復合導熱系數(shù)在多層圍護結構熱分析中的應用及評價

陶艷, 余學軍, 曾永忠

（1.湖南省汨羅市建筑勘察設計院, 湖南 汨羅 414400; 2.長沙山水節(jié)能研究院有限公司, 湖南 長沙 410116; 3.西華大學能源與環(huán)境學院, 四川 成都 310039）

復合導熱系數(shù)在多層圍護結構熱分析中的應用及評價

陶艷1, 余學軍2, 曾永忠3

（1.湖南省汨羅市建筑勘察設計院, 湖南 汨羅 414400; 2.長沙山水節(jié)能研究院有限公司, 湖南 長沙 410116; 3.西華大學能源與環(huán)境學院, 四川 成都 310039）

為降低建模和計算的工作量, 提出使用復合導熱系數(shù)法將多層圍護結構簡化為單層并進行有限元熱分析. 與未經(jīng)簡化的多層結構模型的對比分析表明, 簡化后的單層模型能夠準確地計算結構內(nèi)外表面的溫度分布和厚度方向的熱流密度, 進而顯著提高了包含多層維護結構的建筑物熱仿真分析的工作效率。

圍護結構; 導熱系數(shù); 熱分析

引言

圍護結構作為建筑結構的主要組成部分之一, 對維持建筑的室內(nèi)環(huán)境發(fā)揮著重要的作用, 并在很大程度上決定了建筑的節(jié)能效果[1]. 根據(jù)錢坤等人的測算, 我國寒冷地區(qū)建筑圍護結構的散熱量高達采暖供熱量的1/3以上[2]. 建立合理的數(shù)學模型并精確地考察圍護結構在建筑傳熱過程中的作用, 是建筑保溫與節(jié)能計算的重要前提, 并有助于對建筑節(jié)能措施進行既科學又經(jīng)濟的設計與優(yōu)化[3]. 浙江大學李紅梅等人[4]在考慮了輻射與對流等多種因素的基礎上, 對屋面和墻體進行了典型日變化溫度場的數(shù)值模擬, 證明了綜合考慮多種因素的情況下能獲得更加準確的溫度場分布結果; 上海理工大學黃晨等[5]建立了大空間建筑室內(nèi)壁面導熱、輻射和對流耦合換熱的熱平衡方程, 實現(xiàn)了大空間建筑表面溫度的有效預測; 上海理工大學站乃巖等人[6]針對房間內(nèi)導熱、輻射與自然對流耦合換熱現(xiàn)象進行了研究, 發(fā)現(xiàn)外圍護結構的導熱系數(shù)、表面發(fā)射率和厚度對流動與換熱具有顯著影響.

在上述文獻關于建筑圍護結構的熱分析中, 導熱系數(shù)是衡量結構保溫性能與評估漏熱量的主要因素[7], 故建筑熱工計算中, 必須給定足夠準確的導熱系數(shù)取值. 尤其是對于多層圍護結構而言, 其導熱效果是幾種不同材料的共同結果, 如何給定準確的綜合導熱系數(shù)值, 將多層結構簡化成單層結構進而簡化計算過程, 對多層圍護結構的熱分析研究具有重要的意義. 本文以某平頂建筑屋面復合圍護結構為例, 依據(jù)材料的串并聯(lián)關系求解復合導熱系數(shù), 將多層圍護結構簡化為單層結構后應用于熱分析過程, 并與未經(jīng)簡化的多層結構模型進行對比,評價復合導熱系數(shù)法的應用效果并指出其局限性.

1 復合導熱系數(shù)確定方法

工程上, 常取材料層厚度與材料導熱系數(shù)的比值來得到結構的熱阻并用于實際的計算, 即單層結構的熱阻Ri為:

式中, Ri為單層結構的熱阻, K· m2·W-1; δi為單層結構的厚度, m; Ki為單層結構的導熱系數(shù), W·m-1·K-1.

而對于多層結構, 可比擬電阻的串并聯(lián)計算公式, 進行其總熱阻的計算, 即對具有n層不同材料組成的串聯(lián)結構, 其總熱阻R為各單層結構熱阻之和[8]:

實際應用中, 多層圍護結構的復合導熱系數(shù)具有各向異性的特點, 即垂直于結構表面方向為串聯(lián)的形式,而平行結構表面方向則為并聯(lián)形式, 故應當分別按照式(4)和式(5)分別計算各方向的復合導熱系數(shù)取值.

2 復合導熱系數(shù)的應用評價

以某平頂建筑的屋頂為研究對象, 基于大型商業(yè)有限元分析軟件ANSYS Workbench[9], 分別計算未經(jīng)簡化的多層結構模型和使用復合導熱系數(shù)進行簡化后的單層結構模型的溫度分布, 以此評價復合導熱系數(shù)在多層圍護結構熱分析中的應用價值并分析其局限性.

2.1 應用案例介紹

考察的平頂建筑屋頂為多層圍護結構, 共由7層結構組成, 其構成見圖1, 屋面各層材料設計厚度及熱工屬性見表1.

圖1 多層圍護結構構成圖Fig.1 Components of the Multilayer Envelop Enclosure Structure

表1 屋面結構各層材料設計厚度與材料屬性[4]Tab.1 Designed Thickness and Material Properties of each Layer of the Roof[4]

研究冬季時屋面的溫度分布, 同時考慮對流傳熱和輻射因素對屋頂溫度的影響, 屋面內(nèi)外表面材料的發(fā)射率均為0.9. 屋面室內(nèi)側以對流傳熱為主, 室內(nèi)溫度維持18℃不變, 其對流傳熱系數(shù)取0.529W/m2·K; 室外側同時存在對流和輻射, 室外環(huán)境溫度為6℃, 屋面室外側與環(huán)境之間的對流傳熱系數(shù)取21.1 W/m2·K, 天空的有效輻射溫度取-60℃.

2.2 多層結構模型

按照設計圖將屋面分成為7層, 取0.2m×0.2m的屋面局部結構, 劃分有限元網(wǎng)格, 按照對流和輻射工況分別對屋面內(nèi)外側施加相應的邊界條件并進行有限元穩(wěn)態(tài)熱分析. 三維有限元網(wǎng)格模型全部由六面體結構化網(wǎng)格組成, 保證每層材料的垂直方向至少分布三層節(jié)點, 總的節(jié)點和單元數(shù)目分別為610,773和135,100.

計算得到的屋面多層圍護結構的溫度分布見圖2, 讀取得到垂直表面方向的熱流密度為6.77W·m-2.

2.3 基于復合導熱系數(shù)簡化后的單層結構模型

按照式(2)和(3)將多層屋面圍護結構簡化為具有各向異性導熱系數(shù)的單層結構, 即垂直方向屬于串聯(lián)結構,其復合導熱系數(shù)為0.194 W·m-1·K-1; 而水平方向為并聯(lián)結構, 其復合導熱系數(shù)為1.299 W·m-1·K-1. 按照同樣的網(wǎng)格尺寸劃分有限元網(wǎng)格, 并施加同樣的傳熱邊界條件, 基于復合導熱系數(shù)計算得到簡化后的屋面單層結構的溫度分布見圖3, 讀取得到垂直表面方向的熱流密度為6.77W·m-2.

2.4 對比分析

比較圖2和圖3的溫度分布云圖可以發(fā)現(xiàn), 針對應用案例, 多層結構模型和簡化后的單層結構模型所預測得到的屋面結構內(nèi)表面和外表面溫度基本一致, 兩個模型的內(nèi)表面溫度和外表面溫度分別為5.20℃和-1.776℃. 同時, 計算得到的垂直屋面方向的熱流密度也完全一致, 其計算值都為6.77W·m-2.

但是, 對結構內(nèi)部的溫度分度來說, 圖2中多層結構計算得到的溫度分布梯度很不均勻, 體現(xiàn)出明顯的分層特點, 考慮到實際上組成結構的各層材料厚度不一致且導熱系數(shù)存在較大的差異, 故圖2中的多層結構內(nèi)部的溫度分布較為符合實際的認識; 圖3中由于簡化后的單層模型只由一種材料組成, 故內(nèi)部的材料屬性一致, 因此單層模型計算得到的結構內(nèi)部各處溫度分布的梯度完全一致, 隨著屋面的厚度, 溫度從內(nèi)側向外側均勻地降低.因此, 基于復合導熱系數(shù)法將多層圍護結構簡化為單層結構之后, 無法準確地預測結構內(nèi)部各層材料的溫度分布, 也不能簡化后的單層模型得到的溫度分布進行熱應力的分析進而用于分析熱應力引起的圍護結構開裂等問題[10].

3 結論

1)根據(jù)多層圍護結構的層間串并聯(lián)關系得到結構總的復合導熱系數(shù), 可以將多層結構簡化為單層結構進行熱分析, 大幅度減少建模和計算工作量, 且計算結果不會影響結構內(nèi)外表面和垂直結構面方向的熱流密度的準確性.

2)應用復合導熱系數(shù)將實際的多層結構簡化成單層結構后, 計算得到的結構內(nèi)部溫度分布嚴重失真, 對關心多層結構內(nèi)部溫度分布和熱應力的問題, 不能使用符合導熱系數(shù)法進行簡化分析.

圖2 多層結構的溫度分布/℃Fig.2 Temperature Distribution of the Multilayer Structure/℃

圖3 簡化后的單層結構的溫度分布/℃Fig.3 Temperature Distribution of the Simplified Single-layer Structure/℃

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The use and assessment of combined heat conductivity coefficient in the thermal analysis of multilayer envelop enclosure

TAO Yan1, YU Xue-jun2, ZENG Yong-zhong3
(1.Construction Survey and Design Institute of Miluo City, Hunan Province, Miluo 414400, P.R.C.; 2. Changsha M&S Energy Saving Research Institute Co., LTD, Changsha 410116, P.R.C.; 3. School of Energy and Environment, Xihua University, Chengdu 610039, P.R.C.)

To reduce the workload of modeling and calculation, the multilayer envelop enclosure finite element thermal analysis model was simplified into a single layer model by the use of combined heat conductivity coefficient. Contrastive analysis shows that, compared with the original multilayer model, the simplified single layer model can calculate the surface temperature distribution and heat flux along the thickness direction correctly, so the work efficiency of thermal analysis of building with multilayer envelop enclosure can be improved significantly.

envelop enclosure; heat conductivity coefficient; thermal analysis

TK124

A

1003-4271(2014)04-0608-05

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.04.27

2014-05-15

陶艷(1976-), 女, 漢族, 湖南汩羅市人, 工程師, 研究方向: 建筑設計工作; E-mail：792996880@qq.com.