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

毛伟，文灵红，许建明

（1机械工业第三设计研究院建筑技术研究所重庆 400039 2重庆凯康科技有限公司 重庆 400010）

自保温体系是今后建筑围护结构节能的重要趋势[1]，其中，热桥部位的热损问题是限制其发展重要因素。据研究[2]，在夏热冬冷地区，采用自保温材料的墙体因热桥引起的传热系数增加比率可达2/3，即随着建筑围护结构热工性能的不断提升，热桥的附加热损占围护结构能耗的比例亦随之增大（节能建筑中，通过热桥的能耗可达20%[3]）。另有研究[4]表明，随着热桥面积比的增大，能耗值大致成线性增长。此外，囿于一维传热之面积加权方法的误差（可达10%~30%[5]），近年有关热桥部位传热的研究多集中于二维[6][7]和三维[8][9]的传热分析，得出了等诸多有益成果[6][10]~[12]。热桥柱是热桥的重要组成部分，有必要就其传热影响区域展开专题研究。本文以重庆地区为例，通过有限体积法数值求解，分析典型热桥柱的影响区域，并据此提出若干优化思路，以期对专业工作者有所帮助。

1 典型热桥柱热桥柱

本文选取一典型单一保温墙体中框架柱节点作为研究对象，如图1所示。具体材料及相关参数见表1。

图1 典型热桥柱节点示意

表1 墙材的热物性指标

2 热桥柱传热模拟分析

2.1 二维非稳态导热的数值求解模型

热桥是由不同材料构筑的复合传热体，其传热过程较复杂，系三维非稳态导热。根据傅里叶定律[13]，其导热微分方程可以用矢量的形式表示如下：

式中：ρ为密度，kg/m3；c为比热容，J/（kg·K）；t为温度，℃;τ为时间，s；λ为导热系数，W/m·K；为单位时间内单位体积中内热源的生成热，W/m3。

此处，对数值求解模型做以下假设：热桥为均质，各向同性；热物性不随温度而变化，导热系数为常数；无内热源；不含非线性单元，边界条件不随温度而变化；不考虑辐射传热和传湿传质。由此，对应至笛卡尔坐标系，式（1）可简化为：

该研究的主要目的是求解二维热桥部位内部温度分布，实质即在规定的初始条件（恒温介质）及边界条件（第三类边界条件）下求解导热微分方程。这里，首先将初始条件分夏季和冬季（针对重庆地区）两种计算工况进行，温度均为设定值。从而，式（2）可进一步简化为：

墙体与室内外空气接触壁面均按第三类边界条件[13]考虑，即有如下定解条件。

式（4）、式（5）中：n为换热表面外法线；hi和he分别为墙体内外表面的对流换热系数；t为求解温度；ti和te分别为墙体内外表面计算温度。重庆地区计算温度及对流换热系数取值见表2。

表2 重庆地区热环境指标

热桥内部各节点的温度值可通过消元法和迭代法求解线性代数方程组得出。其计算过程的基本步骤主要有：（1）前处理——包括创建几何模型、设置材料物性参数、划分网格、建立离散方程、设定初始条件和边界条件等；（2）求解——利用有限元方法求解控制参数、求解离散方程、判断解的收敛性等；（3）后处理——即用渲染的方式（云图）表示热桥部位内部的温度。此处，需说明的是，本文利用ANSYS前处理程序ICEM进行建模和网格划分，得到三角形非结构网格。将热桥柱与墙体接触区域及附近的网格局部加密，以期离散方程的解趋近精确解。网格划分示例如图2所示。

2.2 模拟结果分析及讨论

图2 网格划分示例

利用有限体积法对典型热桥柱的5种节点处理进行分析，其温度场分布如图3所示。从中可看出：（1）两种工况下，节点处热桥效应明显，其温度曲线的变化明显大于墙身其他部位；（2）热桥柱内部温差较大（可达10℃，不利于主体结构的耐久性），热量散失快，热损耗明显；（3）热桥柱边缘两侧约300mm范围均为受影响区域，尤以150mm范围为甚。

图3 节点部位不做处理时的传热云图

3 考虑热桥影响区域的节点优化

据前文热桥影响区域的分析，结合现今桥处理优先选用外保温形式的现状，将热桥柱两侧保温材料做法延伸300mm，节点如图4所示。图4中保温材料选用玻璃棉板，相关参数取值[14]：ρo=40kg/m3；C=1.06[KJ/（kg·k）]；λ=0.037[W/（m·K）]；S=0.52[W/（m2·K）](其余参数取值见表1)。 依循前文思路，图4所示热桥柱节点的内部温度数值计算云图如图5所示。从中可看出：（1）热桥柱与主体墙交界处（尤其是靠室外侧）热流集中问题得到明显改善；（2）基本消除了室内侧热桥柱的漏热问题；（3）热桥内部温度有一定升高。

图4 考虑热桥影响区域后的外保温处理

图5 节点部位做局部加强保温的外保温处理时的传热云图

4 结论

本文利用有限体积法并结合重庆地区的气象参数，分析了不同热桥柱节点处理手法对应的二维非稳态传热特性。结论如下：

（1）热桥柱传热影响区域为其边缘两侧300mm范围，尤以150mm范围为甚。

（2）节点处做局部加强外保温时，能有效避免外侧保温层热桥柱连接处断裂导致的热损，且能基本消除室内侧热桥柱的漏热问题。

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