新型岩棉夹芯彩钢板冷桥结露现象的分析研究

郝英奇，丁克伟，程晨，夏珊

（安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601）

1 研究背景

冷桥主要指建筑物围护结构与外部环境进行热传导时,因为围护结构中一些部位的传热系数显著大于其他部位，使得这些部位之间的热量被集中传递，从而增大了负载和能源消耗。[1]冷桥会造成空间冷却消耗增加，浪费了耗冷能量；会在温度较高一侧出现凝结水，从而影响保温材料的隔热性能；冷桥不但会造成热量损失，还会成为保温结构的薄弱环节，造成该处温度较高的一侧凝露、结霜、保温层受潮失效，严重时还使结构层受冻损坏。因此避免冷桥结露现象的出现，是当今岩棉夹芯彩钢板市场急需解决的一个问题。

现在市场上检验岩棉夹芯彩钢板优劣的一个重要条件，是验证其在室内冷桥部位会不会出现结露。安徽三宝钢构有限公司采用先进的生产技术生产出一种新型岩棉夹芯彩钢板，其结构简单，集防水、隔热、保温和耐火功能于一体，外形美观，结构强度高，可广泛用于船舶、冶金、电力、建筑等领域。本文通过ANSYS有限元软件的热分析以及热分析的模拟结果，以验证本产品是否在室内冷桥部位出现结露现象。

2 新型岩棉夹芯彩钢板的构造与尺寸

图1 新型岩棉夹芯彩钢板结构示意图

图2 新型岩棉夹芯彩钢板热工分析模型图

彩钢板上下两层是金属薄板，芯材为有一定刚度的岩棉，是在专用的自动化生产线上复合而成的具有承载力的结构板材，也称为“三明治”板。岩棉夹芯板夹芯层从上到下由隔热层、保温层和耐火层等组成。板体的两端固定安装有槽型钢，槽型钢内安装有多个螺孔，在板体的上端面设有防水板，防水板向外拱出并形成瓦状结构，在防水板的两侧还分别设有集水槽，防水板的材质为不锈钢。见图1。

主要尺寸参数：岩棉板长1.2m，宽0.95m，上下金属薄板分别厚0.6mm和0.5mm，岩棉层厚75mm。

3 ANSYS热分析理论和热分析的方法路线简介

3.1 ANSYS热分析理论简介

ANSYS热分析可以模拟热传导、对流及辐射三种热传递方式，主要用于计算构件的热物理参数，分析构件的温度场分布，其遵循热力学第一定律，采用有限元方法计算每个节点的温度和导出需要的热物理参数。在ANSYS程序中，热分析主要为稳态分析和瞬态分析两大类。对于稳态分析：Q=ΔU=0，表示流入系统的热量与流出系统的热量平衡；对于瞬态分析：q=，表示一个系统的温度，系统内能等是时间变化的函数。本文研究的是新型岩棉夹芯彩钢板的热稳态分析。[1][2]

3.2 ANSYS热分析的方法路线简介

ANSYS热分析一般有如下三个步骤：

①建模，命名文件名→定义单元类型→定义单元实常数→定义材料特性→建立几何模型→划分网格；

②施加载荷计算，定义分析类型→施加载荷→确定加荷步→求解→保存分析结果；

图3 新型岩棉夹芯彩钢板热流密度图

③后处理，ANSYS热分析的结果在*.rth文件中，它包含节点温度以及节点和单元的热流密度，对于稳态热分析，可以使用后处理POST1进行后处理。[1][3]

4 ANSYS有限元分析过程

4.1 模型建立

按照试件的实际尺寸：板长1.2m,宽0.95m,岩棉层厚75mm,上下面材分别厚0.6mm、0.5mm。运用ANSYS有限元分析软件建立上述彩钢板的有限元模型。有限元建模之后并划分网格的模型如图2所示。

4.2 单元选择

彩钢金属面选用有限应变壳单元SHELL131。岩棉保温材料单元选择SOLID70。本文只做稳态热分析，因此只选取一个自由度即温度。

4.3 材料参数

新型岩棉夹芯彩钢板主要由金属面、岩棉等材料组成，根据《民用建筑热工设计规范》（GB50176-93）的规定,材料的具体热工参数见表1。

图4 新型岩棉夹芯彩钢板节点温度场分布图

材料热工参数表 表1

4.4 施加荷载

边界条件：①按照《民用建筑热工设计规范》（GB50176-93）的规定，安徽地区属于夏热冬冷地区，本地区供暖时，室内外平均温度分别取18℃和-7℃；②按照《实用供热空调设计手册》的规定，室内外对流换热系数分别取8.7W/(m2·K)和23.3W/(m2·K)。[1][4]

4.5 数值模拟结果

运用ANSYS软件对图3的模型施加边界条件，再设置岩棉和钢材的热工性能参数，分别计算得到新型岩棉夹芯彩钢板的温度场分布图及热流密度矢量图，具体结果见图3和图4。

4.6 结论分析

图3和图4分别为新型岩棉夹芯彩钢板的热流密度图和温度场分布图。按照《民用建筑热工设计规范》（GB50176-93）的规定，室内温度为18℃且室内空气相对湿度为60%时，可得出室内空气露点温度为10.1℃。彩钢板冷桥部位的内表面温度值是决定室内是否出现结露的关键因素，其必须要高于室内湿度条件下的露点温度。[1][5]

①由图3可以看出，热流密度最大的部位为彩钢板的岩棉材料处，仅为17.283W/m2，热流损失很小。

②由图4可以看出，本文所研究新型岩棉夹芯彩钢板会有结露现象，因为冷桥处内表面温度为-0.6℃<10.1℃，且室内空气相对湿度较大。

③本产品在作屋面板以及外墙板的时候，在板体的上端面设有防水板，防水板向外拱出并形成瓦状结构，在防水板的两侧还分别设有集水槽（见图1）。这样，冷桥结露现象产生的水滴会及时汇进集水槽排出，并且防水板也大大增强了彩钢板的防水性能。这种做法不仅极大程度上消除了结露现象，还提高了板体的结构强度。因此，本产品适用于做建筑外墙板以及屋面板，不适用于在室内相对湿度较大的情况下做建筑内墙板。

5 结语和展望

通过上述的ANSYS有限元软件的数值分析，可以看出安徽三宝钢构有限公司生产的新型岩棉夹芯彩钢板虽然在室内相对湿度较大的情况下做建筑内墙板时会有结露现象，但是在做建筑外墙板以及屋面板时，由于独特的防水板和集水槽的设计，使得彩钢板大大消除了结露现象并且提高了板体的结构强度。

从上述分析中可以发现，本产品存在的主要问题是做内墙板时无法消除冷桥现象。因此，在以后的研究生产中，希望加大这方面的研究力度，研究出可以消除冷桥现象的新型金属面材或者改变此板做内墙板时候的构造，以达到可以消除冷桥结露现象的目的。

[1]张立志.新型高效夹心保温复合墙体的构造与性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[2]王建江，胡仁喜，刘英林.结构与热力学有限元分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3]王刚.新型夹芯保温复合墙板性能研究[D].合肥：安徽建筑大学，2013.

[4]GB50176-93，民用建筑热工设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，1993.

[5]夏光辉.新型夹芯保温复合墙板力学及热工性能研究[D].合肥：安徽建筑大学，2013.

[6]解维益.金属面绝热用夹芯板保温隔热和力学性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

[7]Antonio Galagno，Colomba Di Blasi，Eva Milella.ThermalResponse to Fire of a Fibre-Reinforced Sandwich Panel:ModelFormulation，Selection of Intrinsic Properties and ExperimentalValidation[J].Polymer Degradation and Stability，2009.