徐嚴(yán)嚴(yán) 雪彥琴 高曉蕾 周俊杰

(1.鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450001; 2.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

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基于COMSOL的熱橋有限元分析

徐嚴(yán)嚴(yán)1雪彥琴1高曉蕾1周俊杰2*

(1.鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450001; 2.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

基于COMSOL建立了鋼筋混凝土柱三維模型，對(duì)其傳熱情況進(jìn)行了模擬分析，驗(yàn)證了熱橋處內(nèi)表面溫度低、熱流密度大的特點(diǎn)，并提出了在熱橋外表面添加保溫材料的保溫措施，解決了熱橋效應(yīng)問題。

COMSOL，熱橋，鋼筋混凝土柱，傳熱能力，保溫效果

熱橋是指處在外墻和屋面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的鋼筋混凝土或金屬的梁、柱、肋等建筑部位。因這些建筑部位的傳熱能力較強(qiáng)，熱流比較密集，內(nèi)表面溫度低，故稱為熱橋[1]。由于熱橋建筑部位內(nèi)表面溫度相對(duì)較低，在冬季當(dāng)熱橋處溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣就會(huì)在其表面上凝結(jié)，隨之空氣中的灰塵可能會(huì)附在上面，造成墻體逐漸變黑和墻體長菌發(fā)霉。在熱橋效應(yīng)嚴(yán)重的建筑部位，甚至?xí)仕?，給人們的生活和健康帶來很大的影響。針對(duì)以上問題，有必要對(duì)熱橋的傳熱情況進(jìn)行研究。

關(guān)于熱橋已有部分專家、學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，例如：樊洪明等利用ANSYS對(duì)熱橋進(jìn)行了大量工況計(jì)算分析[2]；賈殿鑫等通過有限元軟件ANSYS模擬分析了夏熱冬冷地區(qū)中自保溫體系中典型熱橋的三維穩(wěn)態(tài)傳熱情況[3]；劉學(xué)來等對(duì)住宅建筑構(gòu)造柱熱橋采暖能耗進(jìn)行了分析，給出了熱橋的最佳節(jié)能方案[4]。

基于COMSOL對(duì)鋼筋混凝土柱熱橋的分析研究還是比較少的，本文是在前人研究的基礎(chǔ)上，建立三維圓柱型與方柱型鋼筋混凝土柱熱橋模型,利用COMSOL對(duì)其傳熱情況進(jìn)行了模擬分析，繼而提出防止熱橋效應(yīng)產(chǎn)生的措施，并驗(yàn)證了預(yù)措施的有效性。

1 建立鋼筋混凝土柱熱橋模型

1.1 建立熱橋的物理模型

為了對(duì)熱橋傳熱情況進(jìn)行研究，首先需建立鋼筋混凝土柱熱橋物理模型，如圖1和圖2所示。

1.2 建立熱橋的數(shù)學(xué)模型與設(shè)置邊界條件

由于熱橋部位傳熱過程比較復(fù)雜,并且其溫度場(chǎng)是三維非穩(wěn)態(tài)的。利用傅立葉定律和熱力學(xué)第一定律,建立導(dǎo)熱偏微分方程：

(1)

其中，ρ為密度，kg/m3；C為比熱容,J/(kg·K)；λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)；Q為單位時(shí)間物體單位體積內(nèi)熱源的生成熱，W/m3；x，y，z均為空間變量；τ為時(shí)間變量。

假設(shè)無內(nèi)部熱源，熱橋內(nèi)外表面溫度雖然隨室內(nèi)外溫度發(fā)生變化,但需要控制的是墻體內(nèi)外表面的最低溫度,這樣可以按照穩(wěn)態(tài)的方法計(jì)算建筑熱橋內(nèi)外表面的最低溫度,則式(1)可簡化為：

(2)

設(shè)置邊界條件，如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)置

1.3 熱橋模型網(wǎng)格劃分

利用COMSOL對(duì)熱橋進(jìn)行了三維建模，設(shè)置邊界條件，對(duì)熱橋模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，在此已對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)的兩種模型分別模擬，考慮到網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果精度和計(jì)算機(jī)性能配置影響，故選下面的網(wǎng)格模型，如圖3和圖4所示。

圖3中方型熱橋模型網(wǎng)格是由44 907域單元、4 350邊界單元和332邊單元組成的完整網(wǎng)格；圖4中圓柱型熱橋模型網(wǎng)格是由190 546域單元、29 392邊界單元和624邊單元組成的完整網(wǎng)格。

1.4 COMSOL模擬結(jié)果

對(duì)熱橋模擬結(jié)果如圖5～圖8所示。

由圖5和圖6可知：無論是圓柱型熱橋還是方型熱橋，這些建筑部位的傳熱能力較強(qiáng)，熱橋處內(nèi)表面溫度較低(與無熱橋存在的建筑部位相比)，即驗(yàn)證了熱橋效應(yīng)的特征之一：內(nèi)表面溫度低。

由圖7和圖8可知：無論是圓柱型熱橋還是方型熱橋，熱橋處熱流較密集，散熱能力較強(qiáng)，即驗(yàn)證了熱橋效應(yīng)的特征之二：熱橋處熱流比較密集。

2 減小熱橋效應(yīng)措施

本文提出的減小熱橋效應(yīng)的措施為：在熱橋墻體外表面添加保溫材料。本文取圓柱型鋼筋混凝土柱熱橋作為研究對(duì)象，利用COMSOL模擬其保溫效果如下。

由圖9可知：隨著保溫層厚度的增加，熱橋墻體內(nèi)表面最低溫度增大；當(dāng)保溫層厚度大于90 mm后，再增加保溫層厚度熱橋內(nèi)表面最低溫度基本不變，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，所以取厚度90 mm為最佳保溫層厚度。

3 結(jié)論

1)本文以方柱型和圓柱型鋼筋混凝土柱熱橋?yàn)檠芯颗c分析對(duì)象，采用COMSOL軟件對(duì)其三維穩(wěn)態(tài)傳熱情況進(jìn)行了模擬分析，得出了熱橋產(chǎn)生的原因，通過對(duì)模擬結(jié)果的處理，驗(yàn)證了熱橋內(nèi)表面溫度較低，熱流密度較大的結(jié)論。

2)本文得出最經(jīng)濟(jì)的擠塑苯板保溫材料厚度為90 mm，此時(shí)可以明顯降低熱橋效應(yīng)，減小熱橋現(xiàn)象對(duì)人們生活的危害，并且還起到良好的室內(nèi)保溫效果。

3)利用COMSOL對(duì)鋼筋混凝土柱建模分析，可以直觀的看出熱橋的溫度分布情況以及熱通量分布情況，為建筑保溫與較小能耗設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。

[1] 劉鵬飛.高層建筑混凝土柱熱橋傳熱分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2007.

[2] 樊洪明,曾劍龍.圍護(hù)結(jié)構(gòu)三維導(dǎo)熱數(shù)值仿真研究[J].建筑技術(shù)，2002(10):736-738.

[3] 賈殿鑫,葛 堅(jiān).夏熱冬冷地區(qū)自保溫體系典型熱橋三維傳熱的有限元分析[J].建筑與文化，2013(2):76.

[4] 劉學(xué)來,李永安.住宅建筑構(gòu)造柱熱橋采暖能耗的分析[J].低溫建筑技術(shù),2004(5):87-88.

[5] 鄭 鴻.夏熱冬冷地區(qū)混凝土小型空心砌塊墻體保溫與節(jié)能分析[D].杭州:浙江大學(xué),2006.

[6] 孫大明.建筑熱橋研究現(xiàn)狀與展望[J].建筑科學(xué)，2010(2)：128-134.

[7] 王 智.夏熱冬冷地區(qū)自保溫外墻型樓板處熱橋?qū)嶒?yàn)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2015.

Finite element analysis for thermal bridge based on COMSOL

Xu Yanyan1Xue Yanqin1Gao Xiaolei1Zhou Junjie2*

(1.SchoolofMechanicsandEngineeringScience,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China;2.SchoolofChemicalandEnergyEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

Reinforced concrete columns is established a three dimensional model on the basis of COMSOL to analyze the heat transfer. It is verified that the temperature is lower and the density of the heat flux is larger at the inner surface of the thermal bridge. Then the insulation measures of adding the insulation materials to the surface of thermal bridge is put forward. The problem of thermal bridge effect is solved favourably.

COMSOL, thermal bridge, reinforced concrete columns, heat transfer capacity, insulation effect

1009-6825(2016)20-0198-03

2016-05-03

徐嚴(yán)嚴(yán)(1993- )，男，在讀本科生

周俊杰(1978- )，男，碩士生導(dǎo)師，副教授

TU201.5

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