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1、保溫建筑維護結構熱橋傳熱分析 隨著建筑節能工作的開展,新型保溫建筑大量涌現,熱橋在新型保溫建筑中的影響遠遠大于傳統建筑。本文分析了建筑中的熱橋類型及其能耗,提供了在住宅建筑的節能設計中熱橋傳熱系數計算方法。通過熱橋傳熱計算的方法,分析并準確把握建筑維護構件的熱工性能,從而指導維護結構的節能方案設計。 引言 研究表明,目前:我國在節能建筑中,墻體耗熱占總能耗的比例已經由40%下降到15%,而熱橋耗熱占總能耗的比例卻由7%提高到20%。熱橋的危害還在于其增加了墻體局部傳熱,降低了墻體平均熱阻,惡化了圍護結構內表面的溫度環境,節點處內表面溫度有可能低于室內露點溫度,使得墻體內表面結露,傳熱在濕工況下2、進行,形成惡性循環。熱橋影響著圍護結構的整體保溫效果,有必要對熱橋進行準確的分析,采取各種技術措施降低熱橋能耗,以促進保溫結構的進一步完善。 熱橋是指建筑圍護結構中的一些部位,在室內外溫差的作用下,形成熱流相對密集、內表面溫度較低的區域,這些部位成為傳熱較多的橋梁,故稱為熱橋,有時又可稱為冷橋。熱橋往往是由于該部位的傳熱系數比相鄰部位大得多、保溫性能差得多所致,在圍護結構中這是一種十分常見的現象。我國對熱橋的研究較少,建筑設計者在進行熱負荷計算及節能工作者在計算建筑耗熱量時,對熱橋熱損失很難進行定量分析,一般經常經驗地假定一個熱橋附加耗熱系數,其結果使得熱負荷計算值不準確,因此對熱橋進行準確的3、計算分析,有利于更好地了解熱橋能耗對整個建筑傳熱的影響。 1熱橋主要類型及其能耗分析 根據建筑結構和構造特點,將熱橋分為九大類:內墻角、外墻角、窗左右側、窗上下側、陽臺、屋頂、地角、其他。各類型熱橋由于結構不同對建筑熱負荷的影響也不同。 內墻角和外墻角統稱為陰角,此部位的受熱面積小于放熱面積,我國以放熱面積為準計算傳熱量是比較安全的。在墻體結構局部不發生變化的情況下,計算得出的傳熱量大于實際傳熱量;當有構造柱穿過外墻時或由于構造上的要求保溫層出現斷點(內保溫間墻)的情況下,計算得出的傳熱量要小于真實傳熱量。 窗左右側熱橋是由于窗洞口造成,窗框寬度小于墻體厚度,形成熱流通路。窗上下側熱橋一方面是4、由于窗洞口造成,另一方面是由于窗上有過梁、窗下有窗臺板這也形成熱流通路。此外,復合墻體在窗洞口處,由于結構及施工的要求,保溫層有可能出現斷點,也是形 成熱橋的原因。通常設計時習慣采用的窗的傳熱系數雙層木窗為2.91W/(m2?K),雙層鋼窗為3.26 W/(m2?K)是包括了窗周邊傳熱的,即包括了窗左右側和窗上下側熱橋附加熱損失的。這樣的簡化處理方法對以往的單一的墻體形式和外窗形式來說是可以的。但對于目前繁多的外墻形式和外窗形式情況下,窗洞口的熱橋傳熱差別很大,國際標準中規定:實測時只考慮窗戶本身的傳熱量,而不包括窗洞的附加值。用實測數值直接拿來計算窗熱負荷顯然是不行的。計算窗熱負荷時必須考慮5、到窗口周邊熱橋的影響。 陽臺由于結構上的要求,大量使用混凝土,尤其對于復合保溫墻體,陽臺處外墻保溫材料被切斷,陽臺門、陽臺窗、陽臺板處均存在著熱橋。同時,由于陽臺的封閉及其他保溫措施的采取,陽臺內溫度提高,相對的陽臺熱橋也得到了一定程度的緩解。 屋頂熱橋指屋頂和外墻相交的部位,頂層房間過梁、圈梁離屋頂較近,將其歸類為屋頂熱橋一起考慮。屋頂處受熱面積小于放熱面積,同時屋頂內角對流換熱和輻射換熱差,造成此部位綜合傳熱系數小,屋頂內角溫度較低。一般講,屋頂熱橋使建筑熱負荷增加3%左右。2保溫建筑圍護結構熱橋傳熱計算方法 熱橋對建筑耗熱量指標的影響在于加大建筑耗熱量指標,而熱橋對建筑熱負荷的影響不僅在6、于加大了建筑采暖熱負荷,還在于改變房間之間的負荷比例,即各房間采暖熱負荷增大的程度因其所包括的熱橋不同而不同。只有準確地計算出建筑熱負荷的大小,方能設計出好的供熱系統。針對以上的熱橋類型,有以下三種熱橋傳熱計算方法。 2.1數值傳熱計算方法 熱橋屬多維動態傳熱,工程領域較精確的計算方法一般應用二維穩態傳熱理論,采用數值傳熱計算方法。有限元法是數值傳熱計算方法進行熱橋傳熱分析較常用的方法之一。 有限元法是古典變分法與有限差分法相結合的產物,采用區域離散化方法將古典變分法改進為數值計算,特別適用于物體的形狀復雜、變物性、非均質或具有非線性邊界條件導熱問題分析。有限元法導熱問題求解步驟概括如下:采用7、加權余量法將導熱問題轉 換為變分問題;將所分析的區域離散化;構造單元內的溫度差值函數;根據變分計算式導出單元變分計算的代數方程組;進行總體合成;代數方程組求解。 采用穩態下的二維導熱過程,與外界的換熱僅發生在內、外兩個表面上,其二維穩態無內熱源導熱微分方程為: 如果采用ANSYS有限元計算軟件進行熱橋傳熱的有限元分析計算,其分析過程包括三個主要的步驟:前處理:創建或讀入幾何模型,定義材料屬性,劃分網格(節點及單元),施加載荷選項、設定約束條件。求解:計算,查看分析結果(分析是否正確)。后處理:根據需要做出各種圖像。用有限元分析單元網格計算時建議采用精度高、運算時間短的三角形六節點等參單元進行計8、算4。 2.2內表面溫度驗算方法 2.2.1 幾種常用熱橋形式內表面溫度計算 2.2.2單一材料內表面溫度計算 有些建筑物的圍護結構采用的是單一材料外墻板,在外墻轉角處,因吸熱面小,散熱面大而形成熱橋,內表面溫度較低,容易出現結露,因而應驗算其內表面溫度。根據外墻總熱阻的大小先確定一個比例系數值,然后計算內表面溫度,再根據內表面溫度和露點溫度計算最小附加熱阻。單一材料外墻轉角內表面溫度和最小附加熱阻值可分別按式(5)和式(6)計算: 2.3墻體平均傳熱系數計算方法 外墻平均傳熱系數是外墻包括主墻體及其周邊結構性熱橋(構造柱、圈梁以及樓板伸入外墻部分等)部位在內的傳熱系數平均值。當主墻體與周邊熱9、橋采用不同材料或外墻采用內保溫時,熱橋部位的傳熱系數往往會大于主墻體。故建筑節能設計標準都以外墻的平均傳熱系數作為外墻的一項熱工性能指標和控制指標,這是符合建筑物實際情況的。因此,在進行建筑物的節能設計時,必須計算外墻的平均傳熱系數。本文主要闡述熱橋部位的計算方法。 2.3.1 主墻體和周邊熱橋部位的傳熱系數計算 主墻體和周邊熱橋均為建筑物外墻的組成部分,但兩者在構造和用料上可能不同。如主墻體可采用混凝土空心砌塊、混凝土多孔磚、加氣混凝土砌塊、粘土多孔磚等砌筑,或 鋼筋混凝土現澆;而構造柱、圈梁和樓板則大多為鋼筋混凝土結構(目前已有少數采用鋼結構)。然而,對它們傳熱系數的計算在方法上是相同的,10、都是通過對結構熱阻R和總熱阻Ro的計算得出。其中,總熱阻R0為結構本身熱阻R與內、外表面換熱阻(分別為Ri、Re)之和;而在一般情況下,Ri、Re可分別取0.11m2?K/W和0.04m2?K/W(按冬季條件)。因此,外墻各部位傳熱系數的計算式均可表達為: 2.3.2丁字墻構造柱部位和樓板端頭部位傳熱系數的計算 外墻主墻體的周邊熱橋主要包括構造柱、圈梁和樓板端頭三部分。其中構造柱位于有內隔墻的丁字墻部位,而樓板端頭是與樓板整體相連,因而這兩個熱橋部位的傳熱系數計算有其一定的特殊性(圈梁或如有位于主墻體中間的構造柱,其計算與主墻體完全相同),其K值的計算應明確以下二項要求: (1)熱阻(R)的結11、構計算厚度應與主墻體相同。如主墻體有內保溫層或內抹灰層,應分別計人與內保溫層或內抹灰層相同厚度的內隔墻或樓板的熱阻;如主墻體有外保溫或外抹灰層.則熱橋部位也應計入其熱阻(圖2)。 (2)雖該兩處熱橋內側分別有內隔墻或樓板延伸,在計算總熱阻(Ro)時,仍應計人與主墻體部位相同的內、外表面換熱阻,即0.11+0.04=0.15m2 K/W。 根據上述兩項計算要求,對照圖2可列出丁字墻構造柱部位傳熱系數(Ke,)和樓板端頭部位傳熱系數(KB3)的具體計算如式(8)和式(9): 3結語 熱橋種類繁多而且與各地氣候條件密切相關,因此,在進行熱橋傳熱分析時,只有了解工程的實際情況和熟悉建筑物的實際構造,選擇相應的計算方法,計算結果才能準確、科學。 建筑保溫早已引起足夠重視,多種多樣成熟而有效的保溫措施紛紛被采用,獲得了良好的節能效果。可是建筑外墻如何進行保溫、減少或避免熱橋,至今還在研究實踐之中,正在努力尋找科學合理、性能優異的外墻保溫技術。