新型巖棉夾芯彩鋼板冷橋結(jié)露現(xiàn)象的分析研究

郝英奇，丁克偉，程晨，夏珊

（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

1 研究背景

冷橋主要指建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境進(jìn)行熱傳導(dǎo)時(shí),因?yàn)閲o(hù)結(jié)構(gòu)中一些部位的傳熱系數(shù)顯著大于其他部位，使得這些部位之間的熱量被集中傳遞，從而增大了負(fù)載和能源消耗。[1]冷橋會(huì)造成空間冷卻消耗增加，浪費(fèi)了耗冷能量；會(huì)在溫度較高一側(cè)出現(xiàn)凝結(jié)水，從而影響保溫材料的隔熱性能；冷橋不但會(huì)造成熱量損失，還會(huì)成為保溫結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，造成該處溫度較高的一側(cè)凝露、結(jié)霜、保溫層受潮失效，嚴(yán)重時(shí)還使結(jié)構(gòu)層受凍損壞。因此避免冷橋結(jié)露現(xiàn)象的出現(xiàn)，是當(dāng)今巖棉夾芯彩鋼板市場(chǎng)急需解決的一個(gè)問題。

現(xiàn)在市場(chǎng)上檢驗(yàn)巖棉夾芯彩鋼板優(yōu)劣的一個(gè)重要條件，是驗(yàn)證其在室內(nèi)冷橋部位會(huì)不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露。安徽三寶鋼構(gòu)有限公司采用先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)出一種新型巖棉夾芯彩鋼板，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集防水、隔熱、保溫和耐火功能于一體，外形美觀，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，可廣泛用于船舶、冶金、電力、建筑等領(lǐng)域。本文通過ANSYS有限元軟件的熱分析以及熱分析的模擬結(jié)果，以驗(yàn)證本產(chǎn)品是否在室內(nèi)冷橋部位出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

2 新型巖棉夾芯彩鋼板的構(gòu)造與尺寸

圖1 新型巖棉夾芯彩鋼板結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 新型巖棉夾芯彩鋼板熱工分析模型圖

彩鋼板上下兩層是金屬薄板，芯材為有一定剛度的巖棉，是在專用的自動(dòng)化生產(chǎn)線上復(fù)合而成的具有承載力的結(jié)構(gòu)板材，也稱為“三明治”板。巖棉夾芯板夾芯層從上到下由隔熱層、保溫層和耐火層等組成。板體的兩端固定安裝有槽型鋼，槽型鋼內(nèi)安裝有多個(gè)螺孔，在板體的上端面設(shè)有防水板，防水板向外拱出并形成瓦狀結(jié)構(gòu)，在防水板的兩側(cè)還分別設(shè)有集水槽，防水板的材質(zhì)為不銹鋼。見圖1。

主要尺寸參數(shù)：巖棉板長(zhǎng)1.2m，寬0.95m，上下金屬薄板分別厚0.6mm和0.5mm，巖棉層厚75mm。

3 ANSYS熱分析理論和熱分析的方法路線簡(jiǎn)介

3.1 ANSYS熱分析理論簡(jiǎn)介

ANSYS熱分析可以模擬熱傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射三種熱傳遞方式，主要用于計(jì)算構(gòu)件的熱物理參數(shù)，分析構(gòu)件的溫度場(chǎng)分布，其遵循熱力學(xué)第一定律，采用有限元方法計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度和導(dǎo)出需要的熱物理參數(shù)。在ANSYS程序中，熱分析主要為穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析兩大類。對(duì)于穩(wěn)態(tài)分析：Q=ΔU=0，表示流入系統(tǒng)的熱量與流出系統(tǒng)的熱量平衡；對(duì)于瞬態(tài)分析：q=，表示一個(gè)系統(tǒng)的溫度，系統(tǒng)內(nèi)能等是時(shí)間變化的函數(shù)。本文研究的是新型巖棉夾芯彩鋼板的熱穩(wěn)態(tài)分析。[1][2]

3.2 ANSYS熱分析的方法路線簡(jiǎn)介

ANSYS熱分析一般有如下三個(gè)步驟：

①建模，命名文件名→定義單元類型→定義單元實(shí)常數(shù)→定義材料特性→建立幾何模型→劃分網(wǎng)格；

②施加載荷計(jì)算，定義分析類型→施加載荷→確定加荷步→求解→保存分析結(jié)果；

圖3 新型巖棉夾芯彩鋼板熱流密度圖

③后處理，ANSYS熱分析的結(jié)果在*.rth文件中，它包含節(jié)點(diǎn)溫度以及節(jié)點(diǎn)和單元的熱流密度，對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析，可以使用后處理POST1進(jìn)行后處理。[1][3]

4 ANSYS有限元分析過程

4.1 模型建立

按照試件的實(shí)際尺寸：板長(zhǎng)1.2m,寬0.95m,巖棉層厚75mm,上下面材分別厚0.6mm、0.5mm。運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件建立上述彩鋼板的有限元模型。有限元建模之后并劃分網(wǎng)格的模型如圖2所示。

4.2 單元選擇

彩鋼金屬面選用有限應(yīng)變殼單元SHELL131。巖棉保溫材料單元選擇SOLID70。本文只做穩(wěn)態(tài)熱分析，因此只選取一個(gè)自由度即溫度。

4.3 材料參數(shù)

新型巖棉夾芯彩鋼板主要由金屬面、巖棉等材料組成，根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176-93）的規(guī)定,材料的具體熱工參數(shù)見表1。

圖4 新型巖棉夾芯彩鋼板節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分布圖

材料熱工參數(shù)表 表1

4.4 施加荷載

邊界條件：①按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176-93）的規(guī)定，安徽地區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū)，本地區(qū)供暖時(shí)，室內(nèi)外平均溫度分別取18℃和-7℃；②按照《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》的規(guī)定，室內(nèi)外對(duì)流換熱系數(shù)分別取8.7W/(m2·K)和23.3W/(m2·K)。[1][4]

4.5 數(shù)值模擬結(jié)果

運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)圖3的模型施加邊界條件，再設(shè)置巖棉和鋼材的熱工性能參數(shù)，分別計(jì)算得到新型巖棉夾芯彩鋼板的溫度場(chǎng)分布圖及熱流密度矢量圖，具體結(jié)果見圖3和圖4。

4.6 結(jié)論分析

圖3和圖4分別為新型巖棉夾芯彩鋼板的熱流密度圖和溫度場(chǎng)分布圖。按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176-93）的規(guī)定，室內(nèi)溫度為18℃且室內(nèi)空氣相對(duì)濕度為60%時(shí)，可得出室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度為10.1℃。彩鋼板冷橋部位的內(nèi)表面溫度值是決定室內(nèi)是否出現(xiàn)結(jié)露的關(guān)鍵因素，其必須要高于室內(nèi)濕度條件下的露點(diǎn)溫度。[1][5]

①由圖3可以看出，熱流密度最大的部位為彩鋼板的巖棉材料處，僅為17.283W/m2，熱流損失很小。

②由圖4可以看出，本文所研究新型巖棉夾芯彩鋼板會(huì)有結(jié)露現(xiàn)象，因?yàn)槔錁蛱巸?nèi)表面溫度為-0.6℃<10.1℃，且室內(nèi)空氣相對(duì)濕度較大。

③本產(chǎn)品在作屋面板以及外墻板的時(shí)候，在板體的上端面設(shè)有防水板，防水板向外拱出并形成瓦狀結(jié)構(gòu)，在防水板的兩側(cè)還分別設(shè)有集水槽（見圖1）。這樣，冷橋結(jié)露現(xiàn)象產(chǎn)生的水滴會(huì)及時(shí)匯進(jìn)集水槽排出，并且防水板也大大增強(qiáng)了彩鋼板的防水性能。這種做法不僅極大程度上消除了結(jié)露現(xiàn)象，還提高了板體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因此，本產(chǎn)品適用于做建筑外墻板以及屋面板，不適用于在室內(nèi)相對(duì)濕度較大的情況下做建筑內(nèi)墻板。

5 結(jié)語(yǔ)和展望

通過上述的ANSYS有限元軟件的數(shù)值分析，可以看出安徽三寶鋼構(gòu)有限公司生產(chǎn)的新型巖棉夾芯彩鋼板雖然在室內(nèi)相對(duì)濕度較大的情況下做建筑內(nèi)墻板時(shí)會(huì)有結(jié)露現(xiàn)象，但是在做建筑外墻板以及屋面板時(shí)，由于獨(dú)特的防水板和集水槽的設(shè)計(jì)，使得彩鋼板大大消除了結(jié)露現(xiàn)象并且提高了板體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

從上述分析中可以發(fā)現(xiàn)，本產(chǎn)品存在的主要問題是做內(nèi)墻板時(shí)無法消除冷橋現(xiàn)象。因此，在以后的研究生產(chǎn)中，希望加大這方面的研究力度，研究出可以消除冷橋現(xiàn)象的新型金屬面材或者改變此板做內(nèi)墻板時(shí)候的構(gòu)造，以達(dá)到可以消除冷橋結(jié)露現(xiàn)象的目的。

[1]張立志.新型高效夾心保溫復(fù)合墻體的構(gòu)造與性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[2]王建江，胡仁喜，劉英林.結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]王剛.新型夾芯保溫復(fù)合墻板性能研究[D].合肥：安徽建筑大學(xué)，2013.

[4]GB50176-93，民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993.

[5]夏光輝.新型夾芯保溫復(fù)合墻板力學(xué)及熱工性能研究[D].合肥：安徽建筑大學(xué)，2013.

[6]解維益.金屬面絕熱用夾芯板保溫隔熱和力學(xué)性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

[7]Antonio Galagno，Colomba Di Blasi，Eva Milella.ThermalResponse to Fire of a Fibre-Reinforced Sandwich Panel:ModelFormulation，Selection of Intrinsic Properties and ExperimentalValidation[J].Polymer Degradation and Stability，2009.