建筑圍護結構熱阻測試方法及影響因素分析

張大權，郭天賦（南陽市三亞建筑有限公司，河南 南陽 473000）

建筑圍護結構熱阻測試方法及影響因素分析

張大權，郭天賦
（南陽市三亞建筑有限公司，河南 南陽 473000）

采用ANSYS模擬軟件對建筑圍護結構熱阻檢測方法進行了模擬模型的建立。進而從不同加熱功率、室外空氣溫度波動、室外風速波動等層面對建筑圍護結構現場檢測的影響進行了具體探討，數值模擬分析可從理論上對新型圍護結構檢測系統提供理論支撐。

ANSYS模擬；建筑圍護結構；加熱功率；影響因素

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.084

1　建筑圍護結構熱阻測試方法 ANSYS 模型建立

ANSYS15.0 的熱分析的基本原理是將要處理的模型首先進行網格劃分，劃分成有限個單元（每個單元包含若干個節點），根據能力守恒定律進行求解，求解一定邊界條件和初始條件下每一節點處的熱平衡方程，然后計算出各個節點的溫度值，以及其他相關量。運用ANSYS15.0 模擬分析的基本步驟可以分為：（1）建立有限元模型；（2）施加荷載；（3）求解；（4）后處理。

從理論上來講，任何一種材質的建筑墻體其本身如果內部不存在對流換熱并且不存在各項異性材料，在數值模擬中都可以將其用單一導熱系數的材質取代。為了便于建立墻體模擬和接下來的數據處理，在此建立模型時將建筑墻體復合材料使用相當的單一材質充當。將室內環境設定為18℃，將室外溫度簡化設定為 21.5℃±3.5℃的簡諧波動。墻體一側設置一個加熱箱，置于墻體內側。加熱箱由加熱板和保溫層組成，電熱板功率為 120W/m2，保溫層的材料為擠塑板，厚度為 40mm，其物性參數為：導熱系數λ=0.028W/m?K，比熱容 c=1500J/（kg?k），密度ρ=40kg/m3。墻結構為 240mm 厚多孔磚砌體由包括 200mm 厚直孔燒結多孔磚、兩側各 20mm厚的石灰砂漿抹灰組成，所作墻體模型尺寸為 3m×3m×0.24m 并按照中心對稱性取 1/4 作為模擬計算。240mm 厚 KP1 型兩側未抹灰直孔燒結多孔磚砌體熱阻值為 0.53（m2?K）/W，折合成本測試墻體所用 200mm 厚多孔磚砌體的熱阻為0.44（m2?K）/W，比熱容 c=1050J/（kg?K），密度ρ=1270kg/ m3，水泥砂漿導熱系數為 0.999W/m?K。根據《民用建筑熱工設計規范》（GB 50176-1993），模擬建筑墻體兩表面換熱系數α取 8.7W/m2·K，αe取 23.3W/m2·K。建筑墻面與空氣對流方式為自然對流。

2　不同加熱功率對于現場檢測的影響

首先將對不同的加熱功率采取數值模擬，在 ANSYS 中可以對施加的熱流密度進行設置，后續模擬分別選取施加的熱流密度分別為55.6W/m2、111.2W/m2、166.8W/m2，建筑墻體材料的相關物性參數設置與上述相同。在模擬不同加熱功率對于測試的影響時，選取相同的室外空氣溫度波動函數以及室外風速。室外空氣溫度波動函數的 K 值取 1，室外對流換熱系數取 23.3W/m2·K。三種不同加熱功率下所得的模擬結果分別如下：采用算術平均法對模擬試驗得到的數據進行處理，三次模擬所得的熱阻分別為 0.511m2·K/W、0.507 m2·K/W 、0.504m2·K/W，加熱功率越大，與理論熱阻的偏差越小。從模擬結果均可以看出，三組數據都得到了較好的測試結果，說明只要存在一定的溫差，這些測試偏差在可接受的范圍內。加熱功率越大，造成的圍護結構兩側壁面溫度的溫差就會越大，這樣可以更好的保證“一維傳熱”。但在進行現場測試時，為了防止建筑墻體的熱物性發生變化應當盡量避免過高的測試溫度，達到一定測試溫差即可。

3　室外空氣溫度波動對于現場檢測的影響

除了加熱功率對于現場測試的影響外，將在施加熱流密度為55.6W/m2的基礎上對不同的室外氣溫波動進行研究，此時保持加熱功率以及室外圍護結構的對流換熱系數不變。從算術平均法計算結果來看，針對普通 24 墻體，在加熱功率相同的情況下，建筑墻體內側溫度達到穩定的時間基本上一致。隨著室外溫度波動浮度的增大，實時計算熱阻波動浮度也增大。在實際現場檢測過程中，若室外空氣溫度突然升高，冷側壁面溫度則會隨之上升，此時就會造成兩側壁面的溫差縮小，溫差越小，則會削弱圍護結構的三維傳熱現象，所以很有可能會對現場測試所得數據的可用性造成影響，盡管采用算術平均法進行數據處理可以削弱這一現象，但現場測試還是需要盡量避免室外空氣溫度過度波動的氣象條件下檢測。除了室外溫度的波動會影響測試結果，室外無規則的風速變化也會對于現場的測試環境造成影響，所以風速對于現場測試結果的影響大小也需進一步進行探討。

4　室外風速波動對于現場檢測的影響

建筑墻體表面換熱系數是表征建筑墻體表面換熱過程的重要參數。由于建筑墻體表面換熱過程受空氣流動、輻射強度及建筑墻體外表面與周圍空氣間的溫差等諸多因素的影響，是一個復雜的動態過程。我國常用的圍護結構外表面換熱系數是在冬季建筑物附近風速為 3m/ s 時實測統計而確定的，僅實用于低層建筑：冬季 23.3 W/m2·K，夏季 18.6 W/m2·K.F. 在室外不同風速條件的影響下，雖熱流和溫度都有會受到影響，但是就計算所得熱阻而言，在同一時刻不同風速間差別細微。因為在進行熱阻計算時采取內、外壁面溫差與內墻面熱流密度的比值，盡管風速變大，但同時建筑墻體內側熱流密度也會增大，內外墻面之間的溫度差也隨之改變，因此并無大變化。就某一時刻熱阻計算值而言，最大誤差為6%，將數據采用算術平均法得到的熱阻與理論值之間的誤差在 5%以內。由于在測試現場風速是無規律的變化，這必然會對采集的數據造成影響，所以在進行現場測試的時候也需要盡量避免室外風速的影響。

除此之外，太陽輻射對于熱流計數據的采集必然也會存在影響，若受到太陽輻射的作用，則采集得到的熱流數據會隨著太陽的位置的改變而改變，這也會對熱阻的計算帶來誤差，所以，在進行建筑圍護結構熱阻現場測試試驗時，應當在受太陽輻射影響較小的北墻面進行熱流計布置。

［1］穆小麗.建筑圍護結構K值現場檢測方法研究［D］.成都：西南交通大學，2010.

［2］田向偉，馬立.既有建筑墻體傳熱系數現場檢測方法對比分析［J］.墻材革新與建筑節能，2013（02）：55-58.