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连接件对预制夹心保温外墙板性能的影响有多大?用数据来说话!

发布日期:07-15 |
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  来源:沈阳宝力德科技有限公司
作者:郑旭、谢俊
 

 
 01.引言 
 
本文根据沈阳宝力德公司的不锈钢连接件产品,通过有限元软件ABAQUS对配有不锈钢连接件的预制夹心保温外墙板进行热工模拟分析,分析连接件对外墙板保温性能的影响,为实际工程提供参考。
 
 02.热工基本原理 
 
 2.1围护结构传热
 
房屋围护结构时刻受到室内外的热作用,不断有热量通过围护结构。传热要经过三个过程
 
表面吸热:内表面从室内吸热(冬季)或外表面从室外空间吸热(夏季)。
 
结构本身传热:热量由结构的高温表面传向低温表面。
 
表面放热;外表面向室外空间放热(冬季)或内表面向室内空间放热(夏季)。
 
表面吸热和放热的机理是相同的,总称为“表面换热”在结构本身的传热过程中,实体材料层以导热为主,空气层一般以辐射传热为主。
 
表面换热 -

 
在表面热转移过程中,既有表面与附近空气之间的对流与导热,又有表面与周围的辐射传热。表面换热量是对流换热量与辐射换热量之和:
 (1)
 
式中:
q——表面换热量
qc——表面对流换热量
qr——表面辐射换热量
α——表面换热系数
θ——壁表面温度
t——室内或室外空气温度
 
结构传热 -

 
为了简单说明结构本身的传热过程,假定结构是单层匀质平整,认为平壁内以导热方式传热,即为一维传热。结构内外表面温度分别为θt和θe,且θt>θe则在单位时间内,通过单位截面积的热流—热流强度qx为:
 (2)
 
式中:
λ——材料的导热系数
θx——温度梯度
 
 
 2.2基本假定
 
(1)在围护结构的传热过程中,包含以上三种基本的传热方式。但本文模拟情况假定周围环境相对稳定,传热过程只有由热传导和热对流的影响,忽略热辐射的影响。
 
(2)围护结构各个部分之间完全接触,不考虑内部各接触面之间的接触热阻。接触热阻时互相接触的结构表面,在接触的表面会存在一定的空气、水等物质,导致接触面两侧的结构温度不完全相同,增加了传热的阻力。
 
(3)假定组成墙体各种物质分布均匀,在各个方向上性状相同,其物理性能参数均为常数,不考虑温度、压力、湿度、风等因素的变化对热工模拟带来的影响。
 
 2.3传热系数计算
 
根据《民用建筑热工设计规范》GB 50176,传热系数的计算公式为:
 (3)
 
式中:
K——围护结构传热系数
——围护结构各组成部分的厚度与导热系数的比值求和
δi——第i层的材料厚度
λi——第i层的导热系数
 
维护结构内、外表面换热热阻:
,(4)
 
根据《民用建筑热工设计规范》表面换热系数取值:
αi=8.7W/(m2K),αe=23W/(m2K)
 
 03.有限元模型建立 
 
- 模型尺寸 -

 
墙体尺寸,其中内叶墙体厚200mm、保温层墙体厚70mm、外叶墙体厚50mm,对墙体布置不锈钢连接件。不锈钢板式连接件尺寸为,不锈钢针式连接件长160mm、直径为4mm;板式连接件布置4块,针式连接件按间距600mm,距边200mm布置。不锈钢连接件截面面积占墙体总面积的0.02%。
 

图1 连接件布置图
Fig.1 Connector layout drawing
 
表1材料热工参数
Table 1 Material thermal parameters
材料 导热系数W/(m⋅K) 比热容J/(kg⋅℃) 密度kg/m3
C30钢筋混凝土 1.74 970 2500
XPS挤塑板 0.03 534.6 35
不锈钢 16.2 460 8930
 
单元类型 -

 
模拟采用稳态热分析步,在稳态热分析中,系统内任意节点的温度不随时间变化。模拟单元全部选用八结点线性传热六面体单元DC3D8单元。
 
接触关系与边界条件 -

 
连接件、混凝土、保温板均采用实体制作部件,相互之间接触采用绑定接触,保证材料之间能有效传热。
 
网格划分 -

 
在本文模拟中混凝土、保温板构件采用25mm长度划分网格,连接件采用10mm长度划分网格。
 
 04.模拟结果分析 
 
 4.1模拟结果处理
 
有限元分析传热模拟分析可以得到了墙体内部各个结构的热流密度。预制夹心保温外墙板的传热系数根据非均质围护结构的传热系数公式: 
(5)
 
式中:
K——墙体传热系数(W/(m2K))
q——热流密度(W/m2),取墙体内表面全部单元沿z轴方向热流密度的平均值
ti、te——墙体内、外侧空气温度
 
本文以沈阳地区冬季温度为参照,室内、外温度分别取为20ºC和-25ºC。
 
 4.2模拟结果
 
70mm厚保温层预制夹心外墙板的节点温度与热流密度
如图2-3所示
 

图2 节点温度
Fig. 2 Node temperature
 
     
图3 热流密度
Fig. 3 Heat flux density
 
由图2-3可知,夹心墙体温度变化主要集中在保温层部位,内、外叶墙混凝土保温作用远小于保温层的保温材料。从墙体热流密度云图中可以发现:在不锈钢连接件的位置,夹心墙体中的热量大量地穿过不锈钢连接件,连接件位置形成了“冷桥”。根据公式(5)计算得保温层70mm厚的夹心保温外墙体采用不锈钢连接件的传热系数K1=0.411W/(m2⋅K),无连接件夹心外墙体传热系数使用公式(3)计算得K2=0.384W/(m2⋅K),传热系数增大7.03%。
 
对于使用不锈钢连接件的夹心外墙板,其传热系数与无连接件时计算结果相差较大,采用不锈钢连接件的保温外墙传热系数应在热工计算时予以考虑
 
根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》附录A,沈阳市为严寒C类地区,表2围护结构热工性能参数限值:
 
表2严寒C类地区外墙围护结构热工性能参数限值
Table 2 Limit value of Thermal performance parameters for exterior Wall Envelope structure in severe Cold Class C Area
围护结构部位 传热系数K(W/(m2⋅K))
≤3层建筑 4~8层建筑 ≥9层建筑
外墙 0.35 0.50 0.60
 
在沈阳地区采用不锈钢连接件的70mm厚保温层夹心保温外墙板,当建筑层数≥4层时满足规范对外墙传热系数的要求。
 
 4.3不同保温层厚度时对传热系数的影响
 
对采用不锈钢连接件在30mm-80mm不同保温层厚度时的夹心保温外墙板进行热工模拟分析,比较使用不锈钢连接件时与不考虑连接件时计算结果的偏差。
 
表3不锈钢连接件在不同厚度保温层时的传热系数
Table 3 Heat transfer coefficient of stainless Steel Connector in different thickNess Insulation layer
保温层厚度
mm
无连接件传热系数
W/(m2⋅K)
有连接件传热系数
W/(m2⋅K)
增大百分比
80 0.337 0.362 7.42%
70 0.384 0.411 7.03%
60 0.434 0.464 6.91%
50 0.508 0.541 6.50%
40 0.623 0.647 5.46%
30 0.768 0.806 4.95%

图4 不锈钢连接件在不同厚度保温层时的传热系数对比
Fig.4 Comparison of Heat transfer coefficient of stainless Steel Connector in different thickness Insulation layer
 
根据对采用不锈钢连接件在不同厚度保温层的模拟结果显示,开始时随着保温层厚度的增加,墙体传热系数迅速减小,但保温层厚度增加到一定程度时,曲线斜率变小,逐渐变得平缓这表明:随着保温层厚度的增加,墙体传热系数减小,但减小的程度降低。
 
在80mm厚保温层使用不锈钢连接件时传热系数下降7.42%,对墙体传热系数影响最大。随着保温层厚度减小,对传热系数的影响也逐步减小,在30mm厚保温层使用不锈钢连接件时传热系数下降4.95%。随着保温层厚度的减小,传热系数减小的幅度逐渐减弱,冷桥效应降低。
 
因此对使用不锈钢连接件的夹心保温外墙板进行热工计算时,应考虑不锈钢连接件的冷桥效应的影响,予以折减计算。
 05.结论 
 
本文通过有限元软件ABAQUS对使用不锈钢连接件的预制夹心保温外墙板进行热工模拟分析,得到如下结论:
 
(1)对使用不锈钢连接件的预制夹心保温外墙板,在70mm保温层时模拟得到的传热系数与无连接件计算结果相差7.03%,由于不锈钢连接件本身导热系数较大产生一定“冷桥”效应。在热工设计时应考虑其影响进行折减计算。
 
(2)对采用不锈钢连接件在不同保温层厚度时,随着保温层厚度的减小,传热系数减小的幅度逐渐减弱。在80mm保温层时模拟得到的传热系数与无连接件时计算结果相差7.42%,在30mm保温层时模拟得到的传热系数与无连接件时计算结果仅相差4.95%。
 
(3)在沈阳地区采用不锈钢连接件的70mm厚保温层夹心保温外墙板,当建筑层数≥4层时满足规范对外墙传热系数的要求。
 

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