程海峰 ，丁增惠 ，張舉

(1.安徽建筑大學(xué)建筑能效控制與評(píng)估教育部工程研究中心，安徽 合肥 230022；2.智能建筑與建筑節(jié)能安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230022)

0 引言

熱橋是建筑結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域，其熱阻通常低于臨近部位，造成的損失可高達(dá)30%[1]，對(duì)室內(nèi)環(huán)境和額外熱交換影響很大[2]。建筑設(shè)計(jì)中通常采用保溫方法減少熱損失，1992年洪家棟[3]提出用保溫的方式對(duì)住宅中典型熱橋節(jié)點(diǎn)部位做處理，研究表明內(nèi)保溫方式的熱橋傳熱是外保溫的2倍[4]，而自保溫方式的熱橋影響范圍內(nèi)失熱量最大[5]。由于正常部位的圍護(hù)結(jié)構(gòu)也會(huì)受到熱橋的影響，可用溫差比劃分出常見(jiàn)的6種熱橋影響區(qū)域[6]以估算圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失。田慧峰[7]、戴召斌[8]、賈殿鑫[9]和熊明非[10]運(yùn)用FLUENT與ANSYS軟件對(duì)熱橋影響范圍進(jìn)行了模擬計(jì)算，圈梁形成的熱橋影響范圍是距兩邊0.13 m。對(duì)于熱橋部位傳熱研究，謝曉娜[11]提出了等效平板法計(jì)算精確度較高，譚偉[12]和閆增峰[13]通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析得出，相對(duì)一維簡(jiǎn)化計(jì)算方法而言PTDA與ANSYS模擬計(jì)算更準(zhǔn)確。壽先方[14]利用軟件模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了建筑傳熱過(guò)程并進(jìn)行理論分析與計(jì)算。建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)因大量的混凝土柱、梁等導(dǎo)致熱橋加劇，劉鵬飛[15]根據(jù)建筑物不同的混凝土柱，用軟件模擬分析出混凝土柱聚苯板外保溫經(jīng)濟(jì)厚度。

國(guó)外學(xué)者在檢測(cè)熱橋及熱橋?qū)ㄖ锏挠绊懪c改善做了較多研究，F(xiàn)rancesco Asdrubali[16]通過(guò)熱成像測(cè)量和定量分析，可以確定熱橋效應(yīng)與內(nèi)部空氣溫度和內(nèi)部壁面溫度有關(guān)。Sofia Real[17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和Therm、EnergyPlus模擬軟件比較五種不同的混凝土混合物，證明結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土(SLWAC)符合降低熱橋效應(yīng)以及提高建筑物能源效率。Fabrizio Ascione[18]根據(jù)三種不同模型分析屋頂不同結(jié)構(gòu)代表的熱橋，并動(dòng)態(tài)模擬比較季節(jié)性能源消耗方面的結(jié)果。Samer Taoum[19]通過(guò)KA有限元和SA流動(dòng)法分析二維、三維熱橋傳熱，計(jì)算平穩(wěn)溫度場(chǎng)。Theodoros G.Theodosiou[20]得出點(diǎn)狀熱橋大小甚至可以比線性熱橋的影響高出200%的重要結(jié)論。I.Garrido[21]介紹一種分析方法，用在建筑物的熱成像圖像中自動(dòng)檢測(cè)熱橋。

可以看出，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱橋的熱效應(yīng)及傳熱性能，對(duì)于穿越圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體的鋼筋混凝土連續(xù)懸挑梁的熱橋效應(yīng)的研究相對(duì)較少。本文以合肥市某高校實(shí)驗(yàn)樓為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探索鋼筋混凝土連續(xù)懸挑梁的傳熱特征以及在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的熱橋效應(yīng)，分析熱橋?qū)︿摻罨炷吝B續(xù)懸挑梁的影響，以期為該地區(qū)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)提出參考。

1 物理模型

實(shí)驗(yàn)物理模型的基本參數(shù):房間尺寸為長(zhǎng)6600 mm、寬 6200 mm、高 3300 mm，見(jiàn)圖1；圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體主要是實(shí)心粘土磚(240 mm+120 mm)及雙面抹灰(20 mm)，總厚度為400 mm，見(jiàn)圖2；門寬1000 mm、高 2000 mm；兩側(cè)窗戶對(duì)稱均為長(zhǎng)2400 mm，寬2000 mm，室內(nèi)連續(xù)梁為寬250 mm，高550 mm，長(zhǎng)6200 mm；混凝土懸挑梁懸挑寬度為250 mm，懸挑長(zhǎng)度為1850 mm。實(shí)驗(yàn)構(gòu)造中各材料熱物性參數(shù)如下表1。

圖1 物理模型圖

圖2 墻體構(gòu)造圖

表1 實(shí)驗(yàn)構(gòu)造中各材料的熱物性參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)概述

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

在布置測(cè)點(diǎn)前，為了區(qū)分不同測(cè)點(diǎn)所測(cè)的位置，將測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，測(cè)點(diǎn)布置圖如圖3、圖4。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖4 測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

(1)懸挑梁室外壁面溫度測(cè)點(diǎn)布置T19

(2)室內(nèi)空氣溫度測(cè)點(diǎn)布置T20

(3)走廊空氣溫度測(cè)點(diǎn)布置T21

(4)其他測(cè)點(diǎn)布置(如圖3所示)

T01—T06測(cè)點(diǎn)位于懸挑梁的正中，T03測(cè)點(diǎn)距墻體內(nèi)壁面 5 cm，T03、T02和 T02、T01測(cè)點(diǎn)間距均為88 cm，T04測(cè)點(diǎn)距墻體外壁面為5 cm，T04、T05和T05、T06測(cè)點(diǎn)間距均為88 cm。圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體上T10、T11、T16、T17測(cè)點(diǎn)距懸挑梁為5 cm，T07—T10測(cè)點(diǎn)間距均為 15 cm，T11—T14測(cè)點(diǎn)間距均為15 cm，T15、T16和T17、T18測(cè)點(diǎn)間距均為30 cm。

T01—T07，T09、T12、T14 等測(cè)點(diǎn)深度均為13 cm，各測(cè)點(diǎn)用保溫材料石棉貼實(shí)，距屋頂25 cm。T08、T10、T11、T13、T15—T18 等測(cè)點(diǎn)布置在去掉水泥砂漿后的實(shí)心粘土磚上。懸挑梁敞沿圖1x軸方向的剖面圖如圖5所示。

圖5 圖1x軸方向梁剖面示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2018年1月9日到2018年1月12日共4天連續(xù)96小時(shí)。為做最不利工況下的熱橋?qū)嶒?yàn)研究，測(cè)試時(shí)間段內(nèi)室內(nèi)空氣溫度穩(wěn)定為30℃，室外工況為自然環(huán)境，最高溫度6℃，最低溫度2℃。

(2)測(cè)溫采用熱電偶，根據(jù)圖示測(cè)點(diǎn)埋入墻體和梁內(nèi)及表面。

(3)測(cè)量結(jié)果由JTDL—80溫度與熱流動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄，設(shè)置儀器記錄時(shí)間間隔為10 min。

(4)測(cè)試前一天，即2018年1月8日，將空調(diào)開(kāi)啟至實(shí)驗(yàn)需要達(dá)到的溫度并將門窗緊閉，使室內(nèi)環(huán)境基本處于穩(wěn)定。

3 數(shù)據(jù)分析

為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性與典型性，減少太陽(yáng)輻射熱對(duì)測(cè)試點(diǎn)的影響，本文截取了夜間10點(diǎn)到第二天早上7點(diǎn)共9個(gè)小時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于結(jié)果分析。以下圖6—圖9是連續(xù)多天典型工況下的數(shù)據(jù)分析圖。

3.1 典型工況數(shù)據(jù)分析

圖6 典型工況梁上測(cè)點(diǎn)溫度

圖7 典型工況零點(diǎn)梁上測(cè)點(diǎn)溫度

圖6、7是跨越圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體的連續(xù)梁在典型工況下各測(cè)點(diǎn)在從室內(nèi)到室外的溫度變化過(guò)程，溫度總體呈下降趨勢(shì)。由圖可知連續(xù)梁室內(nèi)側(cè)的測(cè)點(diǎn)T1—T2溫差0.5℃，溫度基本無(wú)波動(dòng)。T2—T3溫差為4.6℃，溫降幅度增大，室內(nèi)側(cè)出現(xiàn)較大的熱橋效應(yīng)，離圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體一定距離的某一點(diǎn)出現(xiàn)溫度拐點(diǎn)。跨越圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體兩側(cè)T3—T4溫度陡降，兩點(diǎn)溫差為6.3℃，產(chǎn)生明顯的熱橋?；炷翍姨袅荷蟃4—T5溫差為1.8℃，跨越圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體的連續(xù)梁在室外接近墻體的某一點(diǎn)處出現(xiàn)溫度拐點(diǎn)，拐點(diǎn)之間溫降約占全部溫降的79%。T5—T6溫差為0.9℃，T4—T6溫度變化幅度緩慢趨于持平，總溫差為2.7℃。T6與走廊空氣溫度一致，熱傳遞趨于平衡。T6與T19溫差為6.3℃，相當(dāng)于走廊空氣溫度與室外溫差。T1—T6溫差約15℃，T1與T19溫差約23℃。拐點(diǎn)位置與鋼筋混凝土熱工性能及室內(nèi)外溫差密切相關(guān)，拐點(diǎn)兩側(cè)空氣溫度與連續(xù)梁內(nèi)部溫度相差不大。因鋼筋混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較大，有較好的熱傳導(dǎo)性，故跨越圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體的連續(xù)梁出現(xiàn)明顯溫差，熱橋效應(yīng)明顯。魏艷萍等[22]在研究混凝土結(jié)構(gòu)熱橋部位過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)起承重作用的鋼筋混凝土部位熱阻小，傳熱能力強(qiáng)。

圖8 典型工況墻內(nèi)外壁面測(cè)點(diǎn)溫度

圖9 典型工況零點(diǎn)墻內(nèi)外壁面測(cè)點(diǎn)溫度

圖8、圖9是墻體內(nèi)外壁面測(cè)點(diǎn)在典型工況下T7—T18的溫度變化。墻體內(nèi)外壁面上有四組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別為 T07、T08、T15；T09、T10、T16；T11、T12、T17；T13、T14、T18。 T07—T14 溫 度 為14.6℃—16℃，溫差1.4℃，溫度波動(dòng)不大基本無(wú)變化；T15—T18溫度為19.7℃—20.5℃，溫差0.8℃，溫度波動(dòng)基本持平。四組對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相近。墻內(nèi)外壁面溫差約為5℃。

以上可說(shuō)明連續(xù)梁室內(nèi)外溫度遞減趨勢(shì)遠(yuǎn)大于圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體內(nèi)外壁面溫度遞減趨勢(shì)，熱橋效應(yīng)影響明顯，同一時(shí)刻熱量傳遞從室內(nèi)到室外沿連續(xù)梁呈線性關(guān)系。

3.2 數(shù)據(jù)擬合

固定時(shí)間，在典型工況下各測(cè)點(diǎn)的位置與溫度之間的關(guān)系:

圖10 零點(diǎn)時(shí)刻典型工況梁上測(cè)點(diǎn)

圖11 零點(diǎn)時(shí)刻典型工況墻外壁面測(cè)點(diǎn)

圖12 零點(diǎn)時(shí)刻典型工況墻內(nèi)壁面測(cè)點(diǎn)

在典型工況下零點(diǎn)時(shí)刻，熱量傳遞從室內(nèi)到室外沿連續(xù)梁呈線性關(guān)系(如圖10)，R2=0.9043，相關(guān)性良好，擬合方程變化形式為y=ax+b。y為溫度，℃；x為位置，m。如圖11、圖12所示，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境趨于穩(wěn)定時(shí)，墻體內(nèi)壁面各測(cè)點(diǎn)最大溫差為0.8℃，墻體外壁面各測(cè)點(diǎn)除T09，T12外最大溫差為0.7℃，與連續(xù)梁相連的墻體內(nèi)外壁面溫度基本無(wú)變化。T09，T12誤差點(diǎn)偏離過(guò)大可能是因?yàn)闊犭娕寂c墻壁貼合不緊密，保溫石棉未填實(shí)，有空氣滲透導(dǎo)致。

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)與熱橋部位的熱損失對(duì)比

設(shè)單一材料的平壁內(nèi)外溫度分布均勻，無(wú)內(nèi)熱源。因?yàn)閲o(hù)結(jié)構(gòu)墻體的高和寬相對(duì)于厚度來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)大于其厚度的10倍以上，可將墻體看作是無(wú)限大平壁，溫度梯度在寬度和高度上衰減過(guò)程變化很小，在厚度方向上變化明顯，所以墻體的傳熱過(guò)程可近似視為一維穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。熱流密度表達(dá)式:

式中:tf1-平壁內(nèi)壁面溫度，℃；

tf2—平壁外壁面溫度，℃；

Ri—內(nèi)表面換熱阻，m2·K/W；

Re—外表面換熱阻，m2·K/W；

σ—平壁厚度，m；

λ—平壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)單位面積的熱損失，即通過(guò)墻體傳熱過(guò)程的熱流密度q1為7.9 W/m2。熱橋節(jié)點(diǎn)處單位面積的熱損失，即通過(guò)熱橋節(jié)點(diǎn)傳熱過(guò)程的熱流密度q2為21.7 W/m2，懸挑梁也可近似看作是一維穩(wěn)態(tài)傳熱。懸挑梁的傳熱是通過(guò)鋼筋混凝土傳熱，是固體傳熱，與空氣之間的對(duì)流換熱可不計(jì)算。

單位面積的熱流密度即熱損失量，鋼筋混凝土熱橋的熱損失量大約是圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻的3倍，熱橋部位熱損明顯增加。

5 數(shù)值模擬

采用ANSYS有限元分析軟件模擬混凝土懸挑梁內(nèi)部及墻體內(nèi)外壁面溫度變化。模型為k-epsilon湍流模型，邊界條件:室內(nèi)空氣溫度29℃，室外走廊空氣溫度11℃，室內(nèi)外空氣對(duì)流換熱。為提高模擬精確度，應(yīng)確保每個(gè)平面至少劃分3個(gè)網(wǎng)格。網(wǎng)劃分如圖13所示，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)15萬(wàn)，網(wǎng)格總數(shù)87萬(wàn)。

圖13 網(wǎng)格劃分示意圖

圖14 冬季室內(nèi)空氣流線圖

圖15 冬季混凝土梁溫度場(chǎng)云圖

如圖14、圖15所示。室內(nèi)側(cè)連續(xù)梁與墻體交界處的顏色是由紅色(20.85℃)變成綠色(14.85℃)到藍(lán)色(12.7℃)，溫度逐漸降低，此處溫度是室內(nèi)連續(xù)梁平均溫度最低的地方。相對(duì)梁上其他部位，此處熱損失最大，為20.8 W/m2。

圖16 冬季外墻溫度場(chǎng)云圖

圖17 冬季內(nèi)墻溫度場(chǎng)云圖

由圖16、圖17可知，外墻墻角溫度(11℃)最低。內(nèi)墻墻角除渦流區(qū)外，其余墻角溫度(11.9℃)最低。墻體內(nèi)表面溫度比外表面溫度高，隨著離墻角距離的增大溫度逐漸升高。

從模擬可以看出，熱流密度最大的地方是鋼筋混凝土梁與墻體的銜接處，內(nèi)墻角和外墻角，熱橋處熱損最嚴(yán)重。ANSYS有限元法模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。

6 結(jié)論

(1)跨越圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體的連續(xù)梁在室內(nèi)外接近墻體的某一點(diǎn)處出現(xiàn)溫度拐點(diǎn)。拐點(diǎn)之間溫降約占全部溫降的79%，產(chǎn)生明顯的熱橋。

(2)拐點(diǎn)兩側(cè)空氣溫度與連續(xù)梁內(nèi)部溫度相差不大，連續(xù)梁內(nèi)部溫度呈平緩的線性變化，實(shí)測(cè)中拐點(diǎn)處與空氣溫度相差不超過(guò)1℃。

(3)當(dāng)室內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定時(shí)，與連續(xù)梁相連的墻體內(nèi)外壁面溫度基本無(wú)變化。

(4)同一時(shí)刻熱量傳遞從室內(nèi)到室外沿連續(xù)梁呈折線線性關(guān)系，擬合方程變化形式為y=ax+b。y為溫度，℃；x為位置，m。

(5)實(shí)驗(yàn)工況下，鋼筋混凝土懸挑梁失熱量約為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻的3倍。

(6)ANSYS有限元法模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。

本文對(duì)熱橋?qū)嶒?yàn)研究的結(jié)果為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值，同時(shí)還有一些不足，實(shí)驗(yàn)只考慮在室內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定工況下，室外單一變量溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，未充分考慮室內(nèi)溫度場(chǎng)對(duì)混凝土梁的影響，今后還可以在此方向做更深入的研究。