空調(diào)供暖工況下混凝土懸挑梁熱橋效應實驗研究

程海峰 ，丁增惠 ，張舉

(1.安徽建筑大學建筑能效控制與評估教育部工程研究中心，安徽 合肥 230022；2.智能建筑與建筑節(jié)能安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230022)

0 引言

熱橋是建筑結構的局部區(qū)域，其熱阻通常低于臨近部位，造成的損失可高達30%[1]，對室內(nèi)環(huán)境和額外熱交換影響很大[2]。建筑設計中通常采用保溫方法減少熱損失，1992年洪家棟[3]提出用保溫的方式對住宅中典型熱橋節(jié)點部位做處理，研究表明內(nèi)保溫方式的熱橋傳熱是外保溫的2倍[4]，而自保溫方式的熱橋影響范圍內(nèi)失熱量最大[5]。由于正常部位的圍護結構也會受到熱橋的影響，可用溫差比劃分出常見的6種熱橋影響區(qū)域[6]以估算圍護結構熱損失。田慧峰[7]、戴召斌[8]、賈殿鑫[9]和熊明非[10]運用FLUENT與ANSYS軟件對熱橋影響范圍進行了模擬計算，圈梁形成的熱橋影響范圍是距兩邊0.13 m。對于熱橋部位傳熱研究，謝曉娜[11]提出了等效平板法計算精確度較高，譚偉[12]和閆增峰[13]通過測試實驗分析得出，相對一維簡化計算方法而言PTDA與ANSYS模擬計算更準確。壽先方[14]利用軟件模擬與實驗對比分析了建筑傳熱過程并進行理論分析與計算。建筑物圍護結構因大量的混凝土柱、梁等導致熱橋加劇，劉鵬飛[15]根據(jù)建筑物不同的混凝土柱，用軟件模擬分析出混凝土柱聚苯板外保溫經(jīng)濟厚度。

國外學者在檢測熱橋及熱橋對建筑物的影響與改善做了較多研究，F(xiàn)rancesco Asdrubali[16]通過熱成像測量和定量分析，可以確定熱橋效應與內(nèi)部空氣溫度和內(nèi)部壁面溫度有關。Sofia Real[17]通過實驗和Therm、EnergyPlus模擬軟件比較五種不同的混凝土混合物，證明結構輕骨料混凝土(SLWAC)符合降低熱橋效應以及提高建筑物能源效率。Fabrizio Ascione[18]根據(jù)三種不同模型分析屋頂不同結構代表的熱橋，并動態(tài)模擬比較季節(jié)性能源消耗方面的結果。Samer Taoum[19]通過KA有限元和SA流動法分析二維、三維熱橋傳熱，計算平穩(wěn)溫度場。Theodoros G.Theodosiou[20]得出點狀熱橋大小甚至可以比線性熱橋的影響高出200%的重要結論。I.Garrido[21]介紹一種分析方法，用在建筑物的熱成像圖像中自動檢測熱橋。

可以看出，國內(nèi)外學者主要研究了圍護結構熱橋的熱效應及傳熱性能，對于穿越圍護結構墻體的鋼筋混凝土連續(xù)懸挑梁的熱橋效應的研究相對較少。本文以合肥市某高校實驗樓為研究對象，采用實驗及數(shù)值模擬相結合的方法，探索鋼筋混凝土連續(xù)懸挑梁的傳熱特征以及在圍護結構中的熱橋效應，分析熱橋對鋼筋混凝土連續(xù)懸挑梁的影響，以期為該地區(qū)的建筑節(jié)能設計提出參考。

1 物理模型

實驗物理模型的基本參數(shù):房間尺寸為長6600 mm、寬 6200 mm、高 3300 mm，見圖1；圍護結構墻體主要是實心粘土磚(240 mm+120 mm)及雙面抹灰(20 mm)，總厚度為400 mm，見圖2；門寬1000 mm、高 2000 mm；兩側窗戶對稱均為長2400 mm，寬2000 mm，室內(nèi)連續(xù)梁為寬250 mm，高550 mm，長6200 mm；混凝土懸挑梁懸挑寬度為250 mm，懸挑長度為1850 mm。實驗構造中各材料熱物性參數(shù)如下表1。

圖1 物理模型圖

圖2 墻體構造圖

表1 實驗構造中各材料的熱物性參數(shù)

2 實驗概述

2.1 測點布置

在布置測點前，為了區(qū)分不同測點所測的位置，將測點進行編號，測點布置圖如圖3、圖4。

圖3 測點布置示意圖

圖4 測點現(xiàn)場布置圖

(1)懸挑梁室外壁面溫度測點布置T19

(2)室內(nèi)空氣溫度測點布置T20

(3)走廊空氣溫度測點布置T21

(4)其他測點布置(如圖3所示)

T01—T06測點位于懸挑梁的正中，T03測點距墻體內(nèi)壁面 5 cm，T03、T02和 T02、T01測點間距均為88 cm，T04測點距墻體外壁面為5 cm，T04、T05和T05、T06測點間距均為88 cm。圍護結構墻體上T10、T11、T16、T17測點距懸挑梁為5 cm，T07—T10測點間距均為 15 cm，T11—T14測點間距均為15 cm，T15、T16和T17、T18測點間距均為30 cm。

T01—T07，T09、T12、T14 等測點深度均為13 cm，各測點用保溫材料石棉貼實，距屋頂25 cm。T08、T10、T11、T13、T15—T18 等測點布置在去掉水泥砂漿后的實心粘土磚上。懸挑梁敞沿圖1x軸方向的剖面圖如圖5所示。

圖5 圖1x軸方向梁剖面示意圖

2.2 實驗步驟

(1)實驗時間為2018年1月9日到2018年1月12日共4天連續(xù)96小時。為做最不利工況下的熱橋實驗研究，測試時間段內(nèi)室內(nèi)空氣溫度穩(wěn)定為30℃，室外工況為自然環(huán)境，最高溫度6℃，最低溫度2℃。

(2)測溫采用熱電偶，根據(jù)圖示測點埋入墻體和梁內(nèi)及表面。

(3)測量結果由JTDL—80溫度與熱流動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄，設置儀器記錄時間間隔為10 min。

(4)測試前一天，即2018年1月8日，將空調(diào)開啟至實驗需要達到的溫度并將門窗緊閉，使室內(nèi)環(huán)境基本處于穩(wěn)定。

3 數(shù)據(jù)分析

為確保實驗數(shù)據(jù)的精確性與典型性，減少太陽輻射熱對測試點的影響，本文截取了夜間10點到第二天早上7點共9個小時的實驗數(shù)據(jù)用于結果分析。以下圖6—圖9是連續(xù)多天典型工況下的數(shù)據(jù)分析圖。

3.1 典型工況數(shù)據(jù)分析

圖6 典型工況梁上測點溫度

圖7 典型工況零點梁上測點溫度

圖6、7是跨越圍護結構墻體的連續(xù)梁在典型工況下各測點在從室內(nèi)到室外的溫度變化過程，溫度總體呈下降趨勢。由圖可知連續(xù)梁室內(nèi)側的測點T1—T2溫差0.5℃，溫度基本無波動。T2—T3溫差為4.6℃，溫降幅度增大，室內(nèi)側出現(xiàn)較大的熱橋效應，離圍護結構墻體一定距離的某一點出現(xiàn)溫度拐點。跨越圍護結構墻體兩側T3—T4溫度陡降，兩點溫差為6.3℃，產(chǎn)生明顯的熱橋。混凝土懸挑梁上T4—T5溫差為1.8℃，跨越圍護結構墻體的連續(xù)梁在室外接近墻體的某一點處出現(xiàn)溫度拐點，拐點之間溫降約占全部溫降的79%。T5—T6溫差為0.9℃，T4—T6溫度變化幅度緩慢趨于持平，總溫差為2.7℃。T6與走廊空氣溫度一致，熱傳遞趨于平衡。T6與T19溫差為6.3℃，相當于走廊空氣溫度與室外溫差。T1—T6溫差約15℃，T1與T19溫差約23℃。拐點位置與鋼筋混凝土熱工性能及室內(nèi)外溫差密切相關，拐點兩側空氣溫度與連續(xù)梁內(nèi)部溫度相差不大。因鋼筋混凝土導熱系數(shù)較大，有較好的熱傳導性，故跨越圍護結構墻體的連續(xù)梁出現(xiàn)明顯溫差，熱橋效應明顯。魏艷萍等[22]在研究混凝土結構熱橋部位過程中也發(fā)現(xiàn)起承重作用的鋼筋混凝土部位熱阻小，傳熱能力強。

圖8 典型工況墻內(nèi)外壁面測點溫度

圖9 典型工況零點墻內(nèi)外壁面測點溫度

圖8、圖9是墻體內(nèi)外壁面測點在典型工況下T7—T18的溫度變化。墻體內(nèi)外壁面上有四組對比實驗，分別為 T07、T08、T15；T09、T10、T16；T11、T12、T17；T13、T14、T18。 T07—T14 溫 度 為14.6℃—16℃，溫差1.4℃，溫度波動不大基本無變化；T15—T18溫度為19.7℃—20.5℃，溫差0.8℃，溫度波動基本持平。四組對比實驗測量結果相近。墻內(nèi)外壁面溫差約為5℃。

以上可說明連續(xù)梁室內(nèi)外溫度遞減趨勢遠大于圍護結構墻體內(nèi)外壁面溫度遞減趨勢，熱橋效應影響明顯，同一時刻熱量傳遞從室內(nèi)到室外沿連續(xù)梁呈線性關系。

3.2 數(shù)據(jù)擬合

固定時間，在典型工況下各測點的位置與溫度之間的關系:

圖10 零點時刻典型工況梁上測點

圖11 零點時刻典型工況墻外壁面測點

圖12 零點時刻典型工況墻內(nèi)壁面測點

在典型工況下零點時刻，熱量傳遞從室內(nèi)到室外沿連續(xù)梁呈線性關系(如圖10)，R2=0.9043，相關性良好，擬合方程變化形式為y=ax+b。y為溫度，℃；x為位置，m。如圖11、圖12所示，當室內(nèi)環(huán)境趨于穩(wěn)定時，墻體內(nèi)壁面各測點最大溫差為0.8℃，墻體外壁面各測點除T09，T12外最大溫差為0.7℃，與連續(xù)梁相連的墻體內(nèi)外壁面溫度基本無變化。T09，T12誤差點偏離過大可能是因為熱電偶與墻壁貼合不緊密，保溫石棉未填實，有空氣滲透導致。

4 圍護結構與熱橋部位的熱損失對比

設單一材料的平壁內(nèi)外溫度分布均勻，無內(nèi)熱源。因為圍護結構墻體的高和寬相對于厚度來說，遠大于其厚度的10倍以上，可將墻體看作是無限大平壁，溫度梯度在寬度和高度上衰減過程變化很小，在厚度方向上變化明顯，所以墻體的傳熱過程可近似視為一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程。熱流密度表達式:

式中:tf1-平壁內(nèi)壁面溫度，℃；

tf2—平壁外壁面溫度，℃；

Ri—內(nèi)表面換熱阻，m2·K/W；

Re—外表面換熱阻，m2·K/W；

σ—平壁厚度，m；

λ—平壁導熱系數(shù)，W/m·K。

圍護結構單位面積的熱損失，即通過墻體傳熱過程的熱流密度q1為7.9 W/m2。熱橋節(jié)點處單位面積的熱損失，即通過熱橋節(jié)點傳熱過程的熱流密度q2為21.7 W/m2，懸挑梁也可近似看作是一維穩(wěn)態(tài)傳熱。懸挑梁的傳熱是通過鋼筋混凝土傳熱，是固體傳熱，與空氣之間的對流換熱可不計算。

單位面積的熱流密度即熱損失量，鋼筋混凝土熱橋的熱損失量大約是圍護結構外墻的3倍，熱橋部位熱損明顯增加。

5 數(shù)值模擬

采用ANSYS有限元分析軟件模擬混凝土懸挑梁內(nèi)部及墻體內(nèi)外壁面溫度變化。模型為k-epsilon湍流模型，邊界條件:室內(nèi)空氣溫度29℃，室外走廊空氣溫度11℃，室內(nèi)外空氣對流換熱。為提高模擬精確度，應確保每個平面至少劃分3個網(wǎng)格。網(wǎng)劃分如圖13所示，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)15萬，網(wǎng)格總數(shù)87萬。

圖13 網(wǎng)格劃分示意圖

圖14 冬季室內(nèi)空氣流線圖

圖15 冬季混凝土梁溫度場云圖

如圖14、圖15所示。室內(nèi)側連續(xù)梁與墻體交界處的顏色是由紅色(20.85℃)變成綠色(14.85℃)到藍色(12.7℃)，溫度逐漸降低，此處溫度是室內(nèi)連續(xù)梁平均溫度最低的地方。相對梁上其他部位，此處熱損失最大，為20.8 W/m2。

圖16 冬季外墻溫度場云圖

圖17 冬季內(nèi)墻溫度場云圖

由圖16、圖17可知，外墻墻角溫度(11℃)最低。內(nèi)墻墻角除渦流區(qū)外，其余墻角溫度(11.9℃)最低。墻體內(nèi)表面溫度比外表面溫度高，隨著離墻角距離的增大溫度逐漸升高。

從模擬可以看出，熱流密度最大的地方是鋼筋混凝土梁與墻體的銜接處，內(nèi)墻角和外墻角，熱橋處熱損最嚴重。ANSYS有限元法模擬結果與實驗結果高度吻合。

6 結論

(1)跨越圍護結構墻體的連續(xù)梁在室內(nèi)外接近墻體的某一點處出現(xiàn)溫度拐點。拐點之間溫降約占全部溫降的79%，產(chǎn)生明顯的熱橋。

(2)拐點兩側空氣溫度與連續(xù)梁內(nèi)部溫度相差不大，連續(xù)梁內(nèi)部溫度呈平緩的線性變化，實測中拐點處與空氣溫度相差不超過1℃。

(3)當室內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定時，與連續(xù)梁相連的墻體內(nèi)外壁面溫度基本無變化。

(4)同一時刻熱量傳遞從室內(nèi)到室外沿連續(xù)梁呈折線線性關系，擬合方程變化形式為y=ax+b。y為溫度，℃；x為位置，m。

(5)實驗工況下，鋼筋混凝土懸挑梁失熱量約為圍護結構外墻的3倍。

(6)ANSYS有限元法模擬結果與實驗結果高度吻合。

本文對熱橋實驗研究的結果為建筑節(jié)能設計提供一定的參考價值，同時還有一些不足，實驗只考慮在室內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定工況下，室外單一變量溫度對實驗結果的影響，未充分考慮室內(nèi)溫度場對混凝土梁的影響，今后還可以在此方向做更深入的研究。