合肥地区典型墙体结构的邻室传热数值分析

胡宗斌 （含山县建设工程质量监督站，安徽 马鞍山 238100）

合肥地区典型墙体结构的邻室传热数值分析

胡宗斌 （含山县建设工程质量监督站，安徽 马鞍山 238100）

针对合肥地区典型墙体结构及保温材料的热学性能，综合考虑该地区冬夏季温度变化、相邻房间围护结构温度特点等各类初始和边界条件，利用COMSOL Multiphysics软件建立了典型墙体结构邻室传热的三维数值计算模型。计算得出以下结论：①冬季邻室内供暖较不供暖，室内墙面及底板平均温度分别升高6.8℃和12℃；②夏季邻室内降温较不降温，室内墙面及底板平均温度分别降低1.2℃和3℃；③冬季邻室内供不供暖对上部室内温度影响较大。

保温层；邻室传热；合肥地区；COMSOL Multiphysics

合肥地区属于夏热冬冷地区，建筑夏季制冷和冬季采暖能耗是构成建筑总能耗的主要成分。城市的冬季供暖和夏季制冷的能耗越来越大，我国集中供暖普及率已超过25%，截止到2005年全国空调耗电量占生活用电量的10.9%，并其增幅较快[1]。我国住宅建筑空调、供暖能耗指标是相同气候条件下发达国家能耗指标的近3倍[2]，因此如何采取节约型、环保型的供热和制冷方式成为绿色建筑节能的重要研究课题。已经取得共识的是建筑围护结构对室内温度影响重大，其中，建筑外围护结构主要控制室外环境对室温的影响，内围护结构主要控制邻室传热。因此，研究在夏季、冬季合肥地区典型建筑的内、外围护结构对室内温度的影响对当地建筑节能有重要意义。

目前，国内外学者分别对外围护结构和内围护结构进行了研究。大多数学者从增大建筑系统的保温能力和分户热计量的角度，降低冬季供暖和夏季制冷的能耗。欧美地区自上世纪70年代石油危机开始重视利用建筑模拟计算围护结构传热，逐渐形成一些著名的模拟软件，如BLAST[3]、DOE-2[4]、ESO-r[5]。欧美地区内保温系统较完善，因此即使存在邻室传热，在研究中也通常不考虑[6]。由于我国围护结构保温尚未达到国外的成熟阶段，因此有必要在围护结构保温传热计算中考虑邻室传热的影响。国内，田雨辰等为精确计量邻室传热温差，建立了邻室传热数学模型，计算得出邻室热负荷[7]。潘云钢引入了自然室温的概念计算邻室传热[8]。也有学者从建筑构造、室内通风、入住率、地区以及经济性方面研究围护结构邻室传热[9,15]。

综合来看，鲜有学者将建筑物作为与外界关联的系统，将室外温度环境作为影响邻室传热的一个因素，并考虑地区气候环境的区别，从差异温控的角度计算围护结构邻室传热。为了探索在差异化温控的可行性，依据传热学基本原理，以合肥地区气候特点和当地典型墙体结构及保温材料为背景，计算邻室传热对室内温度的影响。

合肥地区市场上常见的保温材料主要有EPS保温板、胶粉聚苯颗粒保温砂浆、聚氨酯泡沫塑料板和玻化微珠无极保温砂浆。这四种保温材料在合肥地区建筑围护结构运用比例总和占90%以上[16]，具备典型性。上述保温材料热学性能参数如表1。

合肥地区典型保温材料热学性能参数 表1

为了研究室外环境温度以及邻室传热对室内温度的影响，模型考虑下层及外墙的传热，截取高层建筑中间两层的一部分，建立三维的二层楼房局部模型。模型中，从每层楼层中截取高度为1m、长宽均为2m的模型作为研究对象。建模如图1。

图1 房间物理模型

选取合肥地区较常见的外围护结构构造，自外至内依次为水泥砂浆（6mm）、膨胀玻化微珠无机保温砂浆（25.0mm）、煤干石砌体（200.0mm）、石灰水泥砂浆（20.0mm），构造如图2。上下层之间楼板构造为水泥砂浆（20.0mm）、钢筋混凝土（120.0mm）、水泥砂浆（20.0mm）。其中，钢筋混凝土导热系数为1.740W/(m· K)。

图2 外围护结构构造

室外温度通过外围护结构对室内的传热主要由大气温度、太阳辐射强度、风速等因素共同决定。选择夏季最热日温度辩护和冬季最冷日温度变化最为代表工况作为分析对象。根据傅里叶分解原理，室外温度通过当日平均温度和一周期正弦波的叠加拟合得出，如下式：

式中：tgs——室外环境温度

tgs，m——室外温度日平均值

Ak——周期正弦波振幅

αk——周期相位

T——周期正弦波周期

τ——时间变量

基于最小二乘法，带入合肥地区夏季最热日和冬季最冷日数据，利用MATLAB则可拟合出上式中的各项参数。

冬季、夏季温度拟合公式为：

采用反应系数动态方法计算外围护结构的传热量。具体方法如下：当室内温度恒为一常数时，室外侧有一个单位等腰三角波形温度扰量作用，从作用时刻算起，单位面积壁体外表面逐时所吸收的热量，称为壁体外表面的吸热反应系数，用符号X（j）表示；通过单位面积壁体逐时传入室内的热量，称为壁体传热反应系数，用符号Y（j）表示，通过单位面积壁体逐时传至室外的热量，仍称为壁体传热反应系数，数值与前一种情况相等，故仍用符号Y（j）表示。与上述情况相反，当室外温度恒为一常数时，室内侧有一个单位等腰三角波形温度扰量作用。从作用时刻算起，单位面积壁体内表面逐时所吸收的热量，称为壁体内表面的吸热反应系数，用符号Z（j）表示。括号中j=0，1，2，…，表示单位扰量作用jΔτ个小时以后，模型中取Δτ=1。例如，Y（2）表示单位扰量作用时刻后2h的壁体传热反应系数。

利用下式计算第j个时刻，室内从室外通过板壁围护结构的传热得热量：

式中：HG（n）——第时刻外围护结构传热得热量

tgs（n-j）——第（n-j）时刻室外环境温度

tr（n-j）——第（n-j）时刻室内温度

设置外围护结构边界条件：

式中：k——墙体传热系数

Tout——外围护结构外表面温度，Tout=Tgs

T——围护结构初始温度

采用热平衡法计算内围护结构传热，忽略传热过程对时段内房间温度的影响。假定布置温控的房间温度恒定，基于能量守恒原理、质量守恒定理、动量守恒定理以及傅里叶定理，列出热传导控制方程，一般形式如下式：

考虑合肥地区夏季平均温度为21～29℃，选取墙体初始温度22℃，进行模拟计算。为探究夏季墙体温度变化趋势，分别模拟夏季夏至日邻室采取制冷和不采取制冷两种工况下，计算外墙温度循环变化2天内室内墙面平均温度、三面交接处温度、地板平均温度以及外墙内表面平均温度，计算结果如图3、4所示。从图中可看出，邻室不采取制冷工况下，外墙内表面温度和交接点温度随时间上升趋势接近且上升速度快过底板和室内墙面温度，每5h约上升0.5℃，底板平均温度无明显上升趋势，室内墙面平均温度介于两者之间。邻室采取制冷后，外墙内表面平均温度相比上述工况未发生明显变化，交界面平均温度和室内墙面平均温度上升趋势明显放缓，底板平均温度则呈下降趋势。

图3 夏季邻室不采取制冷时温度变化曲线

图4 夏季邻室采取制冷时温度变化曲线

考虑合肥地区冬季平均温度为2～11℃，选取墙体初始温度4℃，进行模拟计算。为探究冬季墙体温度变化趋势，分别模拟冬季冬至日邻室采取制冷和不采取制冷两种工况下，计算外墙温度循环变化2天内室内墙面平均温度、三面交接处温度、地板平均温度以及外墙内表面平均温度，计算结果如图5、6所示。在邻室不采取供暖工况下，外墙内表面平均温度和交界面平均温度下降趋势明显，每5h约下降0.1℃，底板平均温度无明显变化，室内墙面平均温度介于两者之间。邻室采取供暖设备后，外墙内表面平均温度维持在初始温度几乎未发生变动，而室内墙面平均温度、交界面平均温度、底板平均温度则变成随时间上升趋势。底板温度上升趋势最明显，在接近16℃后上升趋势逐渐放缓。

图5 冬季邻室采用供暖设备时温度变化曲线

图6 冬季邻室不采用供暖设备时温度变化曲线

夏冬两季邻室采用温控设备与不采用温控设备工况下2天后，室内墙面、底板、外墙内表面以及三面交接点平均温度如表2。室内墙面平均温度在冬季邻室供暖时比邻室不供暖时高6.8℃，而在夏季只低了1.2℃。

4种工况下2d后平均温度（单位：℃） 表2

根据合肥地区典型墙体结构的邻室传热数值模拟的结果，分析得出如下结论。

①相比夏季邻室不采取制冷的工况，夏季邻室采取制冷后能够放缓底板、内墙的平均温度上升趋势。对底板平均温度变化影响更为显著，邻室制冷工况下底板平均温度比邻室不制冷工况下降约3℃。

②相比冬季邻室不采取供暖的工况，冬季邻室采取供暖后室内墙面、底板、外墙内表面以及交接点平均温度变化趋势由下降变为上升趋势。对底板平均温度变化影响最显著；邻室供暖工况下底板平均温度比邻室不供暖工况上升约12℃，室内墙面平均温度比邻室不供暖时高6.8℃。

③冬季邻室采取供暖对室内墙面平均温度影响较大，后续将更进一步的研究对于室温的影响。

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图4 全预制“L型”剪力墙平互扣养护示意

本文主要对预制装配式剪力墙结构设计中竖向钢筋和水平钢筋连接进行了分析，对若干问题进行了探讨，并提出了今后预制结构的一些设计思路。现阶段而言，国家出台的一系列相关刺激政策都有利于装配式建筑的发展，行业发展的热点都集中在预制装配式混凝土剪力墙住宅，对于框架结构以及大型公建项目涉及很少，这无法支撑整个装配式建筑行业的有效发展；另外，国内装配式剪力墙住宅预制构件大多采用竖向钢筋套筒灌浆连接，边缘构件现浇处理技术，对于其它技术体系的研究甚少，应进一步加强研究。

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TU761.1+1

A

1007-7359（2016）05-0228-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.082

胡宗斌（1969-），男，安徽含山人，毕业于合肥工业大学，高级工程师，国家注册监理工程师，国家注册一级建造师，主要从事建设工程质量监督、检测管理工作。