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自保温体系外墙中柱热桥影响区域分析

2024-01-22 来源:东饰资讯网
2015年第4期(总第43卷第290期) doi:10.3969 ̄.issn.1673—7237.2015.04.012 建筑节能 ■保温隔热与材料 自保温体系外墙中柱热桥影响区域分析术 戴绍斌, 倪青荣, 马保国, 黄(武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉俊 430070) 摘要: 利用有限元软件ANSYS对加气混凝土砌块自保温体系的外墙中柱热桥进行了二维稳态数值 分析,通过改变热桥柱外附保温层厚度、热桥柱尺寸及加气混凝土砌块类型,确定不同情况下 外墙中柱的热桥影响区域,并对热桥影响区域内的热损显著程度进行了定量分析。研究表明, 外墙中柱的热桥影响区域大小与外附保温层厚度有关,基本不受柱尺寸及墙体材料变化的影 响,在保温层厚度不小于20 mm时,热桥影响区域为柱侧200 mlTl左右,且该区域内附加热流 量占热桥引起的附加热流总量的比例可高达30%以上,热桥影响区域内热损较为显著。 关键词: 二维稳态分析; 自保温体系; 热桥影响区域; 热流损失 中图分类号:TU1l1.4 文献标志码: A 文章编号: 1673.7237(2015)04.0049—05 Analysis of the Influencing Zone of Thermal Bridge about the Middle Column in External WalI of Self—Insulation System DA,5 ∞一bin,NI Qing-rong,MA Bao-guo,HUANG Jun (School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China) Abstract:The thermal bridge about the middle column in seIf-insulation system of aerated concrete is studied by ANSYS with two—dimensional steady sttae mode1.The inluencifng zone of the thermal bridge is researched by changing the thickness of isulnation layer,column size and block type;simuhaneously,the signiicof2zce level about the heat consumption of the inluencifng zone is analyzed in diferent conditions. he rTesults show that the inluencifng zone is only reltaed to insultiaon layer changing.When the thickness fionsultiaon layer is not less than 20,n the inluencifng zone ofmiddle column is about 200 mm on el- ther side of the column,and where the proportion of heat loss cont ̄ned in the additional heat loss from the thermal bridge can reach more than 30%.Therefore,the thermal heat dissipationfrom the inluencifng zone is signiifcant. Keywords:WO—dimensional stable heat conduction;self-insulation system;influencing zone of ther— mal bridge;heat loss 0 引言 在我国,建筑能耗是社会总能耗的重要组成部分, 影响人们居住环境品质。在夏热冬冷地区,自保温体 系因围护结构墙体材料导热系数不断减小,由热桥引 起的附加热流损失占建筑能耗的比例逐渐增大 ,有研 究表明,热桥引起的能耗损失可达20%【5J。因此,对于 比例已占到27.6%[”,其中,建筑围护结构的传热损失 占建筑总能耗的57%~77%,通过外墙传热损失的热量 约为30%-45%左右 ],可见由外墙损失的热量占建 筑能耗的比例较大。为提高墙体保温性能,墙体所用 材料的导热系数越来越低,导致墙体热桥效应显著,热 热桥部位的传热分析具有重要意义。 目前,我国建筑节能计算仍采用一维面积加权法, 而实际上,在传热过程中热桥对附近一定区域内的正 常墙体也有影响,这部分区域被称为热桥影响区域[63。 已有很多学者通过稳态或非稳态的方法对热桥[7_1 ]进 桥的存在不仅会增大外墙平均传热系数,增加建筑能 耗,若处理不当,可能导致墙体内表面发生结露现象, 收稿日期:2014.09—22;修回日期:2014.11-07 行了大量分析研究,但对热桥影响区域[12-15】的分析较 基金项目:国家科技支撑计划项目(2Ol1BAJ03B03);武汉市科技计划 少,且多集中在热桥无保温处理的情况,并且无关于 该区域内热损情况的定量分析,本文针对这一现象, I 49 项目(201407O50402O242);武汉市城建科研项目(201213) 戴绍斌,等:自保温体系外墙中柱热桥影响区域分析 从不同热桥形式、不同墙体材料等方面对热桥影响区 域进行了更加全面的分析。 桥局部保温层厚度(h)、热桥柱尺寸(L、B)及外墙加气 混凝土砌块种类,研究外墙中柱的热桥影响区域及该 区域内的热损显著程度。 y 1 热桥模型 1.1数学模型 本文采用二维稳态传热模型: 粤Ox+ =a o 体如下: 墙体内表面: 一(、 1) 团自保温墙体囱钢筋混凝土柱函无机保温砂浆 图1外墙中柱热桥的计算模型 Fig.1 The analysis model ofthe middle column in external wall 围护结构热桥部位传热满足第三类边界条件,具 超轻质加气混凝土砌块及其配套砌筑砂浆由武 A I : = 。( 一t ) d (2) 汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室研制,材 墙体外表面: 一’ (3) o 料热工性能见表1,不同的分析模型见表2。 表1热桥部位材料热工性能 Table 1 The thermal pr0Derties ofthermal bridge A I 啵2(tw2-t ̄) 式中:O/ 为墙体内表面的对流换热系数,取8.7 W/(mz・K); Ot:为外墙外表面的 奂热系数,取23.0 w/(m ・K)。 材料名称 钢筋混凝土 B04级超轻质加气混凝土砌块 B05级超轻质加气混凝土砌块 B05级普通加气混凝土砌块 导热系数/[W/(m・K)] 1.740 0 0.108 0 0.140 4 0.170 0 0.185 0 0.070 0 以武汉地区冬季采暖隋况进行分析, 为室内空 气温度,取18℃; 为室外空气温度,取一2℃。 1.2计算模型 本文选取自保温体系外墙中柱这一典型热桥构 B06级普通加气混凝土砌块 无机保温砂浆 水泥砂浆 0.930 0 造作为研究对象,计算模型如图1所示,通过改变热 注:加气混凝土砌块导热系数考虑灰缝及含水率影响。 表2不同分析模型 Table 2 The different nalaysis models 2模拟结果分析 根据图1和表2,利用有限元软件ANSYS计算得 计算得出不同模型的外墙外表面的温度分布如 图2所示。 出不同模型外墙外表面的温度和热流密度分布情况, 进而确定热桥影响区域及该区域内的热损显著程度。 2.1热桥影响区域 根据各模型外表面的温度分布情况,可计算出外 墙中柱在各种情况下的热桥影响区域,图3表示出外 墙中柱一侧热桥影响区域的大小。 外墙外表面任一点P的温差比可定义为: 生 一 由图2可知,对于外墙中柱热桥部位,改变热桥 (4) 柱局部保温层厚度h对热桥影响区域大小的影响 较为明显。当h=0时(即热桥柱局部无保温处理),热 桥影响区域为0.1l m,随着保温层厚度h的加大, 热桥影响区域增大,当h≥20 mm后,区域大小增长 缓慢。 式中: 为外墙外表面任一点P的温度,℃。 外表面正常部位的温差比: 生 幻一 (5) 改变热桥柱宽度B对热桥影响区域大小有影响, 式中:t 为正常部位外表面温度,℃。 外墙外表面的热桥影响区域指区域内各点满足 条件: 1 <0.95 (6) 但影响较小,宽度B从300~700 mill,热桥影响区域 减小0.01 m。 改变墙体加气混凝土砌块的类型,以及热桥柱高 度H对热桥影响区域无影响。 由于“模型②”、“模型③”、“模型④”热桥柱局部保 50 1 戴绍斌,等:自保温体系外墙中柱热桥影响区域分析 0.5 芝0 -o.5 赠 恒 旧 一1.0 电、 一1.5 -2.0 O 0.5 I.0 1.5 2.0 2.5 外墙外表面 /m 外墙外表面 /m (a)模型① (b)模型② 赠 暄 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 外墙外表面 /m (c)模型③ 图2不同模型外墙外表面温度分布图 外墙外表面x/rn (d)模型④ Fig.2 Temperature distribution diagram ofthe outside surface ofwall ofdifferent analysis models 热桥影响区域内热损显著程度可用 表示: 卢 臀 凶 晷 xlO0%(10) 式中:q。为正常部位的热流密度; Z为外表面的总长度; 蜷 蕞 D为热桥影响区域。 计算得出不同模型的外墙外表面的热流密度分 图3外墙中柱热桥影响区域结果对比图 布如图4所示。由图4可以看出,将热桥柱局部保温 Fig.3 The result ofdiferent models’influencing zone ofthermal bridge 层厚度h加大或是增大墙体材料的导热系数,会使外 温层厚度h=30 mm,而所得热桥影响区域与“模型①” 中h=30 inllq时的结果基本相同,故可得出热桥影响 区域主要受热桥柱局部保温性能的影响,与热桥柱尺 墙的最大热流密度出现在热桥影响区域内,甚至可能 在热桥影响区域内一个大约40 nlii1的范围,热流密 度均大于柱实际区域内的平均热流密度,这主要是因 为外墙主体和钢筋混凝土柱两者传热性能差距减小, 寸及墙体材料无关。 2.2热桥影响区域内热损分析 根据二维稳态模拟结果计算总热流量p公式为: f 在两者连接处附近热流将更为密集。 分析得出各模型的热桥影响区域热损显著程度 』B,计算结果如图5所示。由图5可知,对于B04级超 轻质加气混凝土砌块自保温体系外墙中柱热桥,随 Q=J qdx f (7) 热桥引起的附加热流量At? : △Q旷=Q—go。Z 热桥影响区域内附加热流量△p : f 着保温层厚度增加,热桥影响区域内附加热流量明 (8) 显增大。热桥柱高度变化时 无影响,但宽度变化时 变化显著,柱宽度越小,热桥影响区域的热损越显 著。从“模型④”可以看出,墙体材料保温性能越差, mQBex ̄I(g—qo)d. (9) 热桥影响区域的热损越显著。 51 戴绍斌,等:自保温体系外墙中柱热桥影响区域分析 一 《 邑 稍 蕞旧 ∞ ∞ ∞ 加 m 0 静 值 交 0 0.5 1.O 1.5 2.0 2.5 外墙外表Nx/m fa】模型① 外墙外表面 /m fb)模型② 百 芭 ; 船 恒 1。 如 5 加 去 m 热流量占热桥附加热流量的比例较大,可达30%以 上,所以热桥影响区域内的散热问题应引起重视。 参考文献: [1】王慧慧.浅谈我国建筑节能现状及对策研究[J】.现代经济信息,2010 (7):I86-189. 《 [2]李示国,王烨.中国建筑能耗现状及节能措施概述[J]_环境科学与管 理,2008,33(2):6—9. [3]徐春桃.居住建筑外围护结构对室内热环境与建筑能耗的影响[D】. 图5外墙中柱热桥口结果对比图 Fig.5 The result ofdiferent models’口 重庆:重庆大学,2008. [4]陈利群.夏热冬冷地区墙体自保温体系研究[J]l建筑节能,2009,38(4): 12一l4. 3结论 本文以加气混凝土砌块自保温体系为研究对象, [5]i海燕.复合墙体热工特性与能耗分析[D】.哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2007. 利用有限元软件ANSYS对建筑外墙中柱热桥进行了 二维稳态传热分析,得到如下结论: (1)外墙中柱的热桥影响区域基本不受柱尺寸及 【6】任俊.热桥的影响区域【J].暖通空调,2001,31(6):109—1 l1. [7]Adnan A—AnziMoneetKrat.i Local/global analysis oftransient heat trans— fer from buil ̄ng foundations[J].Building and Environment,2004,39(5): 495.504. 外墙材料变化的影响,但柱局部外附保温层厚度变化 时,热桥影响区域变化较为明显,但厚度增加到一定 后变化趋于稳定。 [81A.BenLarbi.Statistical modeling of heat transfer f0r thermal bridges of building[J].Energy and Buildings,2005,37(9):945-951. (2)当热桥外无保温处理时,外墙中柱的热桥影响 区域为柱侧1 10 mnl,当保温层厚度hi>20 mnl时,热 桥影响区域为柱侧200 mill范围左右。 (3)热桥影响区域内热损较为显著。当热桥柱宽度 [9]贾殿鑫.夏热冬冷地区自保温体系典型热桥传热模拟分析及优化[D]. 浙江:浙江大学,2013. [10]南艳丽,冯雅,谷晋川,等.建筑热桥的数值摸拟与试验研究[J].低温建 筑技术,2007(3):1 10 1 l 1. [11】高岩,赵立华,Roux J J.建筑热桥动态附加能耗减秩模型[J].暖通空 调,2004,34(9):15.19. 较小或墙体材料导热系数较大,热桥影响区域内附加 戴绍斌,等:自保温体系外墙中柱热桥影响区域分析 【12】毛伟,文玲红,许建明.单一保温墙体中典型热桥柱的传热影响区域 及其节点优化[J].重庆建筑,201 1,12(10):50—52. 浙江:浙江大学,2013 【13】李魁山,张旭.建筑热桥三维非稳态传热数值模拟分析[J].建筑科学, 2007,23(12):35—38. 作者简介:倪青荣(1989),女,湖北汉川人,主要从事结构工程与建筑 节能的研究(468165392@qq.com)。 [14]田慧峰,曹伟武.建筑热桥三维传热的影响区域数值模拟分析[J].建 筑热能通风空调,201 1,30(2):9-1 1. [15】贾殿鑫.夏热冬冷地区自保温体系典型热桥传热模拟分析及优化[D]. 指导教 ̄Jili(通讯作者):戴绍斌(1965),男,湖北仙桃人,博士,教授,主 要从事结构工程与建筑节能的研究(dsb123@whut.edu_cn)。 (上接第48页) 宅建筑应用太阳能热水系统一体化设计的核心工 作,应以分户集热型为首选,研究以相对成熟、经济 的技术措施来服务不同的住宅建筑,深入分析各种建 3.3.2方案二:改为屋面分户集热系统 根据秦市某回迁房12层住宅楼方案设计,因前 期已方案审批未将壁挂式太阳能纳入立面设计,且回 迁村民对影响立面的意见难以统一,经与厂家研究将 壁挂式分户集热太阳能改为屋顶独立式安装,即将真 空集热板安装于屋面,将屋面真空集热换热并将热水 通过公共管井的分户保温管送至户内,该系统需要加 筑高度、朝向、面积组成、立面形式等情况下系统的 表现形式。 适逢国家颁布新的绿色建筑评价标准,对于原文 给出的“集中集热.分户贮热适宜在欠发达地区保障 房建筑中推广”这一结论,笔者认为应调整为分户式 装循环泵以保证形成有效的回路,这种安装方案可以 看作是加长管路型壁挂式系统,或理解为多层建筑屋 顶集中安装普通分户太阳能热水器的延伸。系统需要 解决的关键问题是水压和保温,通过安装循环水泵及 太阳能热水系统适宜在住宅建筑中推广,并可充分利 用阳台、外墙以及屋面安装,必要时可采用太阳能光 伏系统进行补充。 参考文献: 选用合格的复合自保温管即可。上述方案是12层住 宅一梯两户布局时的设计,当单元户数增加时,恐难 以满足屋面布置,但对于原文要解决12层一梯三户 约10%(相当于一梯两户为17o/o)的住宅套数没有问题。 4结语 [1]赵敬辛,张世忠,高辉,等.基于后期运营的保障房太阳能热水系统设 计[J].建筑节能,2015(1):44—47. [2]李永棠.秦皇岛市海阳片区范庄返迁安置房建筑设计日照分析[R]. 圣帝国际建筑工程设计有限公司,2013. 笔者认为作为国家示范项目更应以代表性项目 进行推广,否则难以起到应有的作用。扩大来说,住 作者简介: 王彬(1981),男,安徽合肥人,土木工程专业,研究方向:商 品房成本优化(yww85@126.com)。 行 讯 “华中第一高楼"武汉中心创全国绿色建筑典范 地下水冬暖夏凉的特点,自动调节大厦内的空气温 度。雨水可通过10 935个幕墙单元板块的倒水口直 接导人雨水收集系统,进行水回收和循环利用。项目 已通过了美国LEED—CS金奖预认证。武汉中心大厦 由中建三局总承包公司承建的“华中第一高楼” 武汉中心将于4月16日正式封顶。该项目位于武汉 CBD核心商务区,建筑总高度为438 m,节能环保 工作创绿色建筑典范。武汉中心大厦幕墙面积约 90 000 ITI:,整个幕墙由10 935块独立呼吸式单元板 块组成,幕墙单元板采用穿条式隔热铝型材、中空玻 璃等材料,对可见光有较高的透射率从而达到高通透 是华中地区最早开建的400 m以上超高层建筑;与毗 邻的世贸中心大厦一起成为全国最高双子塔;第一座 由中国建筑师原创设计的最高建筑综合体;塔楼底板 加深区厚度达10.5 m;采用华中地区房建领域起重能 性,并阻挡紫外线的入射,减少室外热量的渗入,降低 夏天空调的能耗,冬天时由于对室内可见光较高的反 射及折射率,形成“暖房”效应,降低冬天采暖能耗。建 成后,写字楼内部装有智能环境监控系统、诱导式风 机系统,可自动输送新鲜空气;地源热泵系统,可利用 力最大动臂塔吊(超过1 200顿米);325 In高空卸载 钢结构重量约1.2万t;臂长101 1TI的世界最长泵车 在武汉中心成功首秀。 源:新华网2015-04.15) 【53 

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