自保溫承重混凝土多孔磚墻體熱橋部位的數(shù)值模擬研究

李明 劉傳卿

（1.中國(guó)建筑工業(yè)出版社 北京 100037 2.山東省建筑科學(xué)研究院 山東濟(jì)南 250031）

引言

熱橋部位是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中傳熱量大、熱流密集、內(nèi)表面溫度較低的部分。在室外較為寒冷的情況下，會(huì)直接影響砌體建筑物的節(jié)能效果[1]，對(duì)熱橋部位的傳熱情況進(jìn)行分析是十分必要的。本文以自保溫承重混凝土多孔磚為分析對(duì)象[2]，對(duì)熱橋部位開(kāi)展了溫度場(chǎng)分布及結(jié)露分析，所得成果可為節(jié)能設(shè)計(jì)提供參考。

目前我國(guó)相關(guān)規(guī)范對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱分析是基于一維傳熱模型開(kāi)展的，這一方法對(duì)造型簡(jiǎn)單、單一的墻體較為適用。然而，隨著大量新型節(jié)能墻材的推廣應(yīng)用，造型復(fù)雜的節(jié)能墻材層出不窮，簡(jiǎn)單的一維傳熱模型已無(wú)法滿足這類(lèi)新型墻材傳熱分析的精度需要。基于新型墻材的造型特點(diǎn)，建立二維傳熱模型開(kāi)展相關(guān)分析是解決上述問(wèn)題的重要手段之一。

本文以一種新型的節(jié)能墻材——自保溫承重混凝土多孔磚為分析對(duì)象，針對(duì)砌體建筑物中四種不同的常見(jiàn)熱橋部位建立二維傳熱分析模型，并對(duì)其溫度場(chǎng)分布及傳熱規(guī)律開(kāi)展深入研究，分析不同熱橋部位的結(jié)露狀況，研究成果可為該新型節(jié)能墻材建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展提供借鑒及參考。

本文建立的傳熱模型基于以下假設(shè)：①自保溫墻體材料為常物性；②自保溫墻體的冷端、熱端與環(huán)境之間的傳熱設(shè)定為第三類(lèi)熱邊界條件；③自保溫墻體遠(yuǎn)端的斷截面處于動(dòng)態(tài)熱平衡狀態(tài)，相互傳遞的凈熱流為零，其截面設(shè)定為第二類(lèi)熱邊界條件（絕熱邊界條件）。

由于實(shí)際磚體中，XPS板的兩側(cè)邊緣具有復(fù)雜的燕尾型卡槽，因此在建立數(shù)值分析模型過(guò)程中，完全按照磚體的實(shí)際造型建立二維有限元模型是不必要的，而且會(huì)導(dǎo)致計(jì)算效率低下，因此應(yīng)建立合理的簡(jiǎn)化模型。其中一種為多孔磚的精細(xì)化有限元分析模型，該模型針對(duì)原磚體開(kāi)展了初步的簡(jiǎn)化，將孔洞的圓角轉(zhuǎn)為直角，燕尾槽處的XPS板兩側(cè)邊緣進(jìn)行了輕微的調(diào)整，這一措施保證了精細(xì)模型與原磚體的等效。另一種為多孔磚的深度簡(jiǎn)化模型，XPS板兩側(cè)的燕尾槽造型直接改為矩形狀，較為明顯的簡(jiǎn)化了數(shù)值模型。

1 溫度場(chǎng)分布

由溫度場(chǎng)分布云圖可得，等溫線在XPS保溫板處十分密集，說(shuō)明保溫材料傳熱系數(shù)較小，溫度梯度較大，自保溫多孔磚中內(nèi)嵌的XPS保溫板起到了一定的隔熱作用。圖1為陰角熱橋部位的溫度值隨不同路徑的變化曲線。由溫度值隨不同路徑的變化曲線對(duì)比可得，陰角熱橋部位的保溫效果良好，其路徑1（熱橋部位）的溫度值略高于路徑2（墻體厚度方向）的溫度值，這是由于在陰角熱橋部位，自保溫多孔磚的特殊造型保證了陰角熱橋處混凝土構(gòu)造柱存在兩個(gè)表面受到XPS保溫板的包裹，該構(gòu)造措施明顯的提高了陰角熱橋的熱阻，更有效地阻隔了熱量的傳遞。

2 結(jié)露分析

本節(jié)針對(duì)四種熱橋部位的結(jié)露情況開(kāi)展分析。依據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》可得，濟(jì)南全年出現(xiàn)的最低極限溫度為-14.9℃。為闡明外圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體內(nèi)壁面結(jié)露的臨界溫度，室外溫度自0℃取至-20℃，每相隔2℃即針對(duì)不同熱橋部位開(kāi)展溫度場(chǎng)傳熱分析。圖2為不同熱橋部位最低內(nèi)壁溫度隨室外溫度的變化曲線。由圖可得，不同熱橋部位的最低內(nèi)壁溫度隨室外溫度的降低而呈現(xiàn)線性遞減的變化趨勢(shì)，其中丁字型熱橋部位的室內(nèi)壁最低溫度最低，陰角熱橋部位的室內(nèi)壁最低溫度相對(duì)較高。選取相對(duì)濕度為60%，依據(jù)濕空氣焓濕圖可得，室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度為10℃。由圖可得，當(dāng)室外溫度不低于-18℃時(shí)，采用自保溫承重混凝土多孔磚作為外圍護(hù)墻材，即可保證建筑物中常見(jiàn)的四種熱橋部位均不會(huì)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。

圖1 陰角熱橋部位溫度值隨路徑的變化曲線

圖2 不同熱橋部位最低內(nèi)壁溫度隨室外溫度的變化曲線

3 結(jié)論

本文以自保溫承重混凝土多孔磚為墻體基材，針對(duì)熱橋部位開(kāi)展了傳熱數(shù)值分析，得到了以下結(jié)論：

（1）在不同的熱橋部位中，等溫線在XPS保溫板處十分密集，溫度梯度較大；經(jīng)對(duì)比分析可得，陰角熱橋部位的保溫效果最好。

（2）經(jīng)變參分析可得，以自保溫承重混凝土多孔磚砌筑的建筑物，當(dāng)室外溫度不低于-18℃時(shí)，本文分析的四種熱橋部位均不會(huì)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。

[1]郁文紅，楊 昭.采暖居住建筑節(jié)能改造熱工性能分析[J].節(jié)能，2005（4）：49～51.

[2]邢國(guó)起.一種新型保溫混凝土多孔磚的研究[J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，10（1）：29～31.