1、保温建筑维护结构热桥传热分析 随着建筑节能工作的开展,新型保温建筑大量涌现,热桥在新型保温建筑中的影响远远大于传统建筑。本文分析了建筑中的热桥类型及其能耗,提供了在住宅建筑的节能设计中热桥传热系数计算方法。通过热桥传热计算的方法,分析并准确把握建筑维护构件的热工性能,从而指导维护结构的节能方案设计。 引言 研究表明,目前:我国在节能建筑中,墙体耗热占总能耗的比例已经由40%下降到15%,而热桥耗热占总能耗的比例却由7%提高到20%。热桥的危害还在于其增加了墙体局部传热,降低了墙体平均热阻,恶化了围护结构内表面的温度环境,节点处内表面温度有可能低于室内露点温度,使得墙体内表面结露,传热在湿工况下2、进行,形成恶性循环。热桥影响着围护结构的整体保温效果,有必要对热桥进行准确的分析,采取各种技术措施降低热桥能耗,以促进保温结构的进一步完善。 热桥是指建筑围护结构中的一些部位,在室内外温差的作用下,形成热流相对密集、内表面温度较低的区域,这些部位成为传热较多的桥梁,故称为热桥,有时又可称为冷桥。热桥往往是由于该部位的传热系数比相邻部位大得多、保温性能差得多所致,在围护结构中这是一种十分常见的现象。我国对热桥的研究较少,建筑设计者在进行热负荷计算及节能工作者在计算建筑耗热量时,对热桥热损失很难进行定量分析,一般经常经验地假定一个热桥附加耗热系数,其结果使得热负荷计算值不准确,因此对热桥进行准确的3、计算分析,有利于更好地了解热桥能耗对整个建筑传热的影响。 1热桥主要类型及其能耗分析 根据建筑结构和构造特点,将热桥分为九大类:内墙角、外墙角、窗左右侧、窗上下侧、阳台、屋顶、地角、其他。各类型热桥由于结构不同对建筑热负荷的影响也不同。 内墙角和外墙角统称为阴角,此部位的受热面积小于放热面积,我国以放热面积为准计算传热量是比较安全的。在墙体结构局部不发生变化的情况下,计算得出的传热量大于实际传热量;当有构造柱穿过外墙时或由于构造上的要求保温层出现断点(内保温间墙)的情况下,计算得出的传热量要小于真实传热量。 窗左右侧热桥是由于窗洞口造成,窗框宽度小于墙体厚度,形成热流通路。窗上下侧热桥一方面是4、由于窗洞口造成,另一方面是由于窗上有过梁、窗下有窗台板这也形成热流通路。此外,复合墙体在窗洞口处,由于结构及施工的要求,保温层有可能出现断点,也是形 成热桥的原因。通常设计时习惯采用的窗的传热系数双层木窗为2.91W/(m2?K),双层钢窗为3.26 W/(m2?K)是包括了窗周边传热的,即包括了窗左右侧和窗上下侧热桥附加热损失的。这样的简化处理方法对以往的单一的墙体形式和外窗形式来说是可以的。但对于目前繁多的外墙形式和外窗形式情况下,窗洞口的热桥传热差别很大,国际标准中规定:实测时只考虑窗户本身的传热量,而不包括窗洞的附加值。用实测数值直接拿来计算窗热负荷显然是不行的。计算窗热负荷时必须考虑5、到窗口周边热桥的影响。 阳台由于结构上的要求,大量使用混凝土,尤其对于复合保温墙体,阳台处外墙保温材料被切断,阳台门、阳台窗、阳台板处均存在着热桥。同时,由于阳台的封闭及其他保温措施的采取,阳台内温度提高,相对的阳台热桥也得到了一定程度的缓解。 屋顶热桥指屋顶和外墙相交的部位,顶层房间过梁、圈梁离屋顶较近,将其归类为屋顶热桥一起考虑。屋顶处受热面积小于放热面积,同时屋顶内角对流换热和辐射换热差,造成此部位综合传热系数小,屋顶内角温度较低。一般讲,屋顶热桥使建筑热负荷增加3%左右。2保温建筑围护结构热桥传热计算方法 热桥对建筑耗热量指标的影响在于加大建筑耗热量指标,而热桥对建筑热负荷的影响不仅在6、于加大了建筑采暖热负荷,还在于改变房间之间的负荷比例,即各房间采暖热负荷增大的程度因其所包括的热桥不同而不同。只有准确地计算出建筑热负荷的大小,方能设计出好的供热系统。针对以上的热桥类型,有以下三种热桥传热计算方法。 2.1数值传热计算方法 热桥属多维动态传热,工程领域较精确的计算方法一般应用二维稳态传热理论,采用数值传热计算方法。有限元法是数值传热计算方法进行热桥传热分析较常用的方法之一。 有限元法是古典变分法与有限差分法相结合的产物,采用区域离散化方法将古典变分法改进为数值计算,特别适用于物体的形状复杂、变物性、非均质或具有非线性边界条件导热问题分析。有限元法导热问题求解步骤概括如下:采用7、加权余量法将导热问题转 换为变分问题;将所分析的区域离散化;构造单元内的温度差值函数;根据变分计算式导出单元变分计算的代数方程组;进行总体合成;代数方程组求解。 采用稳态下的二维导热过程,与外界的换热仅发生在内、外两个表面上,其二维稳态无内热源导热微分方程为: 如果采用ANSYS有限元计算软件进行热桥传热的有限元分析计算,其分析过程包括三个主要的步骤:前处理:创建或读入几何模型,定义材料属性,划分网格(节点及单元),施加载荷选项、设定约束条件。求解:计算,查看分析结果(分析是否正确)。后处理:根据需要做出各种图像。用有限元分析单元网格计算时建议采用精度高、运算时间短的三角形六节点等参单元进行计8、算4。 2.2内表面温度验算方法 2.2.1 几种常用热桥形式内表面温度计算 2.2.2单一材料内表面温度计算 有些建筑物的围护结构采用的是单一材料外墙板,在外墙转角处,因吸热面小,散热面大而形成热桥,内表面温度较低,容易出现结露,因而应验算其内表面温度。根据外墙总热阻的大小先确定一个比例系数值,然后计算内表面温度,再根据内表面温度和露点温度计算最小附加热阻。单一材料外墙转角内表面温度和最小附加热阻值可分别按式(5)和式(6)计算: 2.3墙体平均传热系数计算方法 外墙平均传热系数是外墙包括主墙体及其周边结构性热桥(构造柱、圈梁以及楼板伸入外墙部分等)部位在内的传热系数平均值。当主墙体与周边热9、桥采用不同材料或外墙采用内保温时,热桥部位的传热系数往往会大于主墙体。故建筑节能设计标准都以外墙的平均传热系数作为外墙的一项热工性能指标和控制指标,这是符合建筑物实际情况的。因此,在进行建筑物的节能设计时,必须计算外墙的平均传热系数。本文主要阐述热桥部位的计算方法。 2.3.1 主墙体和周边热桥部位的传热系数计算 主墙体和周边热桥均为建筑物外墙的组成部分,但两者在构造和用料上可能不同。如主墙体可采用混凝土空心砌块、混凝土多孔砖、加气混凝土砌块、粘土多孔砖等砌筑,或 钢筋混凝土现浇;而构造柱、圈梁和楼板则大多为钢筋混凝土结构(目前已有少数采用钢结构)。然而,对它们传热系数的计算在方法上是相同的,10、都是通过对结构热阻R和总热阻Ro的计算得出。其中,总热阻R0为结构本身热阻R与内、外表面换热阻(分别为Ri、Re)之和;而在一般情况下,Ri、Re可分别取0.11m2?K/W和0.04m2?K/W(按冬季条件)。因此,外墙各部位传热系数的计算式均可表达为: 2.3.2丁字墙构造柱部位和楼板端头部位传热系数的计算 外墙主墙体的周边热桥主要包括构造柱、圈梁和楼板端头三部分。其中构造柱位于有内隔墙的丁字墙部位,而楼板端头是与楼板整体相连,因而这两个热桥部位的传热系数计算有其一定的特殊性(圈梁或如有位于主墙体中间的构造柱,其计算与主墙体完全相同),其K值的计算应明确以下二项要求: (1)热阻(R)的结11、构计算厚度应与主墙体相同。如主墙体有内保温层或内抹灰层,应分别计人与内保温层或内抹灰层相同厚度的内隔墙或楼板的热阻;如主墙体有外保温或外抹灰层.则热桥部位也应计入其热阻(图2)。 (2)虽该两处热桥内侧分别有内隔墙或楼板延伸,在计算总热阻(Ro)时,仍应计人与主墙体部位相同的内、外表面换热阻,即0.11+0.04=0.15m2 K/W。 根据上述两项计算要求,对照图2可列出丁字墙构造柱部位传热系数(Ke,)和楼板端头部位传热系数(KB3)的具体计算如式(8)和式(9): 3结语 热桥种类繁多而且与各地气候条件密切相关,因此,在进行热桥传热分析时,只有了解工程的实际情况和熟悉建筑物的实际构造,选择相应的计算方法,计算结果才能准确、科学。 建筑保温早已引起足够重视,多种多样成熟而有效的保温措施纷纷被采用,获得了良好的节能效果。可是建筑外墙如何进行保温、减少或避免热桥,至今还在研究实践之中,正在努力寻找科学合理、性能优异的外墙保温技术。