三种围护结构热桥传热特性数值分析

【摘　要】本文基于FLUENT软件，采用三维非稳态导热模型来模拟研究传统典型围护结构及节能建筑维护结构的传热特性，对比分析了室外环境温度周期性变化条件下，37墙、49墙及节能墙墙体热桥与主墙体处的传热规律。对比分析表明，节能型围护结构具有温度衰减倍数大、延迟时间长、内表面温度高等优良的性能。

【关键词】数值模拟；围护结构；热桥传热特性；动态分析

0.概述

本文使用FLUENT软件及其相关技术、结合相关理论，尝试对传统建筑围护结构及节能建筑围护结构的热桥传热特性进行对比研究。

1.物理模型的建立及简化

1.1物理模型的建立

三种墙体主墙体均宽为3m，高为4m；窗宽为1.5m，高为1.6m；圈梁宽度为4m，高为1.2m，厚为砖墙厚度；过梁宽度为2.5m，高为1.2m，厚为砖墙厚度；外抹水泥砂浆厚与内抹石灰水泥砂浆均为0.02m；发泡聚乙烯苯板厚为0.08m；普通玻璃宽与高同窗一样，而厚为0.01m，节能中空玻璃宽与高同窗一样，厚度为0.02m。坐标原点位于砖墙中心点，墙体模型如图1所示：

图1　墙体模型

1.2物理模型的简化

（1）不考虑流体对墙体的辐射作用。

（2）仅以一面外墙作为研究对象，不考虑墙角处的柱。

（3）墙四周作为绝热壁面处理。

（4）室外温度按余弦函数变化，即：

T=245+7×cos（2×3.14159×t/24×3600） (2.1)

室内环境温度恒为291K(18℃)。

2.数值计算过程

2.1 FLUENT模拟计算过程

（1）在GAMBIT软件中创立37墙、49墙及节能墙体的几何模型和网格模型，并指定边界。

（2）启动FLUENT求解器。

（3）在FLUENT中导入网格模型。

（4）检查网格模型是否存在问题。

（5）选用稳态非藕合隐式求解器。

（6）确定计算模型——三维非稳态导热方程。

（7）设置材料特性参数。

（8）设置边界条件。

（9）调整用于控制求解的有关参数。

（10）初始化流场。

（11）开始求解。

（12）在稳态基础上进行非稳态求解。

（13）开始求解并显示求解结果。

（14）保存计算结果。

上述步骤本文不再一一介绍，下面重点介绍GAMBIT造型、边界条件的设置等几个主要步骤。

2.2几何模型构造及网格划分

首先，构造37墙、49墙及节能墙墙体模型。

其次，划分网格。在网格数量的选择上，一定要考虑计算精度的要求。网格划分情况如下：在x轴方向37墙、49墙及节能墙体的水泥砂浆与石灰水泥砂浆的网格尺寸为0.4cm，37墙、49墙砖墙网格尺寸为1cm，节能墙砖墙的网格尺寸为2cm，保温苯板的网格尺寸为1cm，37墙、49墙玻璃网格尺寸为0.2cm，节能墙玻璃网格尺寸为0.4cm；y轴方向三种墙体各部分网格尺寸均为3cm；z轴方向三种墙体的网格尺寸为5cm。

2.3材料物理参数及边界条件的设置

首先，对材料的物理参数进行设置。操作：Define-Materials…，选择材料类型为Solid，给各材料进行命名，并输入各种材料的计算参数。

其次，对边界条件进行设置。操作：Define-BoundaryCondition，对各边界进行设置，特别需要注意的是内、外表面边界条件采用的是第三类边界条件。采用导热第三类边界条件：对于表面换热系数 ，外墙表面取23.26W/（m2·K），内表面取8.74W/（m2·K）。室内温度为恒温291K，室外温度按余弦函数T=245+7×cos（2×3.14159×t/24×3600）变化。

3.数值计算结果及分析

3.1周期性外扰条件下热桥温度变化分析

图3.1　49墙温度随时间变化曲线

图３.2　节能墙温度随时间变化曲线

观察图３.1～图３.2。可以看出，相同的室外温度条件下，节能墙体内表面温度最高，为288K左右，49墙体温度为285K左右，而37墙最小，为282K左右。另外，从图中还可以看出节能墙体从点1到点2之间温度变化幅度特别大。这都是因为节能墙体存在保温板的原因，保温板导热系数小，热阻大，传递的热量少。其次，从温度波动周期分析曲线，可以看出温度波幅衰减值。

围护结构减弱温度波幅的能力，可用衰减倍数v表示[1]。对于整个结构来说，其传热衰减倍数vy是指围护结构减弱外扰波动的能力。室外环境温度波幅为14℃，三种墙体热桥处的衰减倍（下转第355页）（上接第91页）数如下：

Point1 37墙 1.52 49墙 1.56 节能墙 1.02；

Point2 37墙 5.38 49墙 8.75 节能墙 28.00；

Point3 37墙 14.00 49墙 28.00 节能墙 70.00。

可以看出，对于同种墙体，外表面点point1、中截面点point2与内表面点point3的衰减程度是依次增大的。对于point1，37墙与49墙的衰减程度差不多，而节能墙体的较小，这主要是因为节能墙体保温板导热系数小，热阻大，室内热量导不出来，节能墙体受室内温度影响较小而受外界环境温度波动影响较大。对于point2与point1，49墙的衰减倍数大于37墙，这是由于49墙比37墙厚的原因，而节能墙体的衰减倍数远远大于49墙，这要是保温板的导热系数小，热阻大，外界温度对保温板后的节点温度影响较小的原因。

3.3同种墙体热桥与主墙体温度变化对比分析

周期性外扰条件下的主墙体的温度变化分析由上述模型同样可以模拟，在此不再赘述，给出如下分析结果。

首先，对于温度衰减，三种墙体主墙体内表面温度均比热桥处内表面温度要大。而且从温度衰减倍数上看，三种墙体热桥与主墙体处，外表面衰减倍数变化不大，37墙与49墙在主墙体处略有减小，这是因为外表面受到室内温度的影响的原因。中表面与内表面衰减倍数增加较多，这是因为的梁的导热系数大，热阻小，室内向室外传递的热量较多，内表面受外界温度波动影响较大，而与梁相比砖的导热系数较小，热阻大，室内导出的热量较少，即内表面受外界温度波动影响较小，故衰减系数也大。节能墙体导热系数更小，衰减倍数更大。

对于时间延迟，三种主墙体处的时间延迟均大于热桥处的时间延迟，这主要是因为保温板与砖的热扩散率小于梁的原因，因此时间延迟增大。

4.结论

本文基于FLUENT软件模拟研究了传统建筑(37墙与49墙)和节能建筑围护结构的热桥主与墙体在室外环境温度周期性变化条件下的传热特性，结论如下：

4.1墙体的温度衰减倍数

无论传统墙体还是节能墙体，内表面热桥处的温度衰减倍数小于主墙体处的温度衰减倍数，而外表面无论是在热桥还是在主墙体处温度衰减倍数均相差不大。对于37墙、49墙与节能墙三种墙体，在相同位置处，内表面的衰减倍数依次增加，而外表面的衰减倍数相差不大。

4.2墙体的温度延迟规律

墙体外表面的延迟时间相差不大。而对于内表面，同种墙体主墙体处的延迟时间要高于热桥处的延迟时间；不同墙体相同部位，37墙与节能墙延迟时间相差不大，而小于49墙，这主要是因为节能墙体比37墙与49墙薄，对于相同厚度的三种墙体，保温墙的延迟时间远远大于37与49墙。这主要是由于保温苯板的导热系数远远小于砖与梁的导热系数。

总之，对比研究表明，节能墙体的传热特性明显优于传统墙体，这对于节能建筑的设计与推广都有十分重要的意义，热桥处加强传热，增加了热损失，应引起足够重视。

【参考文献】

［１］严启森,赵庆珠.建筑热过程[M].北京:中国建筑工业出版社,1991:42-44.

［２］樊洪明,曾剑龙,简毅文,江亿.维护结构三维导热数值仿真研究[J].建筑技术,2002,33(10):736-738.