不同外墙保温体系框架柱热桥二维非稳态传热比较

汪越　桑晓景

摘 要：文章将废玻璃再生轻石制成的保温砌块或保温墙板作为构造层加入外墙保温体系中，以混凝土框架柱热桥为研究对象，选取武汉地区冬季典型日的气象数据，采用二维非稳态传热理论，通过有限元分析软件ANSYS对框架柱热桥处墙体内表面温度随时间变化的规律进行模拟分析，从而对该种保温材料用于外墙保温体系中的适用性给予科学经济的评价，并为相关的建筑节能计算提供参考。

关键词：废玻璃再生轻石；墙体保温；热桥；传热

伴随着经济的快速增长，能源危机日益凸显，而建筑能耗约占全社会商品能耗的30%，而建筑耗热中，热桥耗热已经占到总能耗的20%左右，因此，对于热桥处的热量损失规律的研究具有重要意义。

玻璃使用范围广，损耗多，若丢弃的废玻璃不能有效地回收利用，不仅浪费资源，还将对环境造成污染，因此，加强对废玻璃的回收再利用意义重大。日本公司已经形成了废玻璃回收再处理的生产线，可将其转化为再生轻石材料，具有保温、隔热等特性，经其制作成的保温墙板和砌块对于优化建筑节能有重要作用。文章将废玻璃再生轻石材料制成的保温砌块和墙板作为保温构造层加入外墙保温体系中，以武汉地区冬季典型日气候作为数据依托，研究该保温材料在建筑外墙保温体系中的适用性。

1 框架柱热桥二维非稳态传热过程

实际工程中建筑围护结构的传热涉及到多方面的复杂影响，会受到室外空气温度、太阳辐射强度等外部条件和室内空气调节设备引起的温度变化的影响。这表明，围护结构的热流量、温度随时间会发生变化，即发生非稳态传热过程。目前，一些节能标准中也提出，建筑物的采暖空调负荷计算、全年能耗计算和自身的节能性好坏，都必须通过动态计算方法，即考虑建筑围护结构的非稳态传热问题。

研究表明，当墙体的高度达到厚度的10倍以上时，在垂直方向的温度场可以近似看作为恒定不变，物体传热过程可以用二维传热理论进行分析。根据文献中试验测试与温度场模拟结果可知，温度等温线弯曲比较明显的范围，即侧向散热的影响范围大约为墙厚的1.5～2倍。文章在研究混凝土框架柱热桥的温度场和热流密度分布时，建立模型时，取柱边向两边各延伸长度大于墙体的2倍，即0.6m。

1混合砂浆；2混凝土空心砌块； 1混合砂浆；2玻璃轻石砌块；

3水泥砂浆；4混凝土柱 3水泥砂浆；4混凝土柱

（a）无保温 （b）玻璃轻石砌块自保温

1混合砂浆；2玻璃轻石保温板； 1混合砂浆；2混凝土空心砌块；

3水泥砂浆；4混凝土空心砌块； 3水泥砂浆；4玻璃轻石保温板；

5水泥砂浆；6混凝土柱 5水泥砂浆；6混凝土柱

文章以围护结构中的框架柱热桥为例进行研究，四种保温形式下的框架柱热桥构造图如上图1所示，墙体材料的热物性指标见表1。

在采用ANSYS对框架柱热桥进行模拟分析时，选取平面四边形单元PLANE55并进行网格划分，因模拟部位形状简单规则，采用四边形网格进行网格划分。模拟分析时墙体内、外墙面的表面对流换热系数分别取8.7W/（m2·K）和23 W/（m2·K）。

在室内一侧设有采暖空调系统，取理想条件下的情况，即室温保持恒定，=18℃，室内空气相对湿度取60%，算得室内空气露点温度为10.1℃；室外大气综合温度参照相关文献资料取武汉地区冬季典型日的气象数据，其中最高温度=1.2℃，最低温度=-2.7℃，将室外空气温度处理为正弦曲线，用公式1和2表示：

（1）

（2）

其中，为室外空气温度，℃；为时间，h。

2 不同保温形式热桥柱的温度变化规律

图2对四种保温形式下框架柱热桥在室内一侧墙角处的温度随时间变化曲线进行了对比。由图知，无保温和自保温形式的墙角处内表面温度波动幅度相似，内保温和外保温形式相近，但内保温的温度波动幅度更大。

图3对四种保温形式下框架柱热桥在室内一侧墙体主体部位的内表面温度随时间变化规律进行了描绘。可知，无保温形式的墙体内表面温度最低，且波动幅度较大，而内保温和外保温形式对热桥部位主体墙体的内表面温度的变化影响几乎一致，自保温形式温度波动幅度很小，几乎保持为直线型。

综上，采用外保温和自保温的外墙保温体系，墙体内表面温度变化趋势更稳定，可以减弱热桥部位各构造层的热应力，不宜造成结构损坏，也使居住环境更舒适。

3 保温板厚度不同对热桥柱温度变化的影响

选取内保温和外保温两种外墙保温形式，保持墙体其他构造层不变，玻璃轻石保温板的厚度依次取20mm、40mm、60mm和80mm，以此比较保温层厚度不同时这两种保温形式热桥部位墙体内表面温度的变化，选取墙角处和墙体主体部位两个位置的内表面温度进行比较。

3.1 墙角处内表面温度

图4和图5描绘了不同保温板厚度时，内保温和外保温两种保温形式下热桥部位内墙角温度随时间的变化曲线。由图知，这两种保温形式中热桥部位墙角处温度波动趋势是相似，但内保温波动幅度更大，外保温波动幅度较小，且随着保温板厚度增加，热桥部位墙角处的温度也随之升高。在室外温度较低时，墙角内表面温度随保温板厚度增加变化较大，外保温比内保温形式变化幅度更大；在室外温度较高时，保温板厚度的增加影响温度的改变较小，故外保温保温板厚度的改变对热桥部位墙角处的温度影响比内保温更大一些。

3.2 墙体主体部位内表面温度

图6和图7表示采用用不同厚度的保温板时，内保温和外保温两种保温形式下热桥部位室内一侧主体墙体内表面温度随时间的变化曲线。由图知，两种保温形式下，内表面温度曲线变化趋势和幅度相似，而且随着保温板厚度的增加，主体墙体内表面的最低温度逐渐增大，最高温度保持一致。保温板厚度的改变对热桥部位墙体主体部位内表面温度的影响，内保温形式和外保温形式相差不大，不存在明显的优劣。

4 结语

文章采用ANSYS对武汉地区冬季气候条件下的不同保温体系中的框架柱热桥进行了模拟分析，结论如下：

（1）采用外墙自保温形式时，热桥部位各位置处的温度波动幅度都很小，墙角处的温度变化幅度相对大一些，表明室内温度波动不大，居住较舒适；采用内保温形式时，热桥部位各位置处的温度波动相对于自保温要大一些；而采用外保温形式时，热桥部位墙角处和主体墙体表面温度的波动幅度都很小，对结构最有利，使得居住环境也更舒适。

（2）采用外墙内保温形式时，保温板厚度的改变对墙角处温度的影响不大，对墙体主体部位温度影响较大，表明并不是保温板越厚，保温效果越好；外墙外保温形式，保温板厚度改变对墙角处和主体墙体温度影响都很大，应该选取合适的保温板厚度。

参考文献

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作者简介：汪越（1988- ），女，硕士研究生；桑晓景（1989- ），女。