110
低 温 建 筑 技 术2007年第3期(总第116期)
建筑热桥的数值模拟与实验研究
南艳丽, 冯 雅, 谷晋川, 王 磊
1
2
1
2
(11西华大学能源与环境学院, 四川 成都 610039; 21中国建筑西南设计研究院, 四川 成都 610081)
【摘 要】 根据夏热冬冷地区的气候特点, 利用二维稳态模型对自保温体系构成的典型热桥结构进行计算分析, 并针对此热桥模型进行实验研究, 通过数值模拟结果与实验结果对比, 验证了二维稳态模型的正确性, 并指出自保温体系是适合夏热冬冷地区很好的一种围护结构形式。
【关键词】 夏热冬冷地区; 热桥; 二维稳态模型
【中图分类号】 T U11111 【文献标识码】 A 【文章编号】 1001-6864(2007) 03-0110-03
NU MERICA L SIMU LATION AN D EXPERIMENT STU DY ON THER MA L BRI D GE STRUCTURE
NAN Y an -li , FE NG Y A , G U Jin -chuan , W ANGLei
1
2
1
2
(1. School of Energy and Environment ,X ihua University , Sichuan Chengdu 610039, China ; 2. China S outhwest Architectural Design and Research Institute ,Sichuan Chengdu , China )
Abstract :Accordingto the climate characteristic of hot thermal
bridge structure of self -insulation system was analyzed by steady -state m odel. C om paring numerical simulation , the validity of the tw o -di 2mensional steady -state m odel was is an envelop form , self -insulation system is well suited to the hot K ey w ords zone ; thermal bridge ; tw o -dimensional steady -state m odel
0 引言
热桥在建筑结构中属于围护结构的一部分, 但是形成热桥部位建筑材料的导热能力大多都是钢筋混凝土或型钢, 其传热性能比其它节能墙体要大的多, 这样通过热桥的传热过程就形成二维或三维的动态传热, 热桥传热机理更为复杂[1]。
由于二维或三维动态传热模型是很复杂的, 即便使用计算机计算也是相当烦琐, 因此, 把热桥传热模型进行合理、有效的简化, 而且与实际的热桥模型结果又相差甚微是很有价值的, 本文将利用热桥二维稳态模型进行数值模拟, 并对此模型进行实验研究, 根据温度场分布, 判断模型正确性, 同时根据实验结果, 得出适合夏热冬冷地区的围护结构形式。
1 热桥的数值模拟1. 1 热桥计算软件介绍
楼板采用简化模型, 即采用200mm 厚加气混凝土自保温体
系外墙(内外抹10mm 水泥砂浆) 与1200mm ×300mm ×150mm 规格的钢筋混凝土楼板(上下加10mm 水泥砂浆) 构成的⊥型热桥的构造形式。各建筑材料的热物性分别为:①钢筋混
3凝土:导热系数1. 74W Πm. K, 容重2500kg Πm ; ②加气混凝3土:导热系数0. 22W Πm. K , 容重700kg Πm ; ③水泥砂浆:导3热系数为0. 93W Πm. K, 容重
1800kg Πm 。
室外温度取采暖室外计算温度, 即采用历年平均不保证
5d 的日平均温度
[3]
。根据G B J19-87《采暖通风与空气调节
设计规范》, 夏热冬冷地区部分城市的采暖室外计算干球温度见下表。
夏热冬冷地区部分城市的采暖室外计算干球温度表城市干球温
) 度(℃
成都重庆长沙武汉南昌蚌埠杭州上海
2
4
-2
-4
-2
-2
中国建筑科学研究院针对热桥的二维稳态模型利用有限差分法编制了热桥计算软件PT emp , 其可以对不同构造建筑热桥材料层设置对应材料的物性参数和几何参数, 并对模型中各边界面根据简化设置边界条件, 模拟结果可显示为温度或热流分布。
1. 2 基本计算参数
依据上表, 本文选取该气候区最低的室外计算干球温度
-4℃作为室外温度, 室内温度取采暖期间舒适性空气调节
不同部位的热桥, 其构造形式不同, 即使在相同的室内外气象参数条件下, 其产生的能耗也是不同的。其中, 丁字墙的热桥单位建筑面积耗热量最大[2]。因此本文选取外墙与楼板构成的⊥型热桥构造形式, 为了与实验模型相一致,
室内计算参数18℃进行数值模拟, 其中第三类边界条件的
(m 2・内表面传热系数取8. 7W Πk ) , 外表面传热系数取23.
(m 2・0W Πk ) 。1. 3 模拟结果与分析
室外温度-4℃下的热桥温度场分布以及内表面自上而
南艳丽等:建筑热桥的数值模拟与实验研究
111
下的温度曲线分别见图1、图2
。混凝土梁热桥处进行测量, 得到墙体内表面温度, 仪器对温度的分辨率达到0. 08℃。红外热像图测得数据与热电偶测试数据可以进行对比分析。
2. 3 实验结果与分析
通过热电偶测定的-4℃工况下热箱侧围护结构表面温度见图3。
由图3可知, 热箱侧围护结构表面最低温度出现在外墙与钢筋混凝土梁交界处, 且最低温度为1112℃, 其高于相对湿度60%时的空气露点温度1011℃, , 在夏热冬冷地区采用加气混凝土外包梁、3, 将实验测定的, 内表面温度对比曲线见图
4。
由图2可知, , 且内表面温度最低为12. , 处热桥效应减弱, 基本。
2
热桥实验2. 1 实验模型及原理
为了进行对比验证, 本实验模型同上述模拟计算中的热桥构造形式, 其建筑材料的热物性参数要求与标准中的热物性基本一致。
本实验原理是稳态条件下的墙体传热, 实验借助于外窗保温性能检测装置来控制环境温度, 使热箱温度稳定在冬季采暖室内温度18℃, 冷箱模拟冬季室外气候条件, 对试件缝隙进行密封处理, 试件各侧保持稳定的空气温度、气流速度和热辐射条件, 控制温度误差在±0. 01℃。冷箱空气温度本实验选择-4℃
工况进行测试, 求出外墙与楼板形成的典型热桥处的温度场分布以及内表面最低温度。
2. 2 实验方法
由图4可知, 实验所测得的温度比数值模拟的温度偏低, 这主要因为数值模拟采取标准规范中的材料热物性参数, 而实际实验过程中, 由于施工等因素的影响, 致使材料的热物性不能很好的达到标准要求, 但是从整体上看, 墙体内表面温度分布测试结果与数值模拟结果相吻合, 这也充分验证了二维稳态模型的正确性。
4 结语
本实验采用铜—康铜热电偶布点和红外热像图两种方法对墙体内表面温度进行测定, 热电偶精度为±0. 5k 。分别在墙体内表面纵向方向平行布置17个热电偶, 以钢筋混凝土梁轴线上下对称。
通过热电偶测得的数据使用Agilent 34970A 型数据采集仪进行采集, 其有40个数据通道, 共可采集50000个数据。实验需要连续测试三全天, 对数据采集仪设置每5min 扫描一次, 数据自动存贮在仪器里, 待实验结束后数据以excel 格式导出,
进行处理。
在实验稳定过程中, 采用瑞典生产的P20红外热像仪对
通过热桥的数值模拟和实验研究, 可以得出热桥的二维稳态模型是正确的, 在夏热冬冷地区, 采用加气混凝土外包梁、柱自保温围护结构所形成的混凝土楼板热桥部位不会发生结露现象, 从建筑物耐久性、技术施工等角度来考虑, 自保温体系是适合该地区很好的一种围护结构形式。
(下转101页)
张学灵等:深层平板载荷试验的应用与展望
101
(2) 了解施工工艺。发现部分扩大头是在水下施工现。
(4) 摸拟已施工桩的工艺条件, 做9根深层平板载荷
的, 完整性是很难保证的。(3) 查看施工记录。发现各桩的成型形状各有不同。
2
尤其各桩的注浆量也各不相同, 一般在115～310t Πm 。尽管
试验。确定1#楼4根,2#楼5根。
通过实际试验, 发现由于成孔与孔底注浆的差距变化不易控制, 所以给试验结果带来难以相信的试验数据。
mm
这一注浆量远超正常的注浆量1倍以上, 但效果仍然未有体 表6 工程
1楼
#
载荷板试验沉降量汇总
试 验 荷 载(kN )
桩端持力层概况
300
S —1S —2S —3S —4
60001130
[1**********]90
0189001210
1138001470
[***********]001960
[***********]011910
[***********]031300
[1**********]130
2400
试桩号
2700
粗砂(>015颗粒52%) 中砂(>0125～90%) 中砂(>0125～53%) 粉土(W p =21. 5, W L =30. 7)
粉砂(>0125～15%) 粘性土(W P =19. 2, W L =28. 0)
中砂(>0125～65%) 粘性土(W P =17. 1, W L =25. 6)
细砂(>0125～48%)
[**************]90
11690
[***********]41450
51720
61850
1楼
#
S —1S —2S —3S —4S —5
有严重的反弹加至2700kN 反弹10～20mm
[***********]05
01585
11305
41115
91975
[1**********]5
[***********][***********]0600
[1**********]0
841810
根据表6所揭示的技术数据进行了综合分析:
1楼:S —1桩端为粗砂, S —4#
; 五是, 对场地和桩位无任何要求; , 降低了试验桩的成本。
鉴于上述的六个特点, 深信深层平板载荷试验用“大直径桩自锚式单桩承载力试验装置“进行试验将会逐渐取代传统的、笨重的试验方法而立足于世。
为粉土。S —2、S —3决定按比例极限取议设计单位按2楼:, 而
#
且试验结果与土层很不协调, 有严重的反常现象; 桩端阻力粘土高于中砂。在综合分析施工等多方面情况下, 确定桩的极限端阻力标准值为3200kPa 。
总之, 该工程根据试验所给定的技术数据进行设计复核与加固处理。现在已竣工投入使用近四年未发现任何异常现象。
4 深层平板载荷试验方法的展望
参考文献
[1] G B50007-2002, 建筑地基基础设计规范[S]1
[2] J G J106-2003,V256—2003, 建筑基桩检测技术规范[S]1[3] 21世纪高建筑基础工程(学术研讨会专用文集) [D]1中国昆明
12000,71
[4] 中国土木工程学会桩基顾学术委员会1中国工程建设标准化
通过上述三个方面的工程实践, 证明利用“大直径桩自锚式单桩承载力试验装置”进行载荷试验是完全可以信赖的。该方法有着很多优越性:一是, 技术依据充分; 二是, 国内外已有实用先例; 三是, 测试技术与方法直观可信; 四是,
协会地基基础委员会第一联合年会论文集[D]120011
[收稿日期] 2007-01-10
[作者简介]
张学灵(1962-) , 女, 哈尔滨人, 高级工程师, 从事
工程质量监督工作。
(上接111页)
[3] G B J19-87, 采暖通风与空气调节设计规范[S]1北京:中国计划
参考文献
[1] 彦启森, 赵庆竹. 建筑热过程[M].北京:中国建筑工业出版
出版社,2001.
[收稿日期] 2007-01-26
[作者简介] 南艳丽(1981-) 女, 河南范县人, 硕士研究生, 从
社,1986. 121
[2] 赵淑敏1济南地区建筑热桥能耗分析与研究(硕士论文) [D ].
事暖通能专业。
西安建筑科技大学,20041
110
低 温 建 筑 技 术2007年第3期(总第116期)
建筑热桥的数值模拟与实验研究
南艳丽, 冯 雅, 谷晋川, 王 磊
1
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(11西华大学能源与环境学院, 四川 成都 610039; 21中国建筑西南设计研究院, 四川 成都 610081)
【摘 要】 根据夏热冬冷地区的气候特点, 利用二维稳态模型对自保温体系构成的典型热桥结构进行计算分析, 并针对此热桥模型进行实验研究, 通过数值模拟结果与实验结果对比, 验证了二维稳态模型的正确性, 并指出自保温体系是适合夏热冬冷地区很好的一种围护结构形式。
【关键词】 夏热冬冷地区; 热桥; 二维稳态模型
【中图分类号】 T U11111 【文献标识码】 A 【文章编号】 1001-6864(2007) 03-0110-03
NU MERICA L SIMU LATION AN D EXPERIMENT STU DY ON THER MA L BRI D GE STRUCTURE
NAN Y an -li , FE NG Y A , G U Jin -chuan , W ANGLei
1
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(1. School of Energy and Environment ,X ihua University , Sichuan Chengdu 610039, China ; 2. China S outhwest Architectural Design and Research Institute ,Sichuan Chengdu , China )
Abstract :Accordingto the climate characteristic of hot thermal
bridge structure of self -insulation system was analyzed by steady -state m odel. C om paring numerical simulation , the validity of the tw o -di 2mensional steady -state m odel was is an envelop form , self -insulation system is well suited to the hot K ey w ords zone ; thermal bridge ; tw o -dimensional steady -state m odel
0 引言
热桥在建筑结构中属于围护结构的一部分, 但是形成热桥部位建筑材料的导热能力大多都是钢筋混凝土或型钢, 其传热性能比其它节能墙体要大的多, 这样通过热桥的传热过程就形成二维或三维的动态传热, 热桥传热机理更为复杂[1]。
由于二维或三维动态传热模型是很复杂的, 即便使用计算机计算也是相当烦琐, 因此, 把热桥传热模型进行合理、有效的简化, 而且与实际的热桥模型结果又相差甚微是很有价值的, 本文将利用热桥二维稳态模型进行数值模拟, 并对此模型进行实验研究, 根据温度场分布, 判断模型正确性, 同时根据实验结果, 得出适合夏热冬冷地区的围护结构形式。
1 热桥的数值模拟1. 1 热桥计算软件介绍
楼板采用简化模型, 即采用200mm 厚加气混凝土自保温体
系外墙(内外抹10mm 水泥砂浆) 与1200mm ×300mm ×150mm 规格的钢筋混凝土楼板(上下加10mm 水泥砂浆) 构成的⊥型热桥的构造形式。各建筑材料的热物性分别为:①钢筋混
3凝土:导热系数1. 74W Πm. K, 容重2500kg Πm ; ②加气混凝3土:导热系数0. 22W Πm. K , 容重700kg Πm ; ③水泥砂浆:导3热系数为0. 93W Πm. K, 容重
1800kg Πm 。
室外温度取采暖室外计算温度, 即采用历年平均不保证
5d 的日平均温度
[3]
。根据G B J19-87《采暖通风与空气调节
设计规范》, 夏热冬冷地区部分城市的采暖室外计算干球温度见下表。
夏热冬冷地区部分城市的采暖室外计算干球温度表城市干球温
) 度(℃
成都重庆长沙武汉南昌蚌埠杭州上海
2
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中国建筑科学研究院针对热桥的二维稳态模型利用有限差分法编制了热桥计算软件PT emp , 其可以对不同构造建筑热桥材料层设置对应材料的物性参数和几何参数, 并对模型中各边界面根据简化设置边界条件, 模拟结果可显示为温度或热流分布。
1. 2 基本计算参数
依据上表, 本文选取该气候区最低的室外计算干球温度
-4℃作为室外温度, 室内温度取采暖期间舒适性空气调节
不同部位的热桥, 其构造形式不同, 即使在相同的室内外气象参数条件下, 其产生的能耗也是不同的。其中, 丁字墙的热桥单位建筑面积耗热量最大[2]。因此本文选取外墙与楼板构成的⊥型热桥构造形式, 为了与实验模型相一致,
室内计算参数18℃进行数值模拟, 其中第三类边界条件的
(m 2・内表面传热系数取8. 7W Πk ) , 外表面传热系数取23.
(m 2・0W Πk ) 。1. 3 模拟结果与分析
室外温度-4℃下的热桥温度场分布以及内表面自上而
南艳丽等:建筑热桥的数值模拟与实验研究
111
下的温度曲线分别见图1、图2
。混凝土梁热桥处进行测量, 得到墙体内表面温度, 仪器对温度的分辨率达到0. 08℃。红外热像图测得数据与热电偶测试数据可以进行对比分析。
2. 3 实验结果与分析
通过热电偶测定的-4℃工况下热箱侧围护结构表面温度见图3。
由图3可知, 热箱侧围护结构表面最低温度出现在外墙与钢筋混凝土梁交界处, 且最低温度为1112℃, 其高于相对湿度60%时的空气露点温度1011℃, , 在夏热冬冷地区采用加气混凝土外包梁、3, 将实验测定的, 内表面温度对比曲线见图
4。
由图2可知, , 且内表面温度最低为12. , 处热桥效应减弱, 基本。
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热桥实验2. 1 实验模型及原理
为了进行对比验证, 本实验模型同上述模拟计算中的热桥构造形式, 其建筑材料的热物性参数要求与标准中的热物性基本一致。
本实验原理是稳态条件下的墙体传热, 实验借助于外窗保温性能检测装置来控制环境温度, 使热箱温度稳定在冬季采暖室内温度18℃, 冷箱模拟冬季室外气候条件, 对试件缝隙进行密封处理, 试件各侧保持稳定的空气温度、气流速度和热辐射条件, 控制温度误差在±0. 01℃。冷箱空气温度本实验选择-4℃
工况进行测试, 求出外墙与楼板形成的典型热桥处的温度场分布以及内表面最低温度。
2. 2 实验方法
由图4可知, 实验所测得的温度比数值模拟的温度偏低, 这主要因为数值模拟采取标准规范中的材料热物性参数, 而实际实验过程中, 由于施工等因素的影响, 致使材料的热物性不能很好的达到标准要求, 但是从整体上看, 墙体内表面温度分布测试结果与数值模拟结果相吻合, 这也充分验证了二维稳态模型的正确性。
4 结语
本实验采用铜—康铜热电偶布点和红外热像图两种方法对墙体内表面温度进行测定, 热电偶精度为±0. 5k 。分别在墙体内表面纵向方向平行布置17个热电偶, 以钢筋混凝土梁轴线上下对称。
通过热电偶测得的数据使用Agilent 34970A 型数据采集仪进行采集, 其有40个数据通道, 共可采集50000个数据。实验需要连续测试三全天, 对数据采集仪设置每5min 扫描一次, 数据自动存贮在仪器里, 待实验结束后数据以excel 格式导出,
进行处理。
在实验稳定过程中, 采用瑞典生产的P20红外热像仪对
通过热桥的数值模拟和实验研究, 可以得出热桥的二维稳态模型是正确的, 在夏热冬冷地区, 采用加气混凝土外包梁、柱自保温围护结构所形成的混凝土楼板热桥部位不会发生结露现象, 从建筑物耐久性、技术施工等角度来考虑, 自保温体系是适合该地区很好的一种围护结构形式。
(下转101页)
张学灵等:深层平板载荷试验的应用与展望
101
(2) 了解施工工艺。发现部分扩大头是在水下施工现。
(4) 摸拟已施工桩的工艺条件, 做9根深层平板载荷
的, 完整性是很难保证的。(3) 查看施工记录。发现各桩的成型形状各有不同。
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尤其各桩的注浆量也各不相同, 一般在115～310t Πm 。尽管
试验。确定1#楼4根,2#楼5根。
通过实际试验, 发现由于成孔与孔底注浆的差距变化不易控制, 所以给试验结果带来难以相信的试验数据。
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这一注浆量远超正常的注浆量1倍以上, 但效果仍然未有体 表6 工程
1楼
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载荷板试验沉降量汇总
试 验 荷 载(kN )
桩端持力层概况
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60001130
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试桩号
2700
粗砂(>015颗粒52%) 中砂(>0125～90%) 中砂(>0125～53%) 粉土(W p =21. 5, W L =30. 7)
粉砂(>0125～15%) 粘性土(W P =19. 2, W L =28. 0)
中砂(>0125～65%) 粘性土(W P =17. 1, W L =25. 6)
细砂(>0125～48%)
[**************]90
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61850
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S —1S —2S —3S —4S —5
有严重的反弹加至2700kN 反弹10～20mm
[***********]05
01585
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41115
91975
[1**********]5
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根据表6所揭示的技术数据进行了综合分析:
1楼:S —1桩端为粗砂, S —4#
; 五是, 对场地和桩位无任何要求; , 降低了试验桩的成本。
鉴于上述的六个特点, 深信深层平板载荷试验用“大直径桩自锚式单桩承载力试验装置“进行试验将会逐渐取代传统的、笨重的试验方法而立足于世。
为粉土。S —2、S —3决定按比例极限取议设计单位按2楼:, 而
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且试验结果与土层很不协调, 有严重的反常现象; 桩端阻力粘土高于中砂。在综合分析施工等多方面情况下, 确定桩的极限端阻力标准值为3200kPa 。
总之, 该工程根据试验所给定的技术数据进行设计复核与加固处理。现在已竣工投入使用近四年未发现任何异常现象。
4 深层平板载荷试验方法的展望
参考文献
[1] G B50007-2002, 建筑地基基础设计规范[S]1
[2] J G J106-2003,V256—2003, 建筑基桩检测技术规范[S]1[3] 21世纪高建筑基础工程(学术研讨会专用文集) [D]1中国昆明
12000,71
[4] 中国土木工程学会桩基顾学术委员会1中国工程建设标准化
通过上述三个方面的工程实践, 证明利用“大直径桩自锚式单桩承载力试验装置”进行载荷试验是完全可以信赖的。该方法有着很多优越性:一是, 技术依据充分; 二是, 国内外已有实用先例; 三是, 测试技术与方法直观可信; 四是,
协会地基基础委员会第一联合年会论文集[D]120011
[收稿日期] 2007-01-10
[作者简介]
张学灵(1962-) , 女, 哈尔滨人, 高级工程师, 从事
工程质量监督工作。
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[3] G B J19-87, 采暖通风与空气调节设计规范[S]1北京:中国计划
参考文献
[1] 彦启森, 赵庆竹. 建筑热过程[M].北京:中国建筑工业出版
出版社,2001.
[收稿日期] 2007-01-26
[作者简介] 南艳丽(1981-) 女, 河南范县人, 硕士研究生, 从
社,1986. 121
[2] 赵淑敏1济南地区建筑热桥能耗分析与研究(硕士论文) [D ].
事暖通能专业。
西安建筑科技大学,20041