合肥地區典型墻體結構的鄰室傳熱數值分析

胡宗斌 （含山縣建設工程質量監督站，安徽 馬鞍山 238100）

合肥地區典型墻體結構的鄰室傳熱數值分析

胡宗斌 （含山縣建設工程質量監督站，安徽 馬鞍山 238100）

針對合肥地區典型墻體結構及保溫材料的熱學性能，綜合考慮該地區冬夏季溫度變化、相鄰房間圍護結構溫度特點等各類初始和邊界條件，利用COMSOL Multiphysics軟件建立了典型墻體結構鄰室傳熱的三維數值計算模型。計算得出以下結論：①冬季鄰室內供暖較不供暖，室內墻面及底板平均溫度分別升高6.8℃和12℃；②夏季鄰室內降溫較不降溫，室內墻面及底板平均溫度分別降低1.2℃和3℃；③冬季鄰室內供不供暖對上部室內溫度影響較大。

保溫層；鄰室傳熱；合肥地區；COMSOL Multiphysics

合肥地區屬于夏熱冬冷地區，建筑夏季制冷和冬季采暖能耗是構成建筑總能耗的主要成分。城市的冬季供暖和夏季制冷的能耗越來越大，我國集中供暖普及率已超過25%，截止到2005年全國空調耗電量占生活用電量的10.9%，并其增幅較快[1]。我國住宅建筑空調、供暖能耗指標是相同氣候條件下發達國家能耗指標的近3倍[2]，因此如何采取節約型、環保型的供熱和制冷方式成為綠色建筑節能的重要研究課題。已經取得共識的是建筑圍護結構對室內溫度影響重大，其中，建筑外圍護結構主要控制室外環境對室溫的影響，內圍護結構主要控制鄰室傳熱。因此，研究在夏季、冬季合肥地區典型建筑的內、外圍護結構對室內溫度的影響對當地建筑節能有重要意義。

目前，國內外學者分別對外圍護結構和內圍護結構進行了研究。大多數學者從增大建筑系統的保溫能力和分戶熱計量的角度，降低冬季供暖和夏季制冷的能耗。歐美地區自上世紀70年代石油危機開始重視利用建筑模擬計算圍護結構傳熱，逐漸形成一些著名的模擬軟件，如BLAST[3]、DOE-2[4]、ESO-r[5]。歐美地區內保溫系統較完善，因此即使存在鄰室傳熱，在研究中也通常不考慮[6]。由于我國圍護結構保溫尚未達到國外的成熟階段，因此有必要在圍護結構保溫傳熱計算中考慮鄰室傳熱的影響。國內，田雨辰等為精確計量鄰室傳熱溫差，建立了鄰室傳熱數學模型，計算得出鄰室熱負荷[7]。潘云鋼引入了自然室溫的概念計算鄰室傳熱[8]。也有學者從建筑構造、室內通風、入住率、地區以及經濟性方面研究圍護結構鄰室傳熱[9,15]。

綜合來看，鮮有學者將建筑物作為與外界關聯的系統，將室外溫度環境作為影響鄰室傳熱的一個因素，并考慮地區氣候環境的區別，從差異溫控的角度計算圍護結構鄰室傳熱。為了探索在差異化溫控的可行性，依據傳熱學基本原理，以合肥地區氣候特點和當地典型墻體結構及保溫材料為背景，計算鄰室傳熱對室內溫度的影響。

合肥地區市場上常見的保溫材料主要有EPS保溫板、膠粉聚苯顆粒保溫砂漿、聚氨酯泡沫塑料板和玻化微珠無極保溫砂漿。這四種保溫材料在合肥地區建筑圍護結構運用比例總和占90%以上[16]，具備典型性。上述保溫材料熱學性能參數如表1。

合肥地區典型保溫材料熱學性能參數 表1

為了研究室外環境溫度以及鄰室傳熱對室內溫度的影響，模型考慮下層及外墻的傳熱，截取高層建筑中間兩層的一部分，建立三維的二層樓房局部模型。模型中，從每層樓層中截取高度為1m、長寬均為2m的模型作為研究對象。建模如圖1。

圖1 房間物理模型

選取合肥地區較常見的外圍護結構構造，自外至內依次為水泥砂漿（6mm）、膨脹玻化微珠無機保溫砂漿（25.0mm）、煤干石砌體（200.0mm）、石灰水泥砂漿（20.0mm），構造如圖2。上下層之間樓板構造為水泥砂漿（20.0mm）、鋼筋混凝土（120.0mm）、水泥砂漿（20.0mm）。其中，鋼筋混凝土導熱系數為1.740W/(m· K)。

圖2 外圍護結構構造

室外溫度通過外圍護結構對室內的傳熱主要由大氣溫度、太陽輻射強度、風速等因素共同決定。選擇夏季最熱日溫度辯護和冬季最冷日溫度變化最為代表工況作為分析對象。根據傅里葉分解原理，室外溫度通過當日平均溫度和一周期正弦波的疊加擬合得出，如下式：

式中：tgs——室外環境溫度

tgs，m——室外溫度日平均值

Ak——周期正弦波振幅

αk——周期相位

T——周期正弦波周期

τ——時間變量

基于最小二乘法，帶入合肥地區夏季最熱日和冬季最冷日數據，利用MATLAB則可擬合出上式中的各項參數。

冬季、夏季溫度擬合公式為：

采用反應系數動態方法計算外圍護結構的傳熱量。具體方法如下：當室內溫度恒為一常數時，室外側有一個單位等腰三角波形溫度擾量作用，從作用時刻算起，單位面積壁體外表面逐時所吸收的熱量，稱為壁體外表面的吸熱反應系數，用符號X（j）表示；通過單位面積壁體逐時傳入室內的熱量，稱為壁體傳熱反應系數，用符號Y（j）表示，通過單位面積壁體逐時傳至室外的熱量，仍稱為壁體傳熱反應系數，數值與前一種情況相等，故仍用符號Y（j）表示。與上述情況相反，當室外溫度恒為一常數時，室內側有一個單位等腰三角波形溫度擾量作用。從作用時刻算起，單位面積壁體內表面逐時所吸收的熱量，稱為壁體內表面的吸熱反應系數，用符號Z（j）表示。括號中j=0，1，2，…，表示單位擾量作用jΔτ個小時以后，模型中取Δτ=1。例如，Y（2）表示單位擾量作用時刻后2h的壁體傳熱反應系數。

利用下式計算第j個時刻，室內從室外通過板壁圍護結構的傳熱得熱量：

式中：HG（n）——第時刻外圍護結構傳熱得熱量

tgs（n-j）——第（n-j）時刻室外環境溫度

tr（n-j）——第（n-j）時刻室內溫度

設置外圍護結構邊界條件：

式中：k——墻體傳熱系數

Tout——外圍護結構外表面溫度，Tout=Tgs

T——圍護結構初始溫度

采用熱平衡法計算內圍護結構傳熱，忽略傳熱過程對時段內房間溫度的影響。假定布置溫控的房間溫度恒定，基于能量守恒原理、質量守恒定理、動量守恒定理以及傅里葉定理，列出熱傳導控制方程，一般形式如下式：

考慮合肥地區夏季平均溫度為21～29℃，選取墻體初始溫度22℃，進行模擬計算。為探究夏季墻體溫度變化趨勢，分別模擬夏季夏至日鄰室采取制冷和不采取制冷兩種工況下，計算外墻溫度循環變化2天內室內墻面平均溫度、三面交接處溫度、地板平均溫度以及外墻內表面平均溫度，計算結果如圖3、4所示。從圖中可看出，鄰室不采取制冷工況下，外墻內表面溫度和交接點溫度隨時間上升趨勢接近且上升速度快過底板和室內墻面溫度，每5h約上升0.5℃，底板平均溫度無明顯上升趨勢，室內墻面平均溫度介于兩者之間。鄰室采取制冷后，外墻內表面平均溫度相比上述工況未發生明顯變化，交界面平均溫度和室內墻面平均溫度上升趨勢明顯放緩，底板平均溫度則呈下降趨勢。

圖3 夏季鄰室不采取制冷時溫度變化曲線

圖4 夏季鄰室采取制冷時溫度變化曲線

考慮合肥地區冬季平均溫度為2～11℃，選取墻體初始溫度4℃，進行模擬計算。為探究冬季墻體溫度變化趨勢，分別模擬冬季冬至日鄰室采取制冷和不采取制冷兩種工況下，計算外墻溫度循環變化2天內室內墻面平均溫度、三面交接處溫度、地板平均溫度以及外墻內表面平均溫度，計算結果如圖5、6所示。在鄰室不采取供暖工況下，外墻內表面平均溫度和交界面平均溫度下降趨勢明顯，每5h約下降0.1℃，底板平均溫度無明顯變化，室內墻面平均溫度介于兩者之間。鄰室采取供暖設備后，外墻內表面平均溫度維持在初始溫度幾乎未發生變動，而室內墻面平均溫度、交界面平均溫度、底板平均溫度則變成隨時間上升趨勢。底板溫度上升趨勢最明顯，在接近16℃后上升趨勢逐漸放緩。

圖5 冬季鄰室采用供暖設備時溫度變化曲線

圖6 冬季鄰室不采用供暖設備時溫度變化曲線

夏冬兩季鄰室采用溫控設備與不采用溫控設備工況下2天后，室內墻面、底板、外墻內表面以及三面交接點平均溫度如表2。室內墻面平均溫度在冬季鄰室供暖時比鄰室不供暖時高6.8℃，而在夏季只低了1.2℃。

4種工況下2d后平均溫度（單位：℃） 表2

根據合肥地區典型墻體結構的鄰室傳熱數值模擬的結果，分析得出如下結論。

①相比夏季鄰室不采取制冷的工況，夏季鄰室采取制冷后能夠放緩底板、內墻的平均溫度上升趨勢。對底板平均溫度變化影響更為顯著，鄰室制冷工況下底板平均溫度比鄰室不制冷工況下降約3℃。

②相比冬季鄰室不采取供暖的工況，冬季鄰室采取供暖后室內墻面、底板、外墻內表面以及交接點平均溫度變化趨勢由下降變為上升趨勢。對底板平均溫度變化影響最顯著；鄰室供暖工況下底板平均溫度比鄰室不供暖工況上升約12℃，室內墻面平均溫度比鄰室不供暖時高6.8℃。

③冬季鄰室采取供暖對室內墻面平均溫度影響較大，后續將更進一步的研究對于室溫的影響。

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圖4 全預制“L型”剪力墻平互扣養護示意

本文主要對預制裝配式剪力墻結構設計中豎向鋼筋和水平鋼筋連接進行了分析，對若干問題進行了探討，并提出了今后預制結構的一些設計思路。現階段而言，國家出臺的一系列相關刺激政策都有利于裝配式建筑的發展，行業發展的熱點都集中在預制裝配式混凝土剪力墻住宅，對于框架結構以及大型公建項目涉及很少，這無法支撐整個裝配式建筑行業的有效發展；另外，國內裝配式剪力墻住宅預制構件大多采用豎向鋼筋套筒灌漿連接，邊緣構件現澆處理技術，對于其它技術體系的研究甚少，應進一步加強研究。

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TU761.1+1

A

1007-7359（2016）05-0228-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.082

胡宗斌（1969-），男，安徽含山人，畢業于合肥工業大學，高級工程師，國家注冊監理工程師，國家注冊一級建造師，主要從事建設工程質量監督、檢測管理工作。