夏熱冬冷地區(qū)熱橋?qū)Φ蛯咏ㄖ芎牡挠绊?/h1>
2020-11-13 03:35:46杜海存謝瀟宇郭興國(guó)劉向偉
南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版) 2020年3期
杜海存，謝瀟宇，郭興國(guó)，劉向偉
(南昌大學(xué)a.機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330031；b.建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031)
熱橋不僅對(duì)傳統(tǒng)建筑能耗有較大的影響，對(duì)于節(jié)能建筑其能耗熱量損失占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗損失的比例更大，且在不斷增加[1-4]。為了使夏熱冬冷地區(qū)實(shí)現(xiàn)65%的節(jié)能目標(biāo)，需要有效控制建筑能耗，而熱橋?qū)ㄖ芎挠钟兄@著的影響，故研究該地區(qū)熱橋?qū)ㄖ芎牡挠绊懢哂惺种匾囊饬x。
國(guó)外關(guān)于熱橋能耗的研究起步較早。Kosny等[5]和Kossecka[6]建立了等效墻模型。Aguilar等[7]通過(guò)對(duì)丁字熱橋的能耗分析，驗(yàn)證了等效墻法的準(zhǔn)確性。Martin等[8]進(jìn)一步完善了等效墻熱橋模型。Déqué等[9]、Purdy等[10]、Gao等[11]分別通過(guò)建立二維、三維熱橋模型和運(yùn)用等效U值等方法，提高了熱橋能耗的計(jì)算精度。我國(guó)對(duì)夏熱冬冷地區(qū)熱橋能耗的相關(guān)研究起步相對(duì)較晚。南艷麗等[12-14]通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了熱橋?qū)o(hù)結(jié)構(gòu)能耗的影響。董孟能等[15]利用DOE-2從一維的角度分析了熱橋?qū)Χ?、高層建筑的能耗的影響，得出了熱橋面積百分比與建筑能耗的大小成正比的結(jié)論。李云等[16]通過(guò)研究熱橋能耗的影響，提出了對(duì)夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能建筑中熱橋的處理的原則。陶然等[17]利用ANSYS對(duì)實(shí)測(cè)墻體的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬,確定了熱橋的影響范圍。汪越等[18]利用有限元分析軟件模擬出了混凝土框架柱熱橋的溫度場(chǎng)和熱流場(chǎng)。賈殿鑫等[19-20]對(duì)熱橋的影響范圍及其評(píng)價(jià)指標(biāo)等進(jìn)行了研究。王明民等[21]比較了在相同環(huán)境下，外墻內(nèi)、外保溫中熱橋?qū)χ黧w傳熱系數(shù)的影響大小。戴紹斌等[22]利用ANSYS軟件研究了不同墻體保溫體系的保溫效果，最終得出外保溫體系、熱橋處理型自保溫體系、內(nèi)保溫體系、自保溫體系的保溫效果依次減弱結(jié)論。吳衛(wèi)等[23]建立了二維穩(wěn)態(tài)熱橋傳熱模型，并對(duì)不同類(lèi)型剪力墻、填充墻搭接的樓板熱橋節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究，得出有效阻斷熱橋節(jié)點(diǎn)可顯著增強(qiáng)節(jié)能效果的結(jié)論。黃俊等[24]建立了二維穩(wěn)態(tài)熱橋傳熱模型并對(duì)不同保溫體系下熱橋的熱損失進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了在外保溫、內(nèi)保溫、自保溫的體系下熱橋處熱損失會(huì)依次減少。王智等[25]建立了二維穩(wěn)態(tài)模型并對(duì)建筑中燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚自保溫外墻中典型的T形樓板熱橋進(jìn)行了模擬分析，確定了T形熱橋處的無(wú)機(jī)保溫砂漿層覆蓋范圍的最優(yōu)值。張舉等[26]詳細(xì)計(jì)算夏熱冬冷地區(qū)一體化系統(tǒng)中膨脹螺栓和各種龍骨對(duì)系統(tǒng)傳熱的影響，并對(duì)如何降低熱橋能耗提出了具體方案。阮方等[27]對(duì)分室間歇用能情況下居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫影響區(qū)域進(jìn)行了研究，分析了人行為和容忍溫度對(duì)保溫節(jié)能的影響。何琛等[28]分析了熱橋?qū)﹂g歇供暖房間的影響。沈張等[29]利用COMSOL軟件建立了二維和三維的熱橋模型，確定了不同保溫材料的適用范圍。朱賽鴻等[30]建立了二維熱橋傳熱模型，并利用ANSYS軟件分析了不同墻體構(gòu)造、窗框材質(zhì)等8種因素下，墻體內(nèi)部等溫線和熱流量的分布、外墻窗洞口的內(nèi)表面溫度等參數(shù)。吳鋒等[31]利用CFD對(duì)自保溫體系下外墻轉(zhuǎn)角處熱橋的傳熱情況進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果表明，熱橋內(nèi)表面在冬季時(shí)會(huì)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，防止結(jié)露需采相應(yīng)的保溫措施。張欣苗[32]建立了三維熱橋傳熱模型，并利用GAMBIT和Fluent計(jì)算了熱橋的熱損失，研究表明熱橋?qū)o(hù)結(jié)構(gòu)建筑能耗影響較為顯著。
綜上所述，目前就夏熱冬冷地區(qū)熱橋能耗的研究主要是對(duì)各部分子熱橋進(jìn)行單獨(dú)建模，并對(duì)子熱橋模型傳熱情況進(jìn)行分析，忽視了熱橋傳熱的相似性與整體性，鮮有對(duì)同類(lèi)熱橋如丁字熱橋進(jìn)行整體建模的研究。而且對(duì)熱橋能耗分析時(shí)往往只考慮空氣溫度與熱橋間對(duì)流換熱所產(chǎn)生的影響而忽略了土壤溫度與熱橋間對(duì)流換熱以及太陽(yáng)輻射換熱對(duì)熱橋能耗的影響。
本文建立起包括外墻-屋頂、外墻-中間層樓板、外墻-地面3處丁字熱橋的整體熱橋模型，考慮土壤溫度以及輻射換熱對(duì)二維熱橋傳熱模型的影響，通過(guò)THERM和Design Builder計(jì)算了建筑的負(fù)荷，并以此來(lái)分析夏熱冬冷地區(qū)熱橋?qū)Φ蛯咏ㄖ芎牡挠绊憽?/p>
1 熱橋模型
1.1 數(shù)學(xué)模型
1.1.1 模型假設(shè)
1) 建筑材料同性勻質(zhì)且為常物性。
2) 導(dǎo)熱過(guò)程始終為穩(wěn)態(tài)。
3) 內(nèi)部無(wú)熱源且考慮輻射換熱影響。
4) 不考慮濕傳遞及熱濕相互作用。
5) 墻體相鄰材料間接觸緊密，忽略接觸熱阻的影響。
1.1.2 熱橋傳熱模型
二維熱橋模型的傳熱計(jì)算以如下穩(wěn)態(tài)二維熱傳導(dǎo)公式為基礎(chǔ)。
(1)
式中：T為溫度，K。
二維熱橋模型內(nèi)部任意2種材料交界面的熱流密度q用式(2)計(jì)算
(2)
式中：q為總熱流密度，W·m-2；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；ex、ey分別為相鄰的2種材料交界面處的單位法向量在x和y方向的分量。
二維熱橋模型墻體外表面的熱流密度和換熱系數(shù)分別用式(3)和式(4)計(jì)算
q=qc+qr
(3)
式中：qr、qc為受輻射換熱和受對(duì)流換熱影響產(chǎn)生的熱流密度，W·m-2。
(4)
式中：h為墻體的換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；ΔT為傳熱界面兩側(cè)的溫度差，K。
1.1.3 邊界條件
絕熱墻體、屋頂兩者的外表面同時(shí)受到太陽(yáng)輻射和空氣對(duì)流換熱的影響。假設(shè)天空由陰天和晴天2個(gè)區(qū)域構(gòu)成。那么太陽(yáng)輻射的影響通過(guò)外部平均輻射溫度來(lái)表示。
Eex=σTrm
(5)
式中：Eex為外表面所受黑體輻射力，W·m-2；σ為斯忒藩為玻爾茲曼常數(shù),5.669 3×10-8，W·m-2·K-4；Trm為太陽(yáng)輻射造成的表面溫升溫度，K。
(6)
式中：Fgd、Fsky為熱橋外表面到地面的視角因子(分別是地平線以下區(qū)域)與天空；fcir為天空中晴朗部分的因子；Jsky為天空中晴朗部分的光能傳遞，W·m-2；Tw為室外溫度，K。
qr=hr(Tw-Trm)
(7)
式中：hr為受輻射換熱影響下的換熱系數(shù)，W·m-2·K-1。
(8)
式中：ε為總半球發(fā)射率。
室內(nèi)表面對(duì)流換熱主要通過(guò)自然對(duì)流，室外表面對(duì)流換熱主要通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流
qc=hc(Tw-Te)
(9)
式中：hc為受對(duì)流換熱影響下的換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；Te為墻體外表面溫度，K。
地面和中間層樓板兩者分別與室內(nèi)空氣的接觸面，和地面與土壤的接觸面，這3類(lèi)都屬于第3類(lèi)邊界條件，如式(10)、式(11)所示。
(10)
(11)
式中：Tn為室內(nèi)溫度，K。
其他斷面按絕熱邊界計(jì)算,如方程(12)所示。
(12)
1.2 幾何模型
利用THERM建立起包含外墻-屋頂、外墻-中間層樓板、外墻-地面3處丁字熱橋的二維熱橋模型如圖1所示。
2 負(fù)荷計(jì)算
將THERM計(jì)算出的夏、冬兩季墻體的傳熱系數(shù)分別設(shè)為kx和kd。保持墻體中水泥砂漿層和砌體空心磚層厚度不變，通過(guò)方程(13)調(diào)整絕緣層(松散礦棉)δ2的厚度，使得利用Design Builder計(jì)算冷、熱負(fù)荷時(shí)墻體的平均傳熱系數(shù)分別設(shè)置為kx和kd，并計(jì)算出新的冷、熱負(fù)荷。
(13)
式中：k為墻體的傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；kx、kd為夏季、冬季墻體的傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；Ri、Re，R分別為墻體的內(nèi)、外表面熱阻以及墻體熱阻，m2·K·W-1；hi、he分別為墻體內(nèi)、外表面換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；λ1、λ2、λ3分別為水泥砂漿層、礦棉層和砌體空心磚層的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；δ1、δ2、δ3分別為水泥砂漿層、礦棉層和砌體空心磚層的厚度，mm。
3 模擬對(duì)象及參數(shù)
以某二層居住建筑為研究對(duì)象，層高3.0 m，建筑面積約220 m2。室內(nèi)溫度：冬季293.15 K，夏季299.15 K。2個(gè)季節(jié)各選取1個(gè)計(jì)算日進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。通過(guò)Design Builder建立三維建筑模型。熱橋各層的材料物性參數(shù)如圖1(b)和表1所示[23-33]。根據(jù)主要城市室外氣象設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)以及張慧智等[34]對(duì)中國(guó)土壤溫度的季節(jié)性變化及其區(qū)域分異的相關(guān)研究，得到了南昌、成都、武漢、上海4個(gè)地區(qū)夏季和冬季的室外空氣溫度及土壤溫度，如表2所示。
表1 材料物性參數(shù)Tab.1 Material property parameter
表2 室外空氣溫度及土壤溫度參數(shù)Tab.2 Outdoor air temperature and soil temperature parameters
4 模擬結(jié)果分析
如圖2所示，夏、冬兩季外墻-屋頂、外墻-中間層樓板、外墻-地面3處丁字熱橋的熱流密度均大于單獨(dú)外墻處的熱流密度，且夏季熱流方向從外到內(nèi)而冬季則從內(nèi)到外。
利用THEAM建立二維熱橋模型，根據(jù)表2的室外參數(shù)條件，計(jì)算出該建筑位于南昌、成都、武漢、上海4個(gè)地區(qū)有熱橋與無(wú)熱橋2種情況下墻體的平均傳熱系數(shù)，并進(jìn)行對(duì)比研究。如表3所示，在無(wú)熱橋情況下，夏、冬兩季的平均傳熱系數(shù)不變，這是因?yàn)闆](méi)有考慮到屋頂、中間層樓板以及地面對(duì)墻體傳熱的影響，而有熱橋情況下室外條件(包括室外空氣溫度以及土壤溫度)會(huì)對(duì)屋頂、中間層樓板以及地面的傳熱造成較大的影響，進(jìn)而影響墻體傳熱，改變其平均傳熱系數(shù)。
表3 墻體平均傳熱系數(shù)Tab.3 Average heat transfer coefficient of the wall
在考慮熱橋影響后，夏季墻體平均傳熱系數(shù)增大27.02%～30.28%。冬季墻體平均傳熱系數(shù)增大20.81%～25.00%。其中成都、武漢、南昌3個(gè)地區(qū)夏季平均傳熱系數(shù)逐漸增加，這是因?yàn)槿邔儆谕煌寥罍囟确謪^(qū)，土壤溫度相同，平均傳熱系數(shù)主要受室外空氣溫度的影響。夏季時(shí)墻體平均傳熱系數(shù)隨著室外空氣溫度的增加而增加，而冬季時(shí)墻體平均傳熱系數(shù)則會(huì)隨著室外空氣溫度的降低而增加。
夏季時(shí)上海地區(qū)室外空氣溫度比武漢低0.7 K，而其最終平均傳熱系數(shù)增長(zhǎng)率卻高于武漢0.53%，這是因?yàn)樯虾５貐^(qū)土壤溫度比武漢低0.33 K，使得外墻-地面處熱橋的換熱增強(qiáng)，最終導(dǎo)致其外墻的平均傳熱系數(shù)大于武漢。同樣冬季時(shí)上海地區(qū)的室外空氣溫度與南昌相近，但由于上海地區(qū)土壤溫度比南昌低3.5 K，故其外墻-地面處熱橋的換熱強(qiáng)度較小，最終導(dǎo)致其外墻的平均傳熱系數(shù)增長(zhǎng)率比南昌低3.73%，分析可得墻體的平均傳熱系數(shù)不僅受室外空氣溫度的影響還受土壤溫度的影響。
如表4所示，在考慮熱橋影響后，建筑冷負(fù)荷增大3.36%～4.63%，建筑熱負(fù)荷增大6.49%～7.76%。其中成都、武漢、南昌3個(gè)地區(qū)夏季冷負(fù)荷增長(zhǎng)率逐漸增加，這是因?yàn)槿邔儆谕煌寥罍囟确謪^(qū)，土壤溫度相同，夏季冷負(fù)荷增長(zhǎng)率主要受室外空氣溫度的影響，所以冷負(fù)荷增長(zhǎng)率會(huì)隨著室外空氣溫度的增加而增加，而冬季時(shí)熱負(fù)荷增長(zhǎng)率則會(huì)隨著室外空氣溫度的降低而增加。
表4 2種情況下冷、熱負(fù)荷Tab.4 Cooling and heating load in two case
夏季時(shí)上海地區(qū)室外空氣溫度比武漢低0.7 K，而其最終冷負(fù)荷增長(zhǎng)率卻高于武漢0.86%，這是因?yàn)樯虾５貐^(qū)土壤溫度比武漢低0.33 K，使得外墻-地面處熱橋的換熱增強(qiáng)，最終導(dǎo)致其冷負(fù)荷增長(zhǎng)率大于武漢。同樣冬季時(shí)上海地區(qū)的室外空氣溫度與南昌相近，但由于上海地區(qū)土壤溫度比南昌低3.5 K，故其外墻-地面處熱橋的換熱強(qiáng)度較小，最終導(dǎo)致其冬季熱負(fù)荷增長(zhǎng)率比南昌低1.09%，分析可得建筑負(fù)荷不僅受室外空氣溫度的影響還受土壤溫度的影響。
室外空氣溫度與土壤溫度都對(duì)墻體平均傳熱系數(shù)有較大的影響，下面進(jìn)一步比較兩者對(duì)墻體平均傳熱系數(shù)的影響大小。以南昌地區(qū)氣候?yàn)槔?如表2)，夏季：室外空氣溫度35.6 K，土壤溫度27.66 K；冬季：室外空氣溫度-1.3 K，土壤溫度11.33 K。根據(jù)控制變量法，設(shè)置了4個(gè)對(duì)照組，依次為：增加1、1.5 K；減少1、1.5 K。以表3中南昌地區(qū)有熱橋時(shí)計(jì)算的平均傳熱系數(shù)：夏季1.002 7 W·m-2·K-1，冬季0.961 5 W·m-2·K-1為標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算了室外空氣溫度或土壤溫度單獨(dú)作用時(shí)墻體的平均傳熱系數(shù)及其增長(zhǎng)率如表5所示。
表5 對(duì)照組的平均傳熱系數(shù)及其增長(zhǎng)率Tab.5 Average heat transfer coefficient and growth rate of the control group
表6 對(duì)照組冬季平均傳熱系數(shù)及其增長(zhǎng)率Tab.6 Winter average heat transfer coefficient and growth rate of the control group
無(wú)論夏季還是冬季，在其他因素相同的情況下，土壤溫度對(duì)墻體平均傳熱系數(shù)的影響均大于相同變化量下室外空氣溫度對(duì)墻體平均傳熱系數(shù)的影響。
5 結(jié)論
1) 考慮熱橋后墻體平均傳熱系數(shù)增長(zhǎng)率大于建筑負(fù)荷的增長(zhǎng)率，其中夏季：墻體平均傳熱系數(shù)增大27.02%～30.28%，建筑冷負(fù)荷增大3.36%～4.63%；冬季：墻體平均傳熱系數(shù)增大20.81%～25.00%，建筑熱負(fù)荷增大6.49%～7.76%。
2) 同一季節(jié)與城市下，負(fù)荷變化與墻體平均傳熱系數(shù)變化成正相關(guān)。故若要研究某因素對(duì)建筑負(fù)荷的影響，可以先研究其對(duì)平均傳熱系數(shù)的影響。
3) 室外空氣溫度和土壤溫度均會(huì)對(duì)墻體的平均傳熱系數(shù)造成較大的影響，在其他條件相同且兩者變化量相同的情況下土壤溫度對(duì)墻體平均傳熱系數(shù)的影響大于室外空氣溫度。
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(南昌大學(xué)a.機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330031；b.建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031)
熱橋不僅對(duì)傳統(tǒng)建筑能耗有較大的影響，對(duì)于節(jié)能建筑其能耗熱量損失占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗損失的比例更大，且在不斷增加[1-4]。為了使夏熱冬冷地區(qū)實(shí)現(xiàn)65%的節(jié)能目標(biāo)，需要有效控制建筑能耗，而熱橋?qū)ㄖ芎挠钟兄@著的影響，故研究該地區(qū)熱橋?qū)ㄖ芎牡挠绊懢哂惺种匾囊饬x。
國(guó)外關(guān)于熱橋能耗的研究起步較早。Kosny等[5]和Kossecka[6]建立了等效墻模型。Aguilar等[7]通過(guò)對(duì)丁字熱橋的能耗分析，驗(yàn)證了等效墻法的準(zhǔn)確性。Martin等[8]進(jìn)一步完善了等效墻熱橋模型。Déqué等[9]、Purdy等[10]、Gao等[11]分別通過(guò)建立二維、三維熱橋模型和運(yùn)用等效U值等方法，提高了熱橋能耗的計(jì)算精度。我國(guó)對(duì)夏熱冬冷地區(qū)熱橋能耗的相關(guān)研究起步相對(duì)較晚。南艷麗等[12-14]通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了熱橋?qū)o(hù)結(jié)構(gòu)能耗的影響。董孟能等[15]利用DOE-2從一維的角度分析了熱橋?qū)Χ?、高層建筑的能耗的影響，得出了熱橋面積百分比與建筑能耗的大小成正比的結(jié)論。李云等[16]通過(guò)研究熱橋能耗的影響，提出了對(duì)夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能建筑中熱橋的處理的原則。陶然等[17]利用ANSYS對(duì)實(shí)測(cè)墻體的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬,確定了熱橋的影響范圍。汪越等[18]利用有限元分析軟件模擬出了混凝土框架柱熱橋的溫度場(chǎng)和熱流場(chǎng)。賈殿鑫等[19-20]對(duì)熱橋的影響范圍及其評(píng)價(jià)指標(biāo)等進(jìn)行了研究。王明民等[21]比較了在相同環(huán)境下，外墻內(nèi)、外保溫中熱橋?qū)χ黧w傳熱系數(shù)的影響大小。戴紹斌等[22]利用ANSYS軟件研究了不同墻體保溫體系的保溫效果，最終得出外保溫體系、熱橋處理型自保溫體系、內(nèi)保溫體系、自保溫體系的保溫效果依次減弱結(jié)論。吳衛(wèi)等[23]建立了二維穩(wěn)態(tài)熱橋傳熱模型，并對(duì)不同類(lèi)型剪力墻、填充墻搭接的樓板熱橋節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究，得出有效阻斷熱橋節(jié)點(diǎn)可顯著增強(qiáng)節(jié)能效果的結(jié)論。黃俊等[24]建立了二維穩(wěn)態(tài)熱橋傳熱模型并對(duì)不同保溫體系下熱橋的熱損失進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了在外保溫、內(nèi)保溫、自保溫的體系下熱橋處熱損失會(huì)依次減少。王智等[25]建立了二維穩(wěn)態(tài)模型并對(duì)建筑中燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚自保溫外墻中典型的T形樓板熱橋進(jìn)行了模擬分析，確定了T形熱橋處的無(wú)機(jī)保溫砂漿層覆蓋范圍的最優(yōu)值。張舉等[26]詳細(xì)計(jì)算夏熱冬冷地區(qū)一體化系統(tǒng)中膨脹螺栓和各種龍骨對(duì)系統(tǒng)傳熱的影響，并對(duì)如何降低熱橋能耗提出了具體方案。阮方等[27]對(duì)分室間歇用能情況下居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫影響區(qū)域進(jìn)行了研究，分析了人行為和容忍溫度對(duì)保溫節(jié)能的影響。何琛等[28]分析了熱橋?qū)﹂g歇供暖房間的影響。沈張等[29]利用COMSOL軟件建立了二維和三維的熱橋模型，確定了不同保溫材料的適用范圍。朱賽鴻等[30]建立了二維熱橋傳熱模型，并利用ANSYS軟件分析了不同墻體構(gòu)造、窗框材質(zhì)等8種因素下，墻體內(nèi)部等溫線和熱流量的分布、外墻窗洞口的內(nèi)表面溫度等參數(shù)。吳鋒等[31]利用CFD對(duì)自保溫體系下外墻轉(zhuǎn)角處熱橋的傳熱情況進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果表明，熱橋內(nèi)表面在冬季時(shí)會(huì)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，防止結(jié)露需采相應(yīng)的保溫措施。張欣苗[32]建立了三維熱橋傳熱模型，并利用GAMBIT和Fluent計(jì)算了熱橋的熱損失，研究表明熱橋?qū)o(hù)結(jié)構(gòu)建筑能耗影響較為顯著。
綜上所述，目前就夏熱冬冷地區(qū)熱橋能耗的研究主要是對(duì)各部分子熱橋進(jìn)行單獨(dú)建模，并對(duì)子熱橋模型傳熱情況進(jìn)行分析，忽視了熱橋傳熱的相似性與整體性，鮮有對(duì)同類(lèi)熱橋如丁字熱橋進(jìn)行整體建模的研究。而且對(duì)熱橋能耗分析時(shí)往往只考慮空氣溫度與熱橋間對(duì)流換熱所產(chǎn)生的影響而忽略了土壤溫度與熱橋間對(duì)流換熱以及太陽(yáng)輻射換熱對(duì)熱橋能耗的影響。
本文建立起包括外墻-屋頂、外墻-中間層樓板、外墻-地面3處丁字熱橋的整體熱橋模型，考慮土壤溫度以及輻射換熱對(duì)二維熱橋傳熱模型的影響，通過(guò)THERM和Design Builder計(jì)算了建筑的負(fù)荷，并以此來(lái)分析夏熱冬冷地區(qū)熱橋?qū)Φ蛯咏ㄖ芎牡挠绊憽?/p>
1 熱橋模型
1.1 數(shù)學(xué)模型
1.1.1 模型假設(shè)
1) 建筑材料同性勻質(zhì)且為常物性。
2) 導(dǎo)熱過(guò)程始終為穩(wěn)態(tài)。
3) 內(nèi)部無(wú)熱源且考慮輻射換熱影響。
4) 不考慮濕傳遞及熱濕相互作用。
5) 墻體相鄰材料間接觸緊密，忽略接觸熱阻的影響。
1.1.2 熱橋傳熱模型
二維熱橋模型的傳熱計(jì)算以如下穩(wěn)態(tài)二維熱傳導(dǎo)公式為基礎(chǔ)。
(1)
式中：T為溫度，K。
二維熱橋模型內(nèi)部任意2種材料交界面的熱流密度q用式(2)計(jì)算
(2)
式中：q為總熱流密度，W·m-2；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；ex、ey分別為相鄰的2種材料交界面處的單位法向量在x和y方向的分量。
二維熱橋模型墻體外表面的熱流密度和換熱系數(shù)分別用式(3)和式(4)計(jì)算
q=qc+qr
(3)
式中：qr、qc為受輻射換熱和受對(duì)流換熱影響產(chǎn)生的熱流密度，W·m-2。
(4)
式中：h為墻體的換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；ΔT為傳熱界面兩側(cè)的溫度差，K。
1.1.3 邊界條件
絕熱墻體、屋頂兩者的外表面同時(shí)受到太陽(yáng)輻射和空氣對(duì)流換熱的影響。假設(shè)天空由陰天和晴天2個(gè)區(qū)域構(gòu)成。那么太陽(yáng)輻射的影響通過(guò)外部平均輻射溫度來(lái)表示。
Eex=σTrm
(5)
式中：Eex為外表面所受黑體輻射力，W·m-2；σ為斯忒藩為玻爾茲曼常數(shù),5.669 3×10-8，W·m-2·K-4；Trm為太陽(yáng)輻射造成的表面溫升溫度，K。
(6)
式中：Fgd、Fsky為熱橋外表面到地面的視角因子(分別是地平線以下區(qū)域)與天空；fcir為天空中晴朗部分的因子；Jsky為天空中晴朗部分的光能傳遞，W·m-2；Tw為室外溫度，K。
qr=hr(Tw-Trm)
(7)
式中：hr為受輻射換熱影響下的換熱系數(shù)，W·m-2·K-1。
(8)
式中：ε為總半球發(fā)射率。
室內(nèi)表面對(duì)流換熱主要通過(guò)自然對(duì)流，室外表面對(duì)流換熱主要通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流
qc=hc(Tw-Te)
(9)
式中：hc為受對(duì)流換熱影響下的換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；Te為墻體外表面溫度，K。
地面和中間層樓板兩者分別與室內(nèi)空氣的接觸面，和地面與土壤的接觸面，這3類(lèi)都屬于第3類(lèi)邊界條件，如式(10)、式(11)所示。
(10)
(11)
式中：Tn為室內(nèi)溫度，K。
其他斷面按絕熱邊界計(jì)算,如方程(12)所示。
(12)
1.2 幾何模型
利用THERM建立起包含外墻-屋頂、外墻-中間層樓板、外墻-地面3處丁字熱橋的二維熱橋模型如圖1所示。
2 負(fù)荷計(jì)算
將THERM計(jì)算出的夏、冬兩季墻體的傳熱系數(shù)分別設(shè)為kx和kd。保持墻體中水泥砂漿層和砌體空心磚層厚度不變，通過(guò)方程(13)調(diào)整絕緣層(松散礦棉)δ2的厚度，使得利用Design Builder計(jì)算冷、熱負(fù)荷時(shí)墻體的平均傳熱系數(shù)分別設(shè)置為kx和kd，并計(jì)算出新的冷、熱負(fù)荷。
(13)
式中：k為墻體的傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；kx、kd為夏季、冬季墻體的傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；Ri、Re，R分別為墻體的內(nèi)、外表面熱阻以及墻體熱阻，m2·K·W-1；hi、he分別為墻體內(nèi)、外表面換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；λ1、λ2、λ3分別為水泥砂漿層、礦棉層和砌體空心磚層的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；δ1、δ2、δ3分別為水泥砂漿層、礦棉層和砌體空心磚層的厚度，mm。
3 模擬對(duì)象及參數(shù)
以某二層居住建筑為研究對(duì)象，層高3.0 m，建筑面積約220 m2。室內(nèi)溫度：冬季293.15 K，夏季299.15 K。2個(gè)季節(jié)各選取1個(gè)計(jì)算日進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。通過(guò)Design Builder建立三維建筑模型。熱橋各層的材料物性參數(shù)如圖1(b)和表1所示[23-33]。根據(jù)主要城市室外氣象設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)以及張慧智等[34]對(duì)中國(guó)土壤溫度的季節(jié)性變化及其區(qū)域分異的相關(guān)研究，得到了南昌、成都、武漢、上海4個(gè)地區(qū)夏季和冬季的室外空氣溫度及土壤溫度，如表2所示。
表1 材料物性參數(shù)Tab.1 Material property parameter
表2 室外空氣溫度及土壤溫度參數(shù)Tab.2 Outdoor air temperature and soil temperature parameters
4 模擬結(jié)果分析
如圖2所示，夏、冬兩季外墻-屋頂、外墻-中間層樓板、外墻-地面3處丁字熱橋的熱流密度均大于單獨(dú)外墻處的熱流密度，且夏季熱流方向從外到內(nèi)而冬季則從內(nèi)到外。
利用THEAM建立二維熱橋模型，根據(jù)表2的室外參數(shù)條件，計(jì)算出該建筑位于南昌、成都、武漢、上海4個(gè)地區(qū)有熱橋與無(wú)熱橋2種情況下墻體的平均傳熱系數(shù)，并進(jìn)行對(duì)比研究。如表3所示，在無(wú)熱橋情況下，夏、冬兩季的平均傳熱系數(shù)不變，這是因?yàn)闆](méi)有考慮到屋頂、中間層樓板以及地面對(duì)墻體傳熱的影響，而有熱橋情況下室外條件(包括室外空氣溫度以及土壤溫度)會(huì)對(duì)屋頂、中間層樓板以及地面的傳熱造成較大的影響，進(jìn)而影響墻體傳熱，改變其平均傳熱系數(shù)。
表3 墻體平均傳熱系數(shù)Tab.3 Average heat transfer coefficient of the wall
在考慮熱橋影響后，夏季墻體平均傳熱系數(shù)增大27.02%～30.28%。冬季墻體平均傳熱系數(shù)增大20.81%～25.00%。其中成都、武漢、南昌3個(gè)地區(qū)夏季平均傳熱系數(shù)逐漸增加，這是因?yàn)槿邔儆谕煌寥罍囟确謪^(qū)，土壤溫度相同，平均傳熱系數(shù)主要受室外空氣溫度的影響。夏季時(shí)墻體平均傳熱系數(shù)隨著室外空氣溫度的增加而增加，而冬季時(shí)墻體平均傳熱系數(shù)則會(huì)隨著室外空氣溫度的降低而增加。
夏季時(shí)上海地區(qū)室外空氣溫度比武漢低0.7 K，而其最終平均傳熱系數(shù)增長(zhǎng)率卻高于武漢0.53%，這是因?yàn)樯虾５貐^(qū)土壤溫度比武漢低0.33 K，使得外墻-地面處熱橋的換熱增強(qiáng)，最終導(dǎo)致其外墻的平均傳熱系數(shù)大于武漢。同樣冬季時(shí)上海地區(qū)的室外空氣溫度與南昌相近，但由于上海地區(qū)土壤溫度比南昌低3.5 K，故其外墻-地面處熱橋的換熱強(qiáng)度較小，最終導(dǎo)致其外墻的平均傳熱系數(shù)增長(zhǎng)率比南昌低3.73%，分析可得墻體的平均傳熱系數(shù)不僅受室外空氣溫度的影響還受土壤溫度的影響。
如表4所示，在考慮熱橋影響后，建筑冷負(fù)荷增大3.36%～4.63%，建筑熱負(fù)荷增大6.49%～7.76%。其中成都、武漢、南昌3個(gè)地區(qū)夏季冷負(fù)荷增長(zhǎng)率逐漸增加，這是因?yàn)槿邔儆谕煌寥罍囟确謪^(qū)，土壤溫度相同，夏季冷負(fù)荷增長(zhǎng)率主要受室外空氣溫度的影響，所以冷負(fù)荷增長(zhǎng)率會(huì)隨著室外空氣溫度的增加而增加，而冬季時(shí)熱負(fù)荷增長(zhǎng)率則會(huì)隨著室外空氣溫度的降低而增加。
表4 2種情況下冷、熱負(fù)荷Tab.4 Cooling and heating load in two case
夏季時(shí)上海地區(qū)室外空氣溫度比武漢低0.7 K，而其最終冷負(fù)荷增長(zhǎng)率卻高于武漢0.86%，這是因?yàn)樯虾５貐^(qū)土壤溫度比武漢低0.33 K，使得外墻-地面處熱橋的換熱增強(qiáng)，最終導(dǎo)致其冷負(fù)荷增長(zhǎng)率大于武漢。同樣冬季時(shí)上海地區(qū)的室外空氣溫度與南昌相近，但由于上海地區(qū)土壤溫度比南昌低3.5 K，故其外墻-地面處熱橋的換熱強(qiáng)度較小，最終導(dǎo)致其冬季熱負(fù)荷增長(zhǎng)率比南昌低1.09%，分析可得建筑負(fù)荷不僅受室外空氣溫度的影響還受土壤溫度的影響。
室外空氣溫度與土壤溫度都對(duì)墻體平均傳熱系數(shù)有較大的影響，下面進(jìn)一步比較兩者對(duì)墻體平均傳熱系數(shù)的影響大小。以南昌地區(qū)氣候?yàn)槔?如表2)，夏季：室外空氣溫度35.6 K，土壤溫度27.66 K；冬季：室外空氣溫度-1.3 K，土壤溫度11.33 K。根據(jù)控制變量法，設(shè)置了4個(gè)對(duì)照組，依次為：增加1、1.5 K；減少1、1.5 K。以表3中南昌地區(qū)有熱橋時(shí)計(jì)算的平均傳熱系數(shù)：夏季1.002 7 W·m-2·K-1，冬季0.961 5 W·m-2·K-1為標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算了室外空氣溫度或土壤溫度單獨(dú)作用時(shí)墻體的平均傳熱系數(shù)及其增長(zhǎng)率如表5所示。
表5 對(duì)照組的平均傳熱系數(shù)及其增長(zhǎng)率Tab.5 Average heat transfer coefficient and growth rate of the control group
表6 對(duì)照組冬季平均傳熱系數(shù)及其增長(zhǎng)率Tab.6 Winter average heat transfer coefficient and growth rate of the control group
無(wú)論夏季還是冬季，在其他因素相同的情況下，土壤溫度對(duì)墻體平均傳熱系數(shù)的影響均大于相同變化量下室外空氣溫度對(duì)墻體平均傳熱系數(shù)的影響。
5 結(jié)論
1) 考慮熱橋后墻體平均傳熱系數(shù)增長(zhǎng)率大于建筑負(fù)荷的增長(zhǎng)率，其中夏季：墻體平均傳熱系數(shù)增大27.02%～30.28%，建筑冷負(fù)荷增大3.36%～4.63%；冬季：墻體平均傳熱系數(shù)增大20.81%～25.00%，建筑熱負(fù)荷增大6.49%～7.76%。
2) 同一季節(jié)與城市下，負(fù)荷變化與墻體平均傳熱系數(shù)變化成正相關(guān)。故若要研究某因素對(duì)建筑負(fù)荷的影響，可以先研究其對(duì)平均傳熱系數(shù)的影響。
3) 室外空氣溫度和土壤溫度均會(huì)對(duì)墻體的平均傳熱系數(shù)造成較大的影響，在其他條件相同且兩者變化量相同的情況下土壤溫度對(duì)墻體平均傳熱系數(shù)的影響大于室外空氣溫度。
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