空调供暖工况下混凝土悬挑梁热桥效应实验研究

程海峰 ，丁增惠 ，张举

(1.安徽建筑大学建筑能效控制与评估教育部工程研究中心，安徽 合肥 230022；2.智能建筑与建筑节能安徽省重点实验室，安徽 合肥 230022)

0 引言

热桥是建筑结构的局部区域，其热阻通常低于临近部位，造成的损失可高达30%[1]，对室内环境和额外热交换影响很大[2]。建筑设计中通常采用保温方法减少热损失，1992年洪家栋[3]提出用保温的方式对住宅中典型热桥节点部位做处理，研究表明内保温方式的热桥传热是外保温的2倍[4]，而自保温方式的热桥影响范围内失热量最大[5]。由于正常部位的围护结构也会受到热桥的影响，可用温差比划分出常见的6种热桥影响区域[6]以估算围护结构热损失。田慧峰[7]、戴召斌[8]、贾殿鑫[9]和熊明非[10]运用FLUENT与ANSYS软件对热桥影响范围进行了模拟计算，圈梁形成的热桥影响范围是距两边0.13 m。对于热桥部位传热研究，谢晓娜[11]提出了等效平板法计算精确度较高，谭伟[12]和闫增峰[13]通过测试实验分析得出，相对一维简化计算方法而言PTDA与ANSYS模拟计算更准确。寿先方[14]利用软件模拟与实验对比分析了建筑传热过程并进行理论分析与计算。建筑物围护结构因大量的混凝土柱、梁等导致热桥加剧，刘鹏飞[15]根据建筑物不同的混凝土柱，用软件模拟分析出混凝土柱聚苯板外保温经济厚度。

国外学者在检测热桥及热桥对建筑物的影响与改善做了较多研究，Francesco Asdrubali[16]通过热成像测量和定量分析，可以确定热桥效应与内部空气温度和内部壁面温度有关。Sofia Real[17]通过实验和Therm、EnergyPlus模拟软件比较五种不同的混凝土混合物，证明结构轻骨料混凝土(SLWAC)符合降低热桥效应以及提高建筑物能源效率。Fabrizio Ascione[18]根据三种不同模型分析屋顶不同结构代表的热桥，并动态模拟比较季节性能源消耗方面的结果。Samer Taoum[19]通过KA有限元和SA流动法分析二维、三维热桥传热，计算平稳温度场。Theodoros G.Theodosiou[20]得出点状热桥大小甚至可以比线性热桥的影响高出200%的重要结论。I.Garrido[21]介绍一种分析方法，用在建筑物的热成像图像中自动检测热桥。

可以看出，国内外学者主要研究了围护结构热桥的热效应及传热性能，对于穿越围护结构墙体的钢筋混凝土连续悬挑梁的热桥效应的研究相对较少。本文以合肥市某高校实验楼为研究对象，采用实验及数值模拟相结合的方法，探索钢筋混凝土连续悬挑梁的传热特征以及在围护结构中的热桥效应，分析热桥对钢筋混凝土连续悬挑梁的影响，以期为该地区的建筑节能设计提出参考。

1 物理模型

实验物理模型的基本参数:房间尺寸为长6600 mm、宽 6200 mm、高 3300 mm，见图1；围护结构墙体主要是实心粘土砖(240 mm+120 mm)及双面抹灰(20 mm)，总厚度为400 mm，见图2；门宽1000 mm、高 2000 mm；两侧窗户对称均为长2400 mm，宽2000 mm，室内连续梁为宽250 mm，高550 mm，长6200 mm；混凝土悬挑梁悬挑宽度为250 mm，悬挑长度为1850 mm。实验构造中各材料热物性参数如下表1。

图1 物理模型图

图2 墙体构造图

表1 实验构造中各材料的热物性参数

2 实验概述

2.1 测点布置

在布置测点前，为了区分不同测点所测的位置，将测点进行编号，测点布置图如图3、图4。

图3 测点布置示意图

图4 测点现场布置图

(1)悬挑梁室外壁面温度测点布置T19

(2)室内空气温度测点布置T20

(3)走廊空气温度测点布置T21

(4)其他测点布置(如图3所示)

T01—T06测点位于悬挑梁的正中，T03测点距墙体内壁面 5 cm，T03、T02和 T02、T01测点间距均为88 cm，T04测点距墙体外壁面为5 cm，T04、T05和T05、T06测点间距均为88 cm。围护结构墙体上T10、T11、T16、T17测点距悬挑梁为5 cm，T07—T10测点间距均为 15 cm，T11—T14测点间距均为15 cm，T15、T16和T17、T18测点间距均为30 cm。

T01—T07，T09、T12、T14 等测点深度均为13 cm，各测点用保温材料石棉贴实，距屋顶25 cm。T08、T10、T11、T13、T15—T18 等测点布置在去掉水泥砂浆后的实心粘土砖上。悬挑梁敞沿图1x轴方向的剖面图如图5所示。

图5 图1x轴方向梁剖面示意图

2.2 实验步骤

(1)实验时间为2018年1月9日到2018年1月12日共4天连续96小时。为做最不利工况下的热桥实验研究，测试时间段内室内空气温度稳定为30℃，室外工况为自然环境，最高温度6℃，最低温度2℃。

(2)测温采用热电偶，根据图示测点埋入墙体和梁内及表面。

(3)测量结果由JTDL—80温度与热流动态数据采集系统自动记录，设置仪器记录时间间隔为10 min。

(4)测试前一天，即2018年1月8日，将空调开启至实验需要达到的温度并将门窗紧闭，使室内环境基本处于稳定。

3 数据分析

为确保实验数据的精确性与典型性，减少太阳辐射热对测试点的影响，本文截取了夜间10点到第二天早上7点共9个小时的实验数据用于结果分析。以下图6—图9是连续多天典型工况下的数据分析图。

3.1 典型工况数据分析

图6 典型工况梁上测点温度

图7 典型工况零点梁上测点温度

图6、7是跨越围护结构墙体的连续梁在典型工况下各测点在从室内到室外的温度变化过程，温度总体呈下降趋势。由图可知连续梁室内侧的测点T1—T2温差0.5℃，温度基本无波动。T2—T3温差为4.6℃，温降幅度增大，室内侧出现较大的热桥效应，离围护结构墙体一定距离的某一点出现温度拐点。跨越围护结构墙体两侧T3—T4温度陡降，两点温差为6.3℃，产生明显的热桥。混凝土悬挑梁上T4—T5温差为1.8℃，跨越围护结构墙体的连续梁在室外接近墙体的某一点处出现温度拐点，拐点之间温降约占全部温降的79%。T5—T6温差为0.9℃，T4—T6温度变化幅度缓慢趋于持平，总温差为2.7℃。T6与走廊空气温度一致，热传递趋于平衡。T6与T19温差为6.3℃，相当于走廊空气温度与室外温差。T1—T6温差约15℃，T1与T19温差约23℃。拐点位置与钢筋混凝土热工性能及室内外温差密切相关，拐点两侧空气温度与连续梁内部温度相差不大。因钢筋混凝土导热系数较大，有较好的热传导性，故跨越围护结构墙体的连续梁出现明显温差，热桥效应明显。魏艳萍等[22]在研究混凝土结构热桥部位过程中也发现起承重作用的钢筋混凝土部位热阻小，传热能力强。

图8 典型工况墙内外壁面测点温度

图9 典型工况零点墙内外壁面测点温度

图8、图9是墙体内外壁面测点在典型工况下T7—T18的温度变化。墙体内外壁面上有四组对比实验，分别为 T07、T08、T15；T09、T10、T16；T11、T12、T17；T13、T14、T18。 T07—T14 温 度 为14.6℃—16℃，温差1.4℃，温度波动不大基本无变化；T15—T18温度为19.7℃—20.5℃，温差0.8℃，温度波动基本持平。四组对比实验测量结果相近。墙内外壁面温差约为5℃。

以上可说明连续梁室内外温度递减趋势远大于围护结构墙体内外壁面温度递减趋势，热桥效应影响明显，同一时刻热量传递从室内到室外沿连续梁呈线性关系。

3.2 数据拟合

固定时间，在典型工况下各测点的位置与温度之间的关系:

图10 零点时刻典型工况梁上测点

图11 零点时刻典型工况墙外壁面测点

图12 零点时刻典型工况墙内壁面测点

在典型工况下零点时刻，热量传递从室内到室外沿连续梁呈线性关系(如图10)，R2=0.9043，相关性良好，拟合方程变化形式为y=ax+b。y为温度，℃；x为位置，m。如图11、图12所示，当室内环境趋于稳定时，墙体内壁面各测点最大温差为0.8℃，墙体外壁面各测点除T09，T12外最大温差为0.7℃，与连续梁相连的墙体内外壁面温度基本无变化。T09，T12误差点偏离过大可能是因为热电偶与墙壁贴合不紧密，保温石棉未填实，有空气渗透导致。

4 围护结构与热桥部位的热损失对比

设单一材料的平壁内外温度分布均匀，无内热源。因为围护结构墙体的高和宽相对于厚度来说，远大于其厚度的10倍以上，可将墙体看作是无限大平壁，温度梯度在宽度和高度上衰减过程变化很小，在厚度方向上变化明显，所以墙体的传热过程可近似视为一维稳态传热过程。热流密度表达式:

式中:tf1-平壁内壁面温度，℃；

tf2—平壁外壁面温度，℃；

Ri—内表面换热阻，m2·K/W；

Re—外表面换热阻，m2·K/W；

σ—平壁厚度，m；

λ—平壁导热系数，W/m·K。

围护结构单位面积的热损失，即通过墙体传热过程的热流密度q1为7.9 W/m2。热桥节点处单位面积的热损失，即通过热桥节点传热过程的热流密度q2为21.7 W/m2，悬挑梁也可近似看作是一维稳态传热。悬挑梁的传热是通过钢筋混凝土传热，是固体传热，与空气之间的对流换热可不计算。

单位面积的热流密度即热损失量，钢筋混凝土热桥的热损失量大约是围护结构外墙的3倍，热桥部位热损明显增加。

5 数值模拟

采用ANSYS有限元分析软件模拟混凝土悬挑梁内部及墙体内外壁面温度变化。模型为k-epsilon湍流模型，边界条件:室内空气温度29℃，室外走廊空气温度11℃，室内外空气对流换热。为提高模拟精确度，应确保每个平面至少划分3个网格。网划分如图13所示，网格节点数15万，网格总数87万。

图13 网格划分示意图

图14 冬季室内空气流线图

图15 冬季混凝土梁温度场云图

如图14、图15所示。室内侧连续梁与墙体交界处的颜色是由红色(20.85℃)变成绿色(14.85℃)到蓝色(12.7℃)，温度逐渐降低，此处温度是室内连续梁平均温度最低的地方。相对梁上其他部位，此处热损失最大，为20.8 W/m2。

图16 冬季外墙温度场云图

图17 冬季内墙温度场云图

由图16、图17可知，外墙墙角温度(11℃)最低。内墙墙角除涡流区外，其余墙角温度(11.9℃)最低。墙体内表面温度比外表面温度高，随着离墙角距离的增大温度逐渐升高。

从模拟可以看出，热流密度最大的地方是钢筋混凝土梁与墙体的衔接处，内墙角和外墙角，热桥处热损最严重。ANSYS有限元法模拟结果与实验结果高度吻合。

6 结论

(1)跨越围护结构墙体的连续梁在室内外接近墙体的某一点处出现温度拐点。拐点之间温降约占全部温降的79%，产生明显的热桥。

(2)拐点两侧空气温度与连续梁内部温度相差不大，连续梁内部温度呈平缓的线性变化，实测中拐点处与空气温度相差不超过1℃。

(3)当室内环境稳定时，与连续梁相连的墙体内外壁面温度基本无变化。

(4)同一时刻热量传递从室内到室外沿连续梁呈折线线性关系，拟合方程变化形式为y=ax+b。y为温度，℃；x为位置，m。

(5)实验工况下，钢筋混凝土悬挑梁失热量约为围护结构外墙的3倍。

(6)ANSYS有限元法模拟结果与实验结果高度吻合。

本文对热桥实验研究的结果为建筑节能设计提供一定的参考价值，同时还有一些不足，实验只考虑在室内环境稳定工况下，室外单一变量温度对实验结果的影响，未充分考虑室内温度场对混凝土梁的影响，今后还可以在此方向做更深入的研究。