單一保溫墻體中典型熱橋柱的傳熱影響區域及其節點優化

毛偉，文靈紅，許建明

（1機械工業第三設計研究院建筑技術研究所重慶 400039 2重慶凱康科技有限公司 重慶 400010）

自保溫體系是今后建筑圍護結構節能的重要趨勢[1]，其中，熱橋部位的熱損問題是限制其發展重要因素。據研究[2]，在夏熱冬冷地區，采用自保溫材料的墻體因熱橋引起的傳熱系數增加比率可達2/3，即隨著建筑圍護結構熱工性能的不斷提升，熱橋的附加熱損占圍護結構能耗的比例亦隨之增大（節能建筑中，通過熱橋的能耗可達20%[3]）。另有研究[4]表明，隨著熱橋面積比的增大，能耗值大致成線性增長。此外，囿于一維傳熱之面積加權方法的誤差（可達10%~30%[5]），近年有關熱橋部位傳熱的研究多集中于二維[6][7]和三維[8][9]的傳熱分析，得出了等諸多有益成果[6][10]~[12]。熱橋柱是熱橋的重要組成部分，有必要就其傳熱影響區域展開專題研究。本文以重慶地區為例，通過有限體積法數值求解，分析典型熱橋柱的影響區域，并據此提出若干優化思路，以期對專業工作者有所幫助。

1 典型熱橋柱熱橋柱

本文選取一典型單一保溫墻體中框架柱節點作為研究對象，如圖1所示。具體材料及相關參數見表1。

圖1 典型熱橋柱節點示意

表1 墻材的熱物性指標

2 熱橋柱傳熱模擬分析

2.1 二維非穩態導熱的數值求解模型

熱橋是由不同材料構筑的復合傳熱體，其傳熱過程較復雜，系三維非穩態導熱。根據傅里葉定律[13]，其導熱微分方程可以用矢量的形式表示如下：

式中：ρ為密度，kg/m3；c為比熱容，J/（kg·K）；t為溫度，℃;τ為時間，s；λ為導熱系數，W/m·K；為單位時間內單位體積中內熱源的生成熱，W/m3。

此處，對數值求解模型做以下假設：熱橋為均質，各向同性；熱物性不隨溫度而變化，導熱系數為常數；無內熱源；不含非線性單元，邊界條件不隨溫度而變化；不考慮輻射傳熱和傳濕傳質。由此，對應至笛卡爾坐標系，式（1）可簡化為：

該研究的主要目的是求解二維熱橋部位內部溫度分布，實質即在規定的初始條件（恒溫介質）及邊界條件（第三類邊界條件）下求解導熱微分方程。這里，首先將初始條件分夏季和冬季（針對重慶地區）兩種計算工況進行，溫度均為設定值。從而，式（2）可進一步簡化為：

墻體與室內外空氣接觸壁面均按第三類邊界條件[13]考慮，即有如下定解條件。

式（4）、式（5）中：n為換熱表面外法線；hi和he分別為墻體內外表面的對流換熱系數；t為求解溫度；ti和te分別為墻體內外表面計算溫度。重慶地區計算溫度及對流換熱系數取值見表2。

表2 重慶地區熱環境指標

熱橋內部各節點的溫度值可通過消元法和迭代法求解線性代數方程組得出。其計算過程的基本步驟主要有：（1）前處理——包括創建幾何模型、設置材料物性參數、劃分網格、建立離散方程、設定初始條件和邊界條件等；（2）求解——利用有限元方法求解控制參數、求解離散方程、判斷解的收斂性等；（3）后處理——即用渲染的方式（云圖）表示熱橋部位內部的溫度。此處，需說明的是，本文利用ANSYS前處理程序ICEM進行建模和網格劃分，得到三角形非結構網格。將熱橋柱與墻體接觸區域及附近的網格局部加密，以期離散方程的解趨近精確解。網格劃分示例如圖2所示。

2.2 模擬結果分析及討論

圖2 網格劃分示例

利用有限體積法對典型熱橋柱的5種節點處理進行分析，其溫度場分布如圖3所示。從中可看出：（1）兩種工況下，節點處熱橋效應明顯，其溫度曲線的變化明顯大于墻身其他部位；（2）熱橋柱內部溫差較大（可達10℃，不利于主體結構的耐久性），熱量散失快，熱損耗明顯；（3）熱橋柱邊緣兩側約300mm范圍均為受影響區域，尤以150mm范圍為甚。

圖3 節點部位不做處理時的傳熱云圖

3 考慮熱橋影響區域的節點優化

據前文熱橋影響區域的分析，結合現今橋處理優先選用外保溫形式的現狀，將熱橋柱兩側保溫材料做法延伸300mm，節點如圖4所示。圖4中保溫材料選用玻璃棉板，相關參數取值[14]：ρo=40kg/m3；C=1.06[KJ/（kg·k）]；λ=0.037[W/（m·K）]；S=0.52[W/（m2·K）](其余參數取值見表1)。 依循前文思路，圖4所示熱橋柱節點的內部溫度數值計算云圖如圖5所示。從中可看出：（1）熱橋柱與主體墻交界處（尤其是靠室外側）熱流集中問題得到明顯改善；（2）基本消除了室內側熱橋柱的漏熱問題；（3）熱橋內部溫度有一定升高。

圖4 考慮熱橋影響區域后的外保溫處理

圖5 節點部位做局部加強保溫的外保溫處理時的傳熱云圖

4 結論

本文利用有限體積法并結合重慶地區的氣象參數，分析了不同熱橋柱節點處理手法對應的二維非穩態傳熱特性。結論如下：

（1）熱橋柱傳熱影響區域為其邊緣兩側300mm范圍，尤以150mm范圍為甚。

（2）節點處做局部加強外保溫時，能有效避免外側保溫層熱橋柱連接處斷裂導致的熱損，且能基本消除室內側熱橋柱的漏熱問題。

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