建筑外墙热工性能现场检测方法与数值模拟分析

盖玉刚

滨州市住房和城乡建设局

建筑外墙热工性能现场检测方法与数值模拟分析

盖玉刚

滨州市住房和城乡建设局

热流计法是现有测试墙体热物性能最常用的方法，但由于周围复杂环境的影响，墙体的导热过程很难达到一维稳态工况。近些年来，数值模拟与实验相结合是墙体热阻测定的一个必然趋势。本文首先利用热流计法测试建筑外墙的导热热阻，然后运用FLUENT对一维导热区和四季典型日进行分析计算，并对测试热阻进行修正，得到更准确的数据。

墙体热阻 热流计法 数值模拟 非稳态导热

热流计法是建筑物围护结构最常用的现场测试方法，该方法是基于围护结构一维稳态的导热工况，而现场热物性测试过程中很难达到如此理想的测试工况。随之计算机技术的发展，数值模拟计算已成为科技的新生力量，将数值模拟的方法运用于建筑外墙的导热热阻测试是一种新生的测试方法，而且逐渐成为一种必然的趋势。本文首先利用传统的热流计法对滨州市某图书馆的建筑外墙进行热物性测试，然后运用FLUENT模拟的方法进行数值模拟，最后得出现场测试的几点指导性建议，为施工现场的热物性测试的准确性提供理论上的支持[1]。

1 现场测试

用双面热流计法对滨州市某高校图书馆建筑外墙热工性能进行现场测试，运用算术平均数法对所测得的实验数据进行处理，计算出导热墙体测试热阻。

测试持续进行了7天，从2012年12月21日（1221）07:00至12月27日（1227）07:00，测试进行了168h，共采集了1334组实验数据，现将实验数据进行简要处理后绘制于图1～2中。

可以看出，内外表面的热流密度大小与温差大小的变化大致呈正比例关系，外表面的热流密度较内表面变化幅度较大，而内表面的热流密度值要大于外表面的热流密度值。分析其原因，外围护结构直接与外界环境接触，热流密度变化肯定要相对较大，而测试出的墙体内表面热流要稍大于外表面的热流密度值则是由于热流在传递过程中的存在的热流分量造成的[3]。

图1 外表面各测试点实测试点温度

图2 内表面各测试点实测温度

运用算数平均数法对测试数据进行处理分析，并可以计算得到测试墙体的实际测试导热热阻R'= 2.051m·2K/W。

式中：R'为测试墙体实际导热热阻，m2·K/W；qm为通过测试墙体的热流密度，W/m2；tw1，tw2分别为测试墙体的内外表面测试温度值，K；tw1m，tw2m分别为测试墙体的内外表面测试温度平均值，K。

2 数值模拟

FLUENT软件是CFD中比较成熟的商业软件之一，是使用C语言程序开发应用的。用户可以随时观察模拟的进程，并通过云图、动画、曲线图等一系列的方式来显示、打印出模拟的计算结果。本文中将使用CED技术对被测墙体的导热过程及墙体内温度与热流的分布场进行模拟计算。

2.1 数值模型的基本假设

理想模型的稳态计算，假设条件如下[2]：

①被测墙体的导热过程为一维稳态导热；

②室外温度恒为-5℃，室内温度恒为18℃；

③建筑的围护结构仅为主体外墙，而无外窗及构造柱等；

④实验中所运用的参数均为常数，按文献取值；

⑤被测墙体为北外墙，不考虑太阳辐射热及墙体各内表面间辐射换热的影响。

2.2 建立控制方程

控制方程的建立是求解一切问题的基础，建筑围护结构的导热问题，首先涉及到的控制方程是能量守恒方程，即导热微分方程[4]：

式中：ρ为建筑材料的干密度，kg/m3；λ为建筑材料的导热系数，W/(m·K)；c为建筑材料的热容，kJ/(kg·K)；qv为围护结构内部热源，kW/m3；a为围护结构热扩散率，α=qv/ρc，m2/s；▽2为拉普拉斯算子。

2.3 边界条件的确定

本文选取第三类边界条件作为模拟计算的边界条件对被测墙体的导热过程进行数值分析。数值模拟过程分为两个阶段[5]：第一，离散化，包括控制方程的离散化和计算区域的离散化；其次，求解离散化的控制方程组，得到离散近似解。

3 数值模拟

为了数值模拟的计算结果能很好地指导现场的施工，能为现场墙体热物性测试提出有价值的建议，下面将分别进行一维导热区和四季典型日的数值模拟。

3.1 一维导热区分析

实验测试所使用的热流计法是基于一维稳态的导热过程，因此在测点位置的选取时应避开热桥、墙体热缺陷等可能发生不稳定导热的范围，应该选取一维导热或者准一维的导热过程，所以对一维导热区的分析就十分的必要。

3.1.1 测试墙体不同厚度的温度分布

将测试墙体的外表面设为x=0，分别模拟出墙体不同厚度（x值不同）处切面的温度及等温线的分布图（图3）。可以发现，被测墙体的导热过程受窗及构造柱的影响从外表面向内表面逐渐扩伸。在外侧的x=80mm处，墙体内切面的温度分布受窗及与n6、n7、n8相邻的构造柱（右构造柱）影响比较大，此处并没有受到与n1、n2、n3相邻的构造柱（左构造柱）的影响；在x=140mm处，墙体内切面的温度场分布不仅受到右构造柱的影响，也开始受到左构造柱的影响；在内侧x=280mm处墙面内切面的温度场分布受到窗及左右构造柱的影响比较显著，从图中可以看出，温度场所受到窗及构造柱的影响的范围与前两处相比有明显的扩张[6]。

图3 测试墙体不同厚度处的温度分布云图

从图3中可以看出，在Y轴方向的此宽度范围内，在500mm＜y＜1000mm时，温度的变化波动不是很大，一直浮动在286.25±0.05K；而在y＜500mm或者y＞1000mm宽度范围内，随着宽度的延伸受热桥的影响比较大，温度波动比较大。因此，若在n2分区内布置测点时宜在0.5m＜y＜1.0m范围内[7]。

3.1.2 测试墙体在不同宽度处的温度分布

将被测墙体在不同宽度（y=1300mm、2000mm、3200mm）方向上沿Z轴（高度）方向的三个切面的温度及等温线分布情况绘制于图4。

图4 测试墙体不同宽度处的温度分布云图

3.1.3 测试墙体在不同高度处的温度分布

将测试墙体在不同高度（z=1500mm、3000mm）处沿宽度方向的三个切面的温度分布情况及等温线分布情况绘制于图5，图中详细地显示了测试墙体内部沿不同高度和厚度方向的温度分布情况[8]。

可以看出，在z=1500mm处是窗户所在区域的一个沿宽度方向的切面，受热桥影响，窗户左右两侧的墙体部位温度分布不均匀程度比较大。

图5 测试墙体不同高度处的温度分布云图

3.1.4 数值模拟结论

综合以上分析可知，当测试墙体处于实际的非稳态传热过程时，测试点宜布置在一维导热区（1.0m＜y＜2.5m，z＜0.7m）内[9]。

3.2 四季典型日测试墙体的数值模拟分析

根据R=q·△t可知，建筑墙体的热阻受到室内外温差与热流密度大小的影响，而热流从内向外传递的动力就是温差，因此温差的大小对建筑墙体热阻测定的准确程度起到了绝对性的作用。对春夏秋冬四个季节各选取一天进行墙体导热问题的模拟分析，通过不同温差下的计算结果来得出在误差的允许范围内过渡季节的最小控制温差[10]。

3.2.1 数据采集

根据以往的质量检测部门夏秋的墙体导热系数测试数据，记录如表1。

表1 四季典型日的室外逐时温度

3.2.2 过度季节的数值模拟计算

以0312测试墙体的导热情况作为过渡季节的导热性能分析，将这天的室外逐时温度为外表面的第三类边界条件输入，控制温差分别设定为Δt=0℃，1℃，6℃，10℃，12℃，14℃，15℃，18℃。对不同控制温差下的墙体导热过程进行一维非稳态的数值模拟，采用算术平均法通过计算墙体内外表面温度及热流密度来得出被测墙体的热阻值，并将计算结果和不同控制温差下对应的室内温度及室内外空气平均温差列入表2中。

表2 0312的温度及计算结果

从表的数据分析来看，对不同过渡季节不同工况下的墙体一维非稳态的导热过程进行数值模拟，得到的被测墙体热阻计算值均为1.68 m·2K/W。《居住建筑节能检测标准》中规定，在进行围护结构导热系数的现场测试时，高温侧表面温度应高于低温侧表面温度10℃以上，并且在检测过程中的任何时刻不得等于或低于低温侧表面温度。通过计算不同工况下墙体内外表面的最小温差可以看出：当控制温差达到14℃时，其内外表面温差在10℃以上，此时0312日室内外平均温差为17.6℃，即在春秋过渡季节建筑墙体热阻的现场检测时应将室内外平均温差控制在18℃以上[11]。

4 结论

本文通过运用热流计法对滨州市某图书馆建筑外墙导热系数的现场测试，运用FLUENT软件对墙体的导热过程进行数值模拟，初步得出了以下结论：

1）在此类保温材料下该墙体的热桥影响范围：1.0m＜y＜2.5m，z＜0.7m；

2）通过对不同控制温差墙体导热过程的导热性能分析可知，在过渡季进行墙体的导热系数测试应将室内外的空气平均温差控制在18℃以上；

3）通过对过渡季节的计算结果表明，用算术平均法来计算墙体的导热热阻时，需要考虑室外气温的周期性波动。

[1]杨玉忠,孙立新.现场测量建筑围护结构节能的问题分析[J].建筑节能,2010,38(2):5-6

[2]于勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京:北京理工大学出版社,2008

[3]ASHRAE.ASHRAE Handbook of Fundamentals[M].Atlanta: ASHRAE,1986

[4]Standard Test Method for Steady-State Thermal Performance of Building Assemblies Means of a Guarded Hot Box(ASTMCl363. 97)[S].American Society for Testing and Materials,1999

[5]朱颖心.建筑环境学[M].北京:中国建筑工业出版社,2005

[6]周卓云.关于围护结构传热系数检测中若干问题的讨论[J].检测与监理,2009,(4):170-171

[7]江亿.建筑环境系统模拟分析方法-DeST[M].北京:中国建筑工业出版社,2005

[8]赵丽华.热桥与建筑热负荷[J].应用节能技术,2000,(3):27-29

[9]田斌守.对建筑现场检测围护结构传热系数的方法讨论[M].墙体革新与建筑节能,2003,(11):44-45

[10]章熙民,任泽需,梅飞鸣.传热学(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2005

[11]杨玉忠,孙立新.现场测量建筑围护结构节能的问题分析[J].建筑节能,2010,38(2):5-6

Exte rior Wa ll The rm a l Pe rform a nc e Fie ld Te s ting Me thods a nd Num e ric a l Sim ula tion Ana lys is

GAI Yu-gang
Binzhou City Bureau of Housing and Urban-Rural Development

Heat flow meter method is the thermal physical properties of the wall existing test most commonly used method,but because of the complexity of the surrounding environment,the thermal process is difficult to achieve a one-dimensional wall of steady-state conditions.In recent years,a combination of numerical simulation and experiment is an inevitable trend in the wall thermal resistance measurement.Firstly,the use of heat flow meter method to test the building's exterior thermal resistance,and the use of FLUENT for the one-dimensional heat transfer area and the Four Seasons typical day analysis and calculation,and test thermal correction to obtain more accurate data.

wall thermal resistance,heat flow meter method,numerical simulation,temperature control,unsteady heat conduction

1003-0344（2015）01-082-4

2013-11-26

盖玉刚（1989～），男，硕士，助工；山东省滨州市黄河五路渤海十八路中金盛德写字楼312室（256600）；E-mail:13605438832@163.com