玻化微珠保温砂浆局部外保温系统热桥有限元分析

王亮

（山西建筑职业技术学院，山西 太原 030006）

玻化微珠保温砂浆局部外保温系统热桥有限元分析

王亮

（山西建筑职业技术学院，山西 太原 030006）

基于ANSYS有限元分析和温度场理论，针对外墙中柱和外墙角柱热桥部位进行数值模拟分析，通过改变热桥局部玻化微珠保温砂浆层厚度，分析研究不同保温层厚度条件下的温度场和热流密度分布。结果表明：局部玻化微珠保温层厚度对热桥部位的温度和热流密度影响比较明显。为了避免结露现象，外墙中柱的局部保温层厚度应大于20 mm，外墙角柱的局部保温层厚度应大于40 mm。采取局部保温处理时，外墙中柱的热桥影响区域为200 mm，外墙角柱的热桥影响区域为150 mm，热桥影响区域内损失的热量较多，所以应重视热桥影响区域的散热问题。相同条件下，外墙中柱比外墙角柱的热桥影响区域大，散热多，更应该加强保温处理。

ANSYS有限元分析；玻化微珠保温砂浆；温度场；热流密度；外墙中柱；外墙角柱；热桥

0 引言

当采用外墙自保温时，会有热桥现象，墙柱、墙梁板、门窗、阳台等使得热桥数量急剧增加，这部分热桥所占围护结构的比例相当大，因热桥而造成的建筑能耗达到了20%以上[1]。

玻化微珠保温砂浆具有很好的保温隔热性能，已经被大量应用到到建筑物的外围护结构的保温施工中，因此对该保温系统在热桥部位的研究非常有意义[2]。

本文运用ANSYS分析软件对外墙中柱、外墙角柱节点热桥部位进行数值模拟分析，通过改变热桥局部玻化微珠保温层厚度，分析不同玻化微珠保温层厚度条件下的温度场和热流密度分布，确定热桥的影响区域，进而得出玻化微珠保温层的最佳厚度。将两者热桥部位的结果进行对比，分析热桥对于两者的影响程度，为后续该系列保温系统的设计和优化提供一定的依据。

1 热桥的传热理论

1.1 自保温外墙围护结构的传热分析

自保温外墙围护结构有界面砂浆、保温砂浆、抗裂砂浆、饰面砂浆等多种材料组成。室外冷空气通过墙体以空气对流等形式传递到围护结构外表面，通过导热方式，这部分能量经多个界面层逐步传递到内表面，最后，降低了室内环境温度[3]。

1.2 传热模型的基本假定

（1）混凝土各向介质同性；（2）所用材料的性能不随温度改变；（3）结构内部没有热源和质量源；（4）各材料层与层之间不考虑辐射传热。

1.3 利用ANSYS软件进行二维稳态传热分析的原理

利用ANSYS进行热分析，对于稳态的热传递，其热平衡方程表示如下[4]：

式中：△Q——内部热。

相对应的有限元平衡方程为：

式中：K——传导矩阵，包含导热系数、对流密度、辐射率和形状系数；

T——节点温度向量；

Q——节点热流率向量，包含热生成。

2 热桥影响区域的定义

外墙和屋面等建筑围护结构中，由于其组成材料性能以及结构的不同形式，在室内外温差的作用下，墙柱、墙梁板、门窗、阳台等处的传热能力强，容易造成热流密集，散失大量的热量，且热桥处的内表面温度较低。由于热桥的存在，其周围部位也在被热桥影响，这部分受热桥影响的区域，其热流密度和温度分布均发生了变化，所以，将一定区域内受热桥影响的部分称之为热桥影响区域[5]。

3 模型的建立

按照GB/T 8239—2014《普通混凝土小型空心砌块》的要求，本文选取加气混凝土砌块墙体长度为1000 mm，厚度为200 mm，混凝土柱的截面尺寸为500 mm×500 mm。

运用ANSYS分析软件对外墙中柱、外墙角柱节点热桥部位有无局部保温进行有限元分析，将墙柱处的柱向墙体内部退，热桥柱外表面与墙体外表面不在同一个水平面上，形成凹形状，将柱向内退的范围内添加玻化微珠保温砂浆，对其进行局部保温处理。不进行局部保温处理是指热桥柱外表面与墙体外表面处于同一水平面[6]。分别对外墙中柱和外墙角柱进行传热分析，最后对两者的结果进行对比分析。通过改变热桥局部玻化微珠保温砂浆层的厚度，将外墙中柱和外墙角柱热桥柱局部的玻化微珠保温层的厚度h分别取：0、10、20、30、40、50 mm，其中h=0时表示热桥柱外表面与墙体外表面处于同一水平面，即热桥处不做保温处理。分析不同玻化微珠保温层厚度条件下的温度场和热流密度分布，确定热桥的影响区域，进而得出玻化微珠保温层的最佳厚度。本文以北方寒冷地区冬季采暖情况进行分析，严格按照规范取室内温度为20℃，空气湿度取60%，查室内露点温度表可知，此时空气露点温度为12℃，室内热表面换热系数取8.7 W/（m2·K）；取室外温度为-16℃，室外热表面换热系数取23 W/（m2·K）。为了保证热桥影响区域的准确性以及便于ANSYS模拟分析，将墙体的2个端面进行绝热处理[7]，其ANSYS分析模型如图1所示，各层材料的热工性能参数见表1。

图1 ANSYS分析模型示意

表1 各层材料的性能参数

4 外墙中柱热桥的数值模拟及结果分析

根据图1（a）外墙中柱构造的模型，利用ANSYS对柱热桥处进行模拟分析，得到局部不同保温层厚度下的热流密度和温度分布，如图2和图3所示。

图2 外墙中柱的热流密度

图3 外墙中柱的温度分布

由图2、图3可知，当外墙中柱不采取局部保温措施（h= 0）时，热桥中柱与墙体的交界处其热流密度最大，为100.73 W/m2。由于加气混凝土砌块自保温墙体的导热系数大大小于钢筋混凝土的导热系数，所以交界处的热流量相对较大。随着局部玻化微珠保温砂浆的保温层厚度的增大，热桥柱区域内的热流密度减小，同时热桥柱的影响区域内的整体温度增大，在向墙体扩展，且热流流向逐渐变的均匀，这是由于随着局部保温厚度的增加，热桥柱的导热系数和加气混凝土墙体的导热系数越来越接近导致的。

根据热桥影响区域的定义以及图2和图3的温度和热流密度，分别取交界处、距墙角100、150、200、500 mm处进行研究，得到不同局部保温层厚度下的温度和热流密度，如表2、表3所示。

表2 不同保温层厚度下墙体内表面不同位置处的温度

表3 不同保温层厚度下墙体内表面不同位置处的热流密度

由表2可以看出，热桥柱与加气混凝土墙体的交界处相对于其它位置温度最低，且保温层厚度分别为0和10 mm时，其对应的温度为8.02℃和11.66℃，均低于空气露点温度12℃，所以，交界处比较容易发生结露现象。随着局部保温层厚度的增大，交界处的温度逐渐升高，当局部保温层厚度大于20 mm时，交界处温度均高于露点温度，且和墙体其它位置的温度差越来越小。

由表3可以看出，局部保温层厚度从0增大到50 mm时，交界处的热流密度越来越小，且和墙体其它位置的热流密度越来越接近。

由表2、表3可以看出，当距墙角距离大于200 mm时，不同局部保温层厚度下的温度、热流密度非常接近，所以，结合

热桥影响区域的定义可知，外墙中柱热桥的影响区域为200 mm。

5 外墙角柱热桥的数值模拟结果分析

根据图1（b）外墙角柱的模型，利用ANSYS对柱热桥处进行模拟分析，得到局部不同保温层厚度下的热流密度和温度分布，如图4、图5所示。

图4 外墙角柱的热流密度

图5 外墙角柱的温度分布

由图4可以看出，当外墙角柱不做局部保温措施时，热桥角柱与加气混凝土墙体的交界处其热流密度最大，为123.21 W/m2。随着玻化微珠保温砂浆层厚度从0增大到50 mm，交界处的热流密度减小到47.54 W/m2，流经热桥柱的热流逐渐减少，一定程度上降低了墙体的内外热量交换，进而避免了结露的风险。

由图5可以看出，不同局部保温层下的外墙角柱的温度场分布大致相同，由于加气混凝土自保温墙体的导热系数大大低于钢筋混凝土柱，所以钢筋混凝土柱和墙体交界处的温度最低。由于热量在墙体处传递速度较快，所以构造中温度最大值出现在墙体和钢筋混凝土柱内表面。

不同保温层厚度下墙体内表面不同位置处的温度和热流密度见表4、表5。

表4 不同保温层厚度下墙体内表面不同位置处的温度

表5 不同保温层厚度下墙体内表面不同位置处的热流密度

由表4可以看出，热桥柱与加气混凝土墙体的交界处相对于其它位置温度最低，且保温层厚度分别为0、10、20、30 mm时，其对应的温度为4.14、7.65、9.66、11.01℃，均低于空气露点温度12℃，所以当局部保温层厚度小于30 mm时，交界处比较容易发生结露现象。当局部保温层厚度大于40 mm时，交界处温度高于露点温度，所以为了避免结露现象的发生，外墙角柱的局部保温层厚度应大于40 mm，此时，交界处与墙体的温度差值比较接近。根据热桥的定义以及图4、图5可知，当局部保温层厚度为0时，外墙角柱热桥的影响区域为100 mm，当采取局部保温处理时，其影响区域为150 mm。

6 2种热桥数值模拟结果比较分析

当局部保温层厚度为0时，外墙中柱热桥柱区域内的热流较大，外墙角柱靠近墙体的区域热流较大，且热流随着距墙角距离的增大而迅速减小。当热桥柱采用局部保温措施时，外墙中柱的热桥的影响区域比外墙角柱的大，且热桥部位的影响也较为明显，其散热也较大。所以，在相同条件下，外墙中柱比外墙角柱更应该加强保温处理。

7 结论

根据北方寒冷地区冬季采暖的情况，研究了外墙中柱和外墙角柱2种热桥部位的稳态数值传热模拟。通过对2种构造热桥部位进行局部保温处理，分析其温度分布和热流密度，得出如下结论：

（1）对于外墙中柱，当保温层厚度为0和10 mm时，其对应的温度为8.02℃和11.66℃，均低于空气露点温度12℃，容易发生结露现象。当局部保温层厚度大于20 mm时，交界处温度均高于露点温度，所以，为了避免结露现象，外墙中柱的局部保温层厚度应大于20 mm。

（2）对于外墙角柱，当保温层厚度分别为0、10、20、30 mm时，其对应的温度为4.14、7.65、9.66、11.01℃，均低于空气露点温度12℃，容易发生结露现象。当局部保温层厚度大于40 mm时，交界处温度大于露点温度，所以，为了避免结露现象，外墙角柱的局部保温层厚度应大于40 mm。

（3）外墙中柱的热桥影响区域为200 mm，外墙角柱的影响区域为150 mm。当采取局部保温处理时，相同条件下，外墙中柱比外墙角柱的热桥影响区域大，散热大，实际工程中应重视热桥影响区域的散热问题，同时应注意外墙中柱比外墙角柱更应该加强保温处理。

[1]汪越.夏热冬冷地区新型玻璃轻石外墙保温体系热桥传热分析[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[2]岳俊峰.玻化微珠保温砂浆基本性能试验研究及在整体式保温隔热建筑中的应用[D].太原：太原理工大学，2010.

[3]刘学来.建筑热桥内表面温度的确定及外保温措施的研究[D].西安：西安建筑科技大学，2004.

[4]Déqué F，Ollivier F，Roux J J.Effect of 2D modelling of thermal bridgesontheenergyperformanceofbuildings：Numerical application on the Matisse apartment[J].Energy and buildings，2001，33（6）：583-587.

[5]任俊.热桥的影响区域[J].暖通空调，2001，31（6）：109-111.

[6]Al-AnziA，KrartiM.Local/globalanalysisoftransientheat transfer from building foundations[J].Building and environment, 2004，39（5）：495-504.

[7]Blomberg T.Heat 2-A for Heat Transfer PC-Program（Manual for heat 2）[M].Lund University，1999：22-27.

Glazed hollow bead insulation mortar local external insulation thermal bridge finite element analysis system

WANG Liang
（Shanxi Architectural Vocational College，Taiyuan 030006，China）

By a commercial finite element software ANSYS based on temperature field theory，numerical simulations on the thermal bridge parts of the middle column and the corner column of external wall were carried out，by changing the local thermal insulation layer thickness of glazed hollow beads，temperature distribution and heat flux distribution are analyzed and studied in different thickness of insulation layer.The results show that：Different thickness of local glazed hollow bead insulation layer has a significant effect on thermal bridge of temperature and heat flux density.In order to avoid condensation，the thickness of partial insulation layer in the middle column of external wall should be more than 20 mm，the thickness of partial insulation layer in the corner column of external wall should be more than 40 mm.When the local heat preservation treatment is adopted，the thermal bridges influence area of the middle column in the external wall is 200 mm，the corner column in the external wall is 150 mm.Effect of heat in the region loss more calories，so attention should be paid to the problem of heat dissipation in the affected area of bridge. Under the same conditions，in the exterior wall middle column have a greater influencing zone of the thermal bridge and heat dissipation than corner column，the middle column should strengthen insulation treatment than the corner column in the exterior wall.

ANSYS finite element analysis，thermal insulation glazed hollow bead mortar，temperature field，heat flux，exterior wall middle column，exterior wall corner，thermal bridge

TU55+1

A

1001-702X（2016）12-0099-05

国家自然科学基金项目（51308371）

2016-07-04

王亮，女，1979年生，山西运城人，讲师，硕士。