng)的溫度為4.14、7.65、9.66、11.01℃，均低于空氣露點(diǎn)溫度12℃，所以當(dāng)局部保溫層厚度小于30 mm時(shí)，交界處比較容易發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。當(dāng)局部保溫層厚度大于40 mm時(shí)，交界處溫度高于露點(diǎn)溫度，所以為了避免結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生，外墻角柱的局部保溫層厚度應(yīng)大于40 mm，此時(shí)，交界處與墻體的溫度差值比較接近。根據(jù)熱橋的定義以及圖4、圖5可知，當(dāng)局部保溫層厚度為0時(shí)，外墻角柱熱橋的影響區(qū)域?yàn)?00 mm，當(dāng)采取局部保溫處理時(shí)，其影響區(qū)域?yàn)?50 mm。

6 2種熱橋數(shù)值模擬結(jié)果比較分析

當(dāng)局部保溫層厚度為0時(shí)，外墻中柱熱橋柱區(qū)域內(nèi)的熱流較大，外墻角柱靠近墻體的區(qū)域熱流較大，且熱流隨著距墻角距離的增大而迅速減小。當(dāng)熱橋柱采用局部保溫措施時(shí)，外墻中柱的熱橋的影響區(qū)域比外墻角柱的大，且熱橋部位的影響也較為明顯，其散熱也較大。所以，在相同條件下，外墻中柱比外墻角柱更應(yīng)該加強(qiáng)保溫處理。

7 結(jié)論

根據(jù)北方寒冷地區(qū)冬季采暖的情況，研究了外墻中柱和外墻角柱2種熱橋部位的穩(wěn)態(tài)數(shù)值傳熱模擬。通過(guò)對(duì)2種構(gòu)造熱橋部位進(jìn)行局部保溫處理，分析其溫度分布和熱流密度，得出如下結(jié)論：

（1）對(duì)于外墻中柱，當(dāng)保溫層厚度為0和10 mm時(shí)，其對(duì)應(yīng)的溫度為8.02℃和11.66℃，均低于空氣露點(diǎn)溫度12℃，容易發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。當(dāng)局部保溫層厚度大于20 mm時(shí)，交界處溫度均高于露點(diǎn)溫度，所以，為了避免結(jié)露現(xiàn)象，外墻中柱的局部保溫層厚度應(yīng)大于20 mm。

（2）對(duì)于外墻角柱，當(dāng)保溫層厚度分別為0、10、20、30 mm時(shí)，其對(duì)應(yīng)的溫度為4.14、7.65、9.66、11.01℃，均低于空氣露點(diǎn)溫度12℃，容易發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。當(dāng)局部保溫層厚度大于40 mm時(shí)，交界處溫度大于露點(diǎn)溫度，所以，為了避免結(jié)露現(xiàn)象，外墻角柱的局部保溫層厚度應(yīng)大于40 mm。

（3）外墻中柱的熱橋影響區(qū)域?yàn)?00 mm，外墻角柱的影響區(qū)域?yàn)?50 mm。當(dāng)采取局部保溫處理時(shí)，相同條件下，外墻中柱比外墻角柱的熱橋影響區(qū)域大，散熱大，實(shí)際工程中應(yīng)重視熱橋影響區(qū)域的散熱問(wèn)題，同時(shí)應(yīng)注意外墻中柱比外墻角柱更應(yīng)該加強(qiáng)保溫處理。

[1]汪越.夏熱冬冷地區(qū)新型玻璃輕石外墻保溫體系熱橋傳熱分析[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[2]岳俊峰.?；⒅楸厣皾{基本性能試驗(yàn)研究及在整體式保溫隔熱建筑中的應(yīng)用[D].太原：太原理工大學(xué)，2010.

[3]劉學(xué)來(lái).建筑熱橋內(nèi)表面溫度的確定及外保溫措施的研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.

[4]Déqué F，Ollivier F，Roux J J.Effect of 2D modelling of thermal bridgesontheenergyperformanceofbuildings：Numerical application on the Matisse apartment[J].Energy and buildings，2001，33（6）：583-587.

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[7]Blomberg T.Heat 2-A for Heat Transfer PC-Program（Manual for heat 2）[M].Lund University，1999：22-27.

Glazed hollow bead insulation mortar local external insulation thermal bridge finite element analysis system

WANG Liang
（Shanxi Architectural Vocational College，Taiyuan 030006，China）

By a commercial finite element software ANSYS based on temperature field theory，numerical simulations on the thermal bridge parts of the middle column and the corner column of external wall were carried out，by changing the local thermal insulation layer thickness of glazed hollow beads，temperature distribution and heat flux distribution are analyzed and studied in different thickness of insulation layer.The results show that：Different thickness of local glazed hollow bead insulation layer has a significant effect on thermal bridge of temperature and heat flux density.In order to avoid condensation，the thickness of partial insulation layer in the middle column of external wall should be more than 20 mm，the thickness of partial insulation layer in the corner column of external wall should be more than 40 mm.When the local heat preservation treatment is adopted，the thermal bridges influence area of the middle column in the external wall is 200 mm，the corner column in the external wall is 150 mm.Effect of heat in the region loss more calories，so attention should be paid to the problem of heat dissipation in the affected area of bridge. Under the same conditions，in the exterior wall middle column have a greater influencing zone of the thermal bridge and heat dissipation than corner column，the middle column should strengthen insulation treatment than the corner column in the exterior wall.

ANSYS finite element analysis，thermal insulation glazed hollow bead mortar，temperature field，heat flux，exterior wall middle column，exterior wall corner，thermal bridge

TU55+1

A

1001-702X（2016）12-0099-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51308371）

2016-07-04

王亮，女，1979年生，山西運(yùn)城人，講師，碩士。