不同外墻保溫體系框架柱熱橋二維非穩態傳熱比較

汪越　桑曉景

摘 要：文章將廢玻璃再生輕石制成的保溫砌塊或保溫墻板作為構造層加入外墻保溫體系中，以混凝土框架柱熱橋為研究對象，選取武漢地區冬季典型日的氣象數據，采用二維非穩態傳熱理論，通過有限元分析軟件ANSYS對框架柱熱橋處墻體內表面溫度隨時間變化的規律進行模擬分析，從而對該種保溫材料用于外墻保溫體系中的適用性給予科學經濟的評價，并為相關的建筑節能計算提供參考。

關鍵詞：廢玻璃再生輕石；墻體保溫；熱橋；傳熱

伴隨著經濟的快速增長，能源危機日益凸顯，而建筑能耗約占全社會商品能耗的30%，而建筑耗熱中，熱橋耗熱已經占到總能耗的20%左右，因此，對于熱橋處的熱量損失規律的研究具有重要意義。

玻璃使用范圍廣，損耗多，若丟棄的廢玻璃不能有效地回收利用，不僅浪費資源，還將對環境造成污染，因此，加強對廢玻璃的回收再利用意義重大。日本公司已經形成了廢玻璃回收再處理的生產線，可將其轉化為再生輕石材料，具有保溫、隔熱等特性，經其制作成的保溫墻板和砌塊對于優化建筑節能有重要作用。文章將廢玻璃再生輕石材料制成的保溫砌塊和墻板作為保溫構造層加入外墻保溫體系中，以武漢地區冬季典型日氣候作為數據依托，研究該保溫材料在建筑外墻保溫體系中的適用性。

1 框架柱熱橋二維非穩態傳熱過程

實際工程中建筑圍護結構的傳熱涉及到多方面的復雜影響，會受到室外空氣溫度、太陽輻射強度等外部條件和室內空氣調節設備引起的溫度變化的影響。這表明，圍護結構的熱流量、溫度隨時間會發生變化，即發生非穩態傳熱過程。目前，一些節能標準中也提出，建筑物的采暖空調負荷計算、全年能耗計算和自身的節能性好壞，都必須通過動態計算方法，即考慮建筑圍護結構的非穩態傳熱問題。

研究表明，當墻體的高度達到厚度的10倍以上時，在垂直方向的溫度場可以近似看作為恒定不變，物體傳熱過程可以用二維傳熱理論進行分析。根據文獻中試驗測試與溫度場模擬結果可知，溫度等溫線彎曲比較明顯的范圍，即側向散熱的影響范圍大約為墻厚的1.5～2倍。文章在研究混凝土框架柱熱橋的溫度場和熱流密度分布時，建立模型時，取柱邊向兩邊各延伸長度大于墻體的2倍，即0.6m。

1混合砂漿；2混凝土空心砌塊； 1混合砂漿；2玻璃輕石砌塊；

3水泥砂漿；4混凝土柱 3水泥砂漿；4混凝土柱

（a）無保溫 （b）玻璃輕石砌塊自保溫

1混合砂漿；2玻璃輕石保溫板； 1混合砂漿；2混凝土空心砌塊；

3水泥砂漿；4混凝土空心砌塊； 3水泥砂漿；4玻璃輕石保溫板；

5水泥砂漿；6混凝土柱 5水泥砂漿；6混凝土柱

文章以圍護結構中的框架柱熱橋為例進行研究，四種保溫形式下的框架柱熱橋構造圖如上圖1所示，墻體材料的熱物性指標見表1。

在采用ANSYS對框架柱熱橋進行模擬分析時，選取平面四邊形單元PLANE55并進行網格劃分，因模擬部位形狀簡單規則，采用四邊形網格進行網格劃分。模擬分析時墻體內、外墻面的表面對流換熱系數分別取8.7W/（m2·K）和23 W/（m2·K）。

在室內一側設有采暖空調系統，取理想條件下的情況，即室溫保持恒定，=18℃，室內空氣相對濕度取60%，算得室內空氣露點溫度為10.1℃；室外大氣綜合溫度參照相關文獻資料取武漢地區冬季典型日的氣象數據，其中最高溫度=1.2℃，最低溫度=-2.7℃，將室外空氣溫度處理為正弦曲線，用公式1和2表示：

（1）

（2）

其中，為室外空氣溫度，℃；為時間，h。

2 不同保溫形式熱橋柱的溫度變化規律

圖2對四種保溫形式下框架柱熱橋在室內一側墻角處的溫度隨時間變化曲線進行了對比。由圖知，無保溫和自保溫形式的墻角處內表面溫度波動幅度相似，內保溫和外保溫形式相近，但內保溫的溫度波動幅度更大。

圖3對四種保溫形式下框架柱熱橋在室內一側墻體主體部位的內表面溫度隨時間變化規律進行了描繪。可知，無保溫形式的墻體內表面溫度最低，且波動幅度較大，而內保溫和外保溫形式對熱橋部位主體墻體的內表面溫度的變化影響幾乎一致，自保溫形式溫度波動幅度很小，幾乎保持為直線型。

綜上，采用外保溫和自保溫的外墻保溫體系，墻體內表面溫度變化趨勢更穩定，可以減弱熱橋部位各構造層的熱應力，不宜造成結構損壞，也使居住環境更舒適。

3 保溫板厚度不同對熱橋柱溫度變化的影響

選取內保溫和外保溫兩種外墻保溫形式，保持墻體其他構造層不變，玻璃輕石保溫板的厚度依次取20mm、40mm、60mm和80mm，以此比較保溫層厚度不同時這兩種保溫形式熱橋部位墻體內表面溫度的變化，選取墻角處和墻體主體部位兩個位置的內表面溫度進行比較。

3.1 墻角處內表面溫度

圖4和圖5描繪了不同保溫板厚度時，內保溫和外保溫兩種保溫形式下熱橋部位內墻角溫度隨時間的變化曲線。由圖知，這兩種保溫形式中熱橋部位墻角處溫度波動趨勢是相似，但內保溫波動幅度更大，外保溫波動幅度較小，且隨著保溫板厚度增加，熱橋部位墻角處的溫度也隨之升高。在室外溫度較低時，墻角內表面溫度隨保溫板厚度增加變化較大，外保溫比內保溫形式變化幅度更大；在室外溫度較高時，保溫板厚度的增加影響溫度的改變較小，故外保溫保溫板厚度的改變對熱橋部位墻角處的溫度影響比內保溫更大一些。

3.2 墻體主體部位內表面溫度

圖6和圖7表示采用用不同厚度的保溫板時，內保溫和外保溫兩種保溫形式下熱橋部位室內一側主體墻體內表面溫度隨時間的變化曲線。由圖知，兩種保溫形式下，內表面溫度曲線變化趨勢和幅度相似，而且隨著保溫板厚度的增加，主體墻體內表面的最低溫度逐漸增大，最高溫度保持一致。保溫板厚度的改變對熱橋部位墻體主體部位內表面溫度的影響，內保溫形式和外保溫形式相差不大，不存在明顯的優劣。

4 結語

文章采用ANSYS對武漢地區冬季氣候條件下的不同保溫體系中的框架柱熱橋進行了模擬分析，結論如下：

（1）采用外墻自保溫形式時，熱橋部位各位置處的溫度波動幅度都很小，墻角處的溫度變化幅度相對大一些，表明室內溫度波動不大，居住較舒適；采用內保溫形式時，熱橋部位各位置處的溫度波動相對于自保溫要大一些；而采用外保溫形式時，熱橋部位墻角處和主體墻體表面溫度的波動幅度都很小，對結構最有利，使得居住環境也更舒適。

（2）采用外墻內保溫形式時，保溫板厚度的改變對墻角處溫度的影響不大，對墻體主體部位溫度影響較大，表明并不是保溫板越厚，保溫效果越好；外墻外保溫形式，保溫板厚度改變對墻角處和主體墻體溫度影響都很大，應該選取合適的保溫板厚度。

參考文獻

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作者簡介：汪越（1988- ），女，碩士研究生；桑曉景（1989- ），女。