装配式ECP复合墙体热工性能有限元分析

赵西平, 王若楠, 黄 炜

(1.西安建筑科技大学 建筑学院, 陕西 西安 710055; 2.西安建筑科技大学 土木工程学院, 陕西 西安 710055)

随着中国城镇建设的飞速发展和人们对建筑环境要求的不断提高,建筑能耗不断增加[1].在低碳经济理念的驱使下,住宅产业化已成为中国建筑和土木行业现阶段需要迫切解决的问题,同时产业化节能建筑也成为当前研究的热点[2].建筑节能中最重要的一项措施就是墙体保温隔热[3].具有良好保温隔热性能的围护结构可减少室内外温差所造成的传热损失,提高房间的热稳定性.因此发展高质量的节能保温墙板已成为中国建筑行业目前需要解决的问题,是实现住宅产业化和推广产业化节能建筑的重要途径,对中国经济和社会发展有着极其深远的意义.

目前,发达国家已普遍在外墙板中使用高效保温、隔热材料,这种形式的外墙板在预制外墙板中已占很大比例,例如在丹麦、瑞典、法国均已占70%以上[4].中国装配式结构起步较晚,机械化程度低,阻碍了装配式复合墙板的发展,目前可单独或通过复合后用作外墙板的材料有：预应力混凝土空心板(SP)、预制装配式混凝土结构(PC)、玻璃纤维增强水泥轻质多孔隔墙条板(GRC)、蒸压加气混凝土外墙板(ALC)、纤维水泥复合夹芯板(FC)等[5].

国内外许多学者结合实物试验和数值模拟,对复合墙体的受力性能和抗震性能进行了研究[6-8].针对中空挤出成型纤维水泥墙板(ECP墙板),饶宇等[9]指出装配式ECP墙体在7.5度大震(0.31g)及以下时,其钢框架、围护墙板及其连接件基本处于弹性工作状态,抗震性能良好.由于装配式建筑的承重构造大多为钢结构,建筑钢材虽然强度高、稳定性好,但其良好的导热性使得节点部位极易形成局部保温弱点,产生热桥效应.鉴于进行大量的复合墙体试验较为困难,因此本文采取有限元模拟方法对ECP复合墙体的热工性能进行研究,根据模拟结果分析ECP复合墙体的传热系数、温度场和各参数的影响情况.

1 物理模型

1.1 外围护结构基本构造

中空挤出成型纤维水泥墙板(ECP墙板)是以硅质材料(如天然石粉、粉煤灰、尾矿等)、水泥、纤维等为主要原料,通过真空高压挤塑成型中空型板材,然后通过高温高压蒸汽养护而成的新型建筑水泥墙板,相比一般板材强度更高、表面吸水率更低、隔声效果更好[10].

ECP墙板尺寸大、质轻,通过角钢干挂在建筑外墙上,上下层墙板之间预留10mm施工缝,进行“断桥”处理.ECP墙板是非结构的装饰构件,为防止由温度、地震或风荷载等外部因素引起板材损坏,板材节点连接选用柔性连接形式,即板材自重荷载由承重角钢承担,水平荷载由 Z 形连接件承担.板材通过间隙错位移动,从而避免因板材之间相互碰撞而造成的墙体破坏或脱落.Z型连接件材料选用Q235,并采取热镀锌防腐处理.根据ECP墙板的重力与风压计算其支撑龙骨抗弯情况,规定角钢尺寸为50mm×50mm×6mm.图1为钢结构竖装ECP墙板间层构造;图2为ECP复合墙体基本构造,从内到外依次是10mm水泥砂浆面、100mm加气混凝土砌块、80mm 保温层、80mm封闭空气间层和60mm ECP墙板.

图1 钢结构竖装ECP墙板间层构造图Fig.1 Structural drawing of steel structure vertical installation ECP plate(size:mm)

图2 ECP复合墙体示意图Fig.2 Schematic diagram of ECP composite wall(size:mm)

1.2 ECP复合墙体传热系数

n层材料组成的墙体传热系数K与材料层厚度di和导热系数λi有关(i=1、2、…、n).不考虑热桥的影响,由公式R0=Ri+R1+…+Rn+Re(Ri、Re分别为墙体内、外表面热阻)计算出其总热阻R0,再通过K=1/R0得出ECP复合墙体的传热系数.ECP复合墙体中的保温层材料分别选取岩棉、矿棉、玻璃棉、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯硬泡沫塑料,所得到的ECP复合墙体用W1～W5表示，其传热系数计算结果见表1.由表1可知,ECP复合墙体的传热系数为0.226～0.319W/(m2·K).JGJ 26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》规定，寒冷地区外墙传热系数限值为0.35W/(m2·K).若ECP复合墙体中的保温层分别采用上述5种保温材料,其外墙传热系数均小于上述节能设计标准中规定的限值.

1.3 参数设置

运用ANSYS有限元模拟软件分析ECP复合墙体在寒冷地区的传热情况.假设墙体所处环境温度恒定,将有限元模型简化为稳态传热.张举[11]研究膨胀螺栓对一体化系统传热的影响时,将墙体传热系数按面积加权法来计算,得出考虑膨胀螺栓时的墙体传热系数仅增大了1.27%,对墙体传热影响较小.ECP墙板最大尺寸为600mm(长)×4000mm(宽),因板材质轻,当其厚度为60mm时,仅需要4个Z字型连接件来承载板材质量,故可忽略膨胀螺栓构件.

表1 ECP复合墙体传热系数Table 1 Heat transfer coefficient of ECP composite wall

本文针对寒冷地区的典型城市—天津地区进行数值模拟.根据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》,冬季室内计算采暖温度为18℃,室外计算温度值为-9℃,墙体内、外表面换热系数分别取8.7W/(m2·K)和23.0W/(m2·K),ECP复合墙体组成材料的热工参数见表2.墙体模拟采用第3类边界条件,墙体断面设定为绝热条件.将ECP复合墙体视为无内热源多层复合墙体,各层材料彼此之间的接触良好,热阻忽略不计.

表2 ECP复合墙体组成材料的热工参数Table 2 Thermal parameters of ECP composite wall material

1.4 网格划分

对ECP复合墙体的有限元模型进行网格划分.因简化后的墙体形状规则,在满足精度要求的情况下,采用自由划分,网格划分尺寸设置为2.5mm.网格划分图如图3所示.

图3 网格划分Fig.3 Mesh diagram

2 二维平壁传热模拟结果与理论计算结果对比

计算模型为10mm水泥砂浆面、100mm加气混凝土条板、80mm岩棉板、80mm封闭空气间层以及60mm ECP墙板；复合墙体的内表面换热阻Ri=0.11(m2·K)/W,外表面换热阻Re=0.04(m2·K)/W,室内计算温度ti=18℃,室外计算温度te=-9℃.

(2)有限元模拟.模拟结果如图4所示.由图4可知，模拟得到的θe=-8.65℃,θi=17.09℃,热流量q=7.96W/m2;在稳定传热下,墙体为平壁时的传热公式为q=K(θi-θe),得到K=0.309W/(m2·K) .

图4 有限元模拟结果Fig.4 Finite element simulation results

对比可知，有限元模拟结果与理论计算值相近,复合墙体的内、外表面模拟温度略低于计算温度,传热系数值则高于计算数据.程海峰[12]研究了空气间层定型尺寸对系统传热性能的影响,结果表明当空气间层厚度为0～20mm 时,其热阻随着间层厚度的增加近似呈线性增加;随着间层厚度的继续增大,空气间层热阻的增量递减；当空气间层厚度为65mm 左右时,热阻取得最大值.本文所研究的ECP复合墙体空气间层厚度为80mm,此时间层内的热阻达不到理想状态值,从而验证了ANSYS有限元二维稳态热桥计算软件的正确性.

3 数值模拟结果分析

将单位面积耗热量较大的梁柱节点作为研究对象,模拟其在一定热环境下的温度分布,确定热桥处的内表面最低温度是否低于露点温度,即是否会发生结露现象.冬季室内计算温度为18.0℃时,露点温度为10.1℃.

本文主要针对钢柱形式、保温材料类型以及钢柱外保温层厚度进行研究.通过上述参数设置,简化过的空心方钢柱和H型钢柱节点构造如图5所示.根据实际测试与温度场模拟可知,热桥侧向散热的影响范围为墙体厚度的1.5～2.0倍[13],因而钢柱两边延伸长度为墙体厚度的2.0倍,即660mm.钢柱采用H型钢柱、空心方钢柱和方钢管混凝土柱3种常见形式,选取3种钢柱的截面尺寸为：空心方钢柱尺寸200mm×200mm×8mm,H型钢柱尺寸200mm×200mm×8mm×8mm,方钢管混凝土柱尺寸200mm×200mm×8mm.

图5 钢柱节点简化构造图Fig.5 Simplified structural diagram of steel column joints(size:mm)

3.1 墙体编号

根据钢柱形式和墙体保温材料类型划分墙体编号.其中：A表示空心方钢柱、H表示H型钢柱、C表示方钢管混凝土柱;1表示保温材料为岩棉板、2表示保温材料为矿棉板、3表示保温材料为玻璃棉板、4表示保温材料为挤塑聚苯乙烯泡沫塑料、5表示保温材料为聚氨酯硬泡沫塑料.

3.2 有限元模拟分析

3.2.1钢柱无外保温

图6为钢柱不采用外保温措施时,分别采用5种保温材料的ECP复合墙体在3种钢柱形式下所模拟出的热桥及其附近区域的温度曲线图.

图6 ECP复合墙体内表面温度-距钢柱中心距离的关系曲线Fig.6 Internal surface temperature of ECP composite wall as a function of distance from steel column center

由图6(a)可知:空心方钢柱附近墙体的内表面温度比主墙体内表面温度低,在x轴水平方向上,当距钢柱中心距离x≤220mm时,墙体内表面温度变化较大;当x>220mm时,墙体内表面温度变化逐渐减小.当0mm≤x<660mm时,墙体内表面温度大小为A2

由于与空心方钢柱形式相同,仅是钢柱内夹芯材料有差别,故图6(b)与图6(a)变化趋势相同.当距方钢管混凝土柱中心水平距离x=73mm时,5种保温材料中,保温材料为矿棉板时的墙体内表面温度最低,温度为12.47℃,大于空气露点温度,说明当钢柱形式为方钢管混凝土柱时,保温层分别采用5种保温材料的ECP复合墙体都不会产生结露现象.由图6(b)可知：C1热桥影响范围为195.9mm、C2热桥影响范围为192.9mm、C3热桥影响范围为197.8mm、C4热桥影响范围为200.2mm、C5热桥影响范围为202.9mm.即5种保温材料对于方钢管混凝土柱热桥的影响范围由小到大为：矿棉<岩棉<玻璃棉<聚苯乙烯<聚氨酯,与空心方钢柱的热桥影响范围排列顺序相同,但影响范围都大于空心方钢柱.因此,根据墙体内表面温度和热桥影响范围，得到结构柱体节能效率为：空心方钢柱>方钢管混凝土柱.

由图6(c)可知：采用H型钢柱时,当0mm≤x<73mm时,墙体内表面温度大小为H3空心方钢柱.

3.2.2钢柱有外保温

建筑钢材自身导热系数与周围墙体相差较大,使得此处墙体的热量流失较大,建筑能耗增加.钢柱热桥处不采取局部外保温措施时,A1墙体的内表面最低温度为12.63℃,低于主墙体内表面温度4.46℃,热流密度更是达到46.64W/m2,比主墙体热流密度大38.68W/m2,造成局部热流密度过大,即热桥的存在会导致建筑能耗增加.表3为3种形式钢柱在采用外保温措施且保温层厚度从0mm开始,以5mm为间隔依次递增至50mm时，ECP复合墙体的内表面最低温度.

分析表3数据可知：对热桥部位进行局部外保温设计后,墙体内表面最低温度得到了明显提升,可有效减小墙体能耗；钢柱形式相同时,保温材料为聚氨酯硬泡沫塑料时的墙体内表面最低温度值最大；H型钢柱的内表面最低温度在11种工况下都大于空心方钢柱和方钢管混凝土柱,且H型钢柱从无外保温措施到有外保温措施时,墙体内表面最低温度的提升幅度大于其他2种钢柱形式.

表3 不同形式钢柱外保温层厚度与ECP复合墙体内表面最低温度关系Table 3 Relationship between external thermal insulation thickness of different steel columns and minimum temperature of inner surface of ECP composite wall ℃

由表3中A1～A5的数据可知,钢柱热桥处采用外保温措施后,墙体内表面最低温度最大可升高3.61℃,热流的损失量大幅度减小,热流密度由46.05W/m2降低至14.50W/m2;若以Δt=0.5℃判断热桥的影响范围,其影响范围A1为129.84mm、A2为133.89mm、A3为126.38mm、A4为122.33mm、A5为114.2mm,即空心方钢柱在增设50mm外保温层后,5种保温材料对其热桥影响范围由小到大为聚氨酯<聚苯乙烯<玻璃棉<岩棉<矿棉,与未采取保温措施时相反.由C1～C5数据可知,钢柱热桥处采用外保温措施后,墙体内表面最低温度最大可升高3.70℃,热桥处热流密度由46.64W/降低至14.66W/m2,降低幅度为31.98W/m2;若以Δt=0.5℃判断热桥的影响范围,其影响范围C1为130.21mm、C2为134.82mm、C3为127.03mm、C4为122.55mm、C5为115.84mm,即方钢管混凝土柱在增设50mm外保温层后,5种保温材料对其热桥影响范围由小到大为聚氨酯<聚苯乙烯<玻璃棉<岩棉<矿棉.由H1～H5数据可知,钢柱热桥处采用外保温措施后,墙体内表面最低温度最大可升高3.54℃,热流密度由45.03W/m2降低至14.37W/m2;热桥影响范围H1为128.98mm、H2为128.64mm、H3为119.16mm、H4为110.04mm、H5为106.55mm,即H型钢柱在增设50mm外保温层后,5种保温材料对其热桥影响区域由小到大为聚氨酯<聚苯乙烯<玻璃棉<矿棉<岩棉.

3.3 模拟结果优化建议

(1)钢柱的存在使得ECP复合墙体的热阻值大大降低,对钢柱采取外保温措施可有效减小热桥的影响.

(2)当封闭空气间层厚度达到20mm后,随着该厚度的增大,间层热阻的增量越来越小;当间层厚度接近65mm时,间层热阻取得最大值;当间层厚度大于65mm后,间层热阻有减小的趋势[12].表明空气间层厚度过大并不会增加围护结构的热阻,因此可以适当减小空气间层厚度,提高ECP复合墙体的热工性能.

(3)周伟[15]对H型钢柱节能设计构造进行分析后,得到减小腹板厚度、增大腹板高度对节能有利的结论.腹板开孔后可有效降低热桥效应,而表面孔长是影响墙体传热性能的最重要参数;孔横向间距对墙体传热有较大影响[16].因此通过合适的钢梁尺寸和开孔参数设计,可有效提高ECP复合墙体的平均传热系数.

4 结论

(1)ECP复合墙体的传热系数为0.226～0.319W/(m2·K),低于JGJ 26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》对于寒冷地区外墙传热系数最高为0.35W/(m2·K)这一限值要求.

(2)ECP板材面积大、质量轻,一般采用外挂式构造.该构造下梁柱处于板材内部,一般不存在梁柱节点热桥问题.通过ANSYS有限元模拟,验证了3种钢柱形式在天津(寒冷)地区,热桥部位内表面最低温度均高于露点温度,不存在墙体表面结露现象.

(3)不同钢柱形式,其热桥部位的影响范围不同,在设计时应注意热桥部位的处理,防止大量热流损失.根据ECP复合墙体内表面最低温度和热桥影响范围得出3种形式钢结构柱体节能效率存在以下关系：H型钢柱>空心方钢管柱>方钢管混凝土柱.

(4)钢柱采用外保温措施后,ECP复合墙体的热损失降低,内表面最低温度升高,热桥影响范围减小,保温隔热性能显著提高.保温材料为聚氨酯时其墙体内表面最低温度提升幅度大,尤其是保温层厚度从0mm变为5mm时,热桥处热流密度可由46.64W/m2降低至14.66W/m2,表明聚氨酯保温材料对于热桥处的保温性能贡献较大.对节能要求较高的地区,可优先考虑采用聚氨酯作为墙体保温材料.