趙西平, 王若楠, 黃 煒

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

隨著中國城鎮(zhèn)建設的飛速發(fā)展和人們對建筑環(huán)境要求的不斷提高,建筑能耗不斷增加[1].在低碳經(jīng)濟理念的驅使下,住宅產(chǎn)業(yè)化已成為中國建筑和土木行業(yè)現(xiàn)階段需要迫切解決的問題,同時產(chǎn)業(yè)化節(jié)能建筑也成為當前研究的熱點[2].建筑節(jié)能中最重要的一項措施就是墻體保溫隔熱[3].具有良好保溫隔熱性能的圍護結構可減少室內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)展高質量的節(jié)能保溫墻板已成為中國建筑行業(yè)目前需要解決的問題,是實現(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,對中國經(jīng)濟和社會發(fā)展有著極其深遠的意義.

目前,發(fā)達國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制外墻板中已占很大比例,例如在丹麥、瑞典、法國均已占70%以上[4].中國裝配式結構起步較晚,機械化程度低,阻礙了裝配式復合墻板的發(fā)展,目前可單獨或通過復合后用作外墻板的材料有：預應力混凝土空心板(SP)、預制裝配式混凝土結構(PC)、玻璃纖維增強水泥輕質多孔隔墻條板(GRC)、蒸壓加氣混凝土外墻板(ALC)、纖維水泥復合夾芯板(FC)等[5].

國內外許多學者結合實物試驗和數(shù)值模擬,對復合墻體的受力性能和抗震性能進行了研究[6-8].針對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,其鋼框架、圍護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造大多為鋼結構,建筑鋼材雖然強度高、穩(wěn)定性好,但其良好的導熱性使得節(jié)點部位極易形成局部保溫弱點,產(chǎn)生熱橋效應.鑒于進行大量的復合墻體試驗較為困難,因此本文采取有限元模擬方法對ECP復合墻體的熱工性能進行研究,根據(jù)模擬結果分析ECP復合墻體的傳熱系數(shù)、溫度場和各參數(shù)的影響情況.

1 物理模型

1.1 外圍護結構基本構造

中空擠出成型纖維水泥墻板(ECP墻板)是以硅質材料(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)護而成的新型建筑水泥墻板,相比一般板材強度更高、表面吸水率更低、隔聲效果更好[10].

ECP墻板尺寸大、質輕,通過角鋼干掛在建筑外墻上,上下層墻板之間預留10mm施工縫,進行“斷橋”處理.ECP墻板是非結構的裝飾構件,為防止由溫度、地震或風荷載等外部因素引起板材損壞,板材節(jié)點連接選用柔性連接形式,即板材自重荷載由承重角鋼承擔,水平荷載由 Z 形連接件承擔.板材通過間隙錯位移動,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墻板的重力與風壓計算其支撐龍骨抗彎情況,規(guī)定角鋼尺寸為50mm×50mm×6mm.圖1為鋼結構豎裝ECP墻板間層構造;圖2為ECP復合墻體基本構造,從內到外依次是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 鋼結構豎裝ECP墻板間層構造圖Fig.1 Structural drawing of steel structure vertical installation ECP plate(size:mm)

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

1.2 ECP復合墻體傳熱系數(shù)

n層材料組成的墻體傳熱系數(shù)K與材料層厚度di和導熱系數(shù)λi有關(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、外表面熱阻)計算出其總熱阻R0,再通過K=1/R0得出ECP復合墻體的傳熱系數(shù).ECP復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復合墻體用W1～W5表示，其傳熱系數(shù)計算結果見表1.由表1可知,ECP復合墻體的傳熱系數(shù)為0.226～0.319W/(m2·K).JGJ 26—2018《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》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)能設計標準中規(guī)定的限值.

1.3 參數(shù)設置

運用ANSYS有限元模擬軟件分析ECP復合墻體在寒冷地區(qū)的傳熱情況.假設墻體所處環(huán)境溫度恒定,將有限元模型簡化為穩(wěn)態(tài)傳熱.張舉[11]研究膨脹螺栓對一體化系統(tǒng)傳熱的影響時,將墻體傳熱系數(shù)按面積加權法來計算,得出考慮膨脹螺栓時的墻體傳熱系數(shù)僅增大了1.27%,對墻體傳熱影響較小.ECP墻板最大尺寸為600mm(長)×4000mm(寬),因板材質輕,當其厚度為60mm時,僅需要4個Z字型連接件來承載板材質量,故可忽略膨脹螺栓構件.

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

本文針對寒冷地區(qū)的典型城市—天津地區(qū)進行數(shù)值模擬.根據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規(guī)范》,冬季室內計算采暖溫度為18℃,室外計算溫度值為-9℃,墻體內、外表面換熱系數(shù)分別取8.7W/(m2·K)和23.0W/(m2·K),ECP復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,墻體斷面設定為絕熱條件.將ECP復合墻體視為無內熱源多層復合墻體,各層材料彼此之間的接觸良好,熱阻忽略不計.

表2 ECP復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ECP復合墻體的有限元模型進行網(wǎng)格劃分.因簡化后的墻體形狀規(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果與理論計算結果對比

計算模型為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；復合墻體的內表面換熱阻Ri=0.11(m2·K)/W,外表面換熱阻Re=0.04(m2·K)/W,室內計算溫度ti=18℃,室外計算溫度te=-9℃.

(2)有限元模擬.模擬結果如圖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 有限元模擬結果Fig.4 Finite element simulation results

對比可知，有限元模擬結果與理論計算值相近,復合墻體的內、外表面模擬溫度略低于計算溫度,傳熱系數(shù)值則高于計算數(shù)據(jù).程海峰[12]研究了空氣間層定型尺寸對系統(tǒng)傳熱性能的影響,結果表明當空氣間層厚度為0～20mm 時,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；當空氣間層厚度為65mm 左右時,熱阻取得最大值.本文所研究的ECP復合墻體空氣間層厚度為80mm,此時間層內的熱阻達不到理想狀態(tài)值,從而驗證了ANSYS有限元二維穩(wěn)態(tài)熱橋計算軟件的正確性.

3 數(shù)值模擬結果分析

將單位面積耗熱量較大的梁柱節(jié)點作為研究對象,模擬其在一定熱環(huán)境下的溫度分布,確定熱橋處的內表面最低溫度是否低于露點溫度,即是否會發(fā)生結露現(xiàn)象.冬季室內計算溫度為18.0℃時,露點溫度為10.1℃.

本文主要針對鋼柱形式、保溫材料類型以及鋼柱外保溫層厚度進行研究.通過上述參數(shù)設置,簡化過的空心方鋼柱和H型鋼柱節(jié)點構造如圖5所示.根據(jù)實際測試與溫度場模擬可知,熱橋側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)點簡化構造圖Fig.5 Simplified structural diagram of steel column joints(size:mm)

3.1 墻體編號

根據(jù)鋼柱形式和墻體保溫材料類型劃分墻體編號.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,分別采用5種保溫材料的ECP復合墻體在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復合墻體內表面溫度-距鋼柱中心距離的關系曲線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表面溫度比主墻體內表面溫度低,在x軸水平方向上,當距鋼柱中心距離x≤220mm時,墻體內表面溫度變化較大;當x>220mm時,墻體內表面溫度變化逐漸減小.當0mm≤x<660mm時,墻體內表面溫度大小為A2

由于與空心方鋼柱形式相同,僅是鋼柱內夾芯材料有差別,故圖6(b)與圖6(a)變化趨勢相同.當距方鋼管混凝土柱中心水平距離x=73mm時,5種保溫材料中,保溫材料為礦棉板時的墻體內表面溫度最低,溫度為12.47℃,大于空氣露點溫度,說明當鋼柱形式為方鋼管混凝土柱時,保溫層分別采用5種保溫材料的ECP復合墻體都不會產(chǎn)生結露現(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)墻體內表面溫度和熱橋影響范圍，得到結構柱體節(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,當0mm≤x<73mm時,墻體內表面溫度大小為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,A1墻體的內表面最低溫度為12.63℃,低于主墻體內表面溫度4.46℃,熱流密度更是達到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,即熱橋的存在會導致建筑能耗增加.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，ECP復合墻體的內表面最低溫度.

分析表3數(shù)據(jù)可知：對熱橋部位進行局部外保溫設計后,墻體內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,保溫材料為聚氨酯硬泡沫塑料時的墻體內表面最低溫度值最大；H型鋼柱的內表面最低溫度在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,墻體內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復合墻體內表面最低溫度關系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50mm外保溫層后,5種保溫材料對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50mm外保溫層后,5種保溫材料對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50mm外保溫層后,5種保溫材料對其熱橋影響區(qū)域由小到大為聚氨酯<聚苯乙烯<玻璃棉<礦棉<巖棉.

3.3 模擬結果優(yōu)化建議

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

(2)當封閉空氣間層厚度達到20mm后,隨著該厚度的增大,間層熱阻的增量越來越小;當間層厚度接近65mm時,間層熱阻取得最大值;當間層厚度大于65mm后,間層熱阻有減小的趨勢[12].表明空氣間層厚度過大并不會增加圍護結構的熱阻,因此可以適當減小空氣間層厚度,提高ECP復合墻體的熱工性能.

(3)周偉[15]對H型鋼柱節(jié)能設計構造進行分析后,得到減小腹板厚度、增大腹板高度對節(jié)能有利的結論.腹板開孔后可有效降低熱橋效應,而表面孔長是影響墻體傳熱性能的最重要參數(shù);孔橫向間距對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)設計,可有效提高ECP復合墻體的平均傳熱系數(shù).

4 結論

(1)ECP復合墻體的傳熱系數(shù)為0.226～0.319W/(m2·K),低于JGJ 26—2018《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》對于寒冷地區(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、質量輕,一般采用外掛式構造.該構造下梁柱處于板材內部,一般不存在梁柱節(jié)點熱橋問題.通過ANSYS有限元模擬,驗證了3種鋼柱形式在天津(寒冷)地區(qū),熱橋部位內表面最低溫度均高于露點溫度,不存在墻體表面結露現(xiàn)象.

(3)不同鋼柱形式,其熱橋部位的影響范圍不同,在設計時應注意熱橋部位的處理,防止大量熱流損失.根據(jù)ECP復合墻體內表面最低溫度和熱橋影響范圍得出3種形式鋼結構柱體節(jié)能效率存在以下關系：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復合墻體的熱損失降低,內表面最低溫度升高,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其墻體內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,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于熱橋處的保溫性能貢獻較大.對節(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.