[摘要] 第一章 绪论1 1 建筑节能的意义及围护结构墙体节能技术1 1 1
第一章 绪论
1.1 建筑节能的意义及围护结构墙体节能技术
1.1.1 我国建筑能耗现状及建筑节能的意义
伴随着科技进步和生产力的快速提高，世界各国的资源需求量越来越大，同时能源的供给仍然以不可再生的化石能源为主，绿色可再生能源在能源供给中所占比例依然很小。然而不可再生能源诸如煤炭、石油、天燃气等储量越来越少，供应越来越短缺，严重限制了人类经济和社会的发展。同时这些能源的消耗使用过程中引起的环境污染、气候变化也严重威胁到了人类的生存。对我国而言，我国已成为全球第二大能源消费国和二氧化碳排放国，能源资源的利用效能低，日益加剧的能源消耗与环境污染，越来越成为制约我国经济社会全面和谐发展的重要问题[1]，能源资源的节约及综合利用正越来越受到重视。由于我国处在高速城镇化建设的阶段，我国的建筑能耗已超越工业能耗、交通能耗位居社会能源消耗的首位，建筑能耗（包括建造能耗、使用能耗等）约占全社会总能耗的 30%[2]，其中最主要的是建筑使用中的采暖和空调能耗；如果加上建材生产中的能耗以及建筑物拆除消耗的能耗，据测算，建筑整个寿命周期能耗占用了社会总能耗的 50%[3]，由下图 1-1 可见全寿命周期内建筑的资源消耗和造成环境污染所占据的显着比例。目前我国每年新建建筑面积为 18-20 亿 m2，其中大多数为高能耗建筑，建筑单位面积采暖能耗为发达国家的 3 倍以上。由于我国城市化发展迅猛，如果按发达国家人均建筑能耗水平来评估我国城镇化过程中的建筑能耗量，其尚且需要消耗全球目前资源能源消耗量的 25%来满足[4]，可见建筑高能耗将是我国严峻能源形势下经济社会发展必须要解决的问题。为此国家相继推出了一系列的建筑节能政策，以期降低建筑能耗，实现我国经济社会的可持续发展。我国过去建筑能耗的概念指在建筑材料生产、建筑施工以及建筑后续使用几个方面的资源能源消耗。近年来我国从事建筑节能的研究人员认为，建筑能耗的范围应该与国际上发达国家一致，即指建筑使用能耗，其中包括采暖、通风、照明、空调等，属于民生能耗的范围[2]。相应的建筑节能指建筑使用过程中，能源资源的高效合理利用，减少能源在建筑物内损失，以达到降低建筑能耗同时提高居住舒适性的目的。
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1.2 建筑墙体热工性能及其热桥影响的研究
自然界中热量的传递是及其普遍的现象，热量的传递分为导热、对流、辐射三种基本方式。其中导热在相互接触的不同温度物体间或者同一个物体的不同温度部分间发生，热量由高温处传递向低温处。这种热量传递方式存在于固体、液体、气体，本文研究中混凝土墙体内传热主要为导热。热对流指依靠流体发生相对位移时，把热量随着位移由一个地方传递到另一个地方，这种热量传递方式仅发生在流体中。对流根据发生机理不同分为自然对流和强制对流，由温度差引起的密度分布不同造成的流体流动，为自然对流；由人为外力作用引起的流体发生强制相对位移产生的对流为强制对流[18]。本文的实验和模拟研究中墙体内外表面与空气的对流均为自然对流。热辐射指物体表面向外部发射热射线来传递能量。物体间的辐射热传递不需要介质，不需要接触，这是其区别于对流、导热的特性。建筑围护墙体传热是以上三种传热方式综合作用[19]的结果。建筑围护墙体传热分为三个过程：表面吸热、墙体内部传热、表面放热。表面吸热过程指冬季室内温度高于室外温度，墙体内表面从室内吸收热量；夏季室外温度高于室内温度墙体外表面从室外环境吸收热量过程，该过程中墙体表面和环境之间以对流、辐射、热传导三种方式综合进行热量传递，其中对流、辐射占主导地位。墙体内部传热指墙体内外表面之间存在温差情况下，热量由温度高的一侧传向温度低的一侧，因为墙体材料主要为固体，所以该热量传递过程以热传导为主，对流、辐射传热较少。表面放热过程类似于表面吸热过程，指冬季墙体外表面向温度较低的室外环境释放热量；夏季墙体内表面向温度较低的室内环境释放热量，热量的传递以对流、辐射为主。室外温度环境受到季节及昼夜交替的影响，是不断变化的；室内环境温度随着室内热源设备的运行状况而变化，因而在室内外变化的热环境作用下，墙体的传热状态也是随着时间变化的。为此，围护结构的传热分析应包括静态传热分析和非稳态（瞬态）传热分析。稳定传热指室内外热环境稳定，墙体传热状态不随着时间变化。围护结构通过稳定传热分析进行保温设计。非稳定传热指室内外热环境不断变化，墙体传热状态随时间变化的情况下的传热。通过对非稳态传热分析，可以确定墙体对室内热湿环境稳定性的影响及对室内环境舒适性的影响。
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第二章 装配式保温混凝土空心剪力墙接缝热桥区域传热实验
2.1 传热系数的测试原理及设备
选择对于围护结构墙体传热系数而言，目前常用的测量方法为热流计法、热箱法、红外热像仪法和辅助热箱-热流计法[48][49]。热流计法是假设所测量结构为一维稳态传热，即穿过结构的热流方向与结构温度梯度方向平行。在结构内表面贴上平板热流计，在热流计四周布置四个热电偶，同时在结构外表面与内表面热电偶对应的位置布置四个热电偶。因为在稳态传热情况下，穿过热流计的热流密度就是穿过结构的热流密度，由内外热电偶得到测点内外表面的平均温度，通过计算可得到被测结构在测点的传热系数[50]。该方法有使用设备少，简便易行的优点。但是需要测量结构内外表面温差大于 15°C，需要在冬季等特定气候条件下测量；而且为满足一维传热要求，测试平面需要足够大，现场测试时对热电偶和热流计要适当采用密封和遮阳措施，同时需要连续测量 72-96h，以求测量数据准确；由于实际结构不是一维稳态传热，是三维非稳态传热，通过墙体的热流密度比通过平板热流计的热流密度大，会引起传热系数测量结果较实际小。
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2.2 装配式保温混凝土空心剪力墙试件设计、制作
在本文的研究中使用课题组研发的 C35 级玻化微珠保温混凝土，该混凝土导热系数远远低于同等级普通混凝土[53]，能大幅提高剪力墙围护结构的保温隔热性能。从剪力墙受力角度来说，由于剪力墙围护结构受力较大，特别当受到地震波动荷载作用时，若开孔为带尖锐棱角的正方形或者其他多边形，受力时棱角部位容易形成应力集中破坏，会降低墙体承载能力，因而墙体内部开孔为圆形较为适宜[54]；同时墙体孔洞过大，会影响结构的承载能力和稳定性，而孔洞过小则会增大围护结构的重量，弱化其的延性变形能力和耗能能力，对提高抗震性能不利，因而要选择合适的孔径。根据 GB 50176-93《民用建筑热工设计规范》（空气间层热阻值表 4-2）计算可知，当空气间层厚度≥60mm 时候，空气间层厚度增加空气间层热阻基本不增大，此时可考虑采用低导热系数的聚氨酯泡沫填充墙体孔洞，来提高孔洞部位的热阻。剪力墙结构中钢筋相比构成墙体的其他材料的导热系数很大，其的量也会对空心剪力墙热工性能造成影响，因此需对墙体合理配在筋。根据上面分析同时参考相应规范，玻化微珠空心剪力墙采用如图 2-6 和表 2-1 的构造设计。
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第三章 墙体接缝热桥区域稳态热-应力模拟分析.............39
3.1 ANSYS 热分析模块简介......39
3.2 稳态温度场模拟及与实验结果对比分析..............41
3.2.1 模型的建立及云图分析 .........41
3.2.2 墙体传热系数分析......44
3.2.3 墙体热桥影响范围及热流密度分析............46
3.2.4 墙体内温度梯度分析.............49
3.3 热桥外保温构造的优化模拟分析....51
3.4 本章小结.........58
第四章 墙体对室内热湿稳定性影响分析....61
4.1 墙体瞬态分析模型建立........61
4.2 墙体内外表面温度的衰减延迟及墙体温度应力分析......63
4.3 墙体内部冷凝分析.....66
4.4 本章小结.........70
第五章 结论及展望 .....71
5.1 结论......71
5.2 展望......72
第四章 墙体对室内热湿稳定性影响分析
墙体作为围护结构处在室外综合热工环境中，外界环境温度的变化会导致室内温度波动，当墙体内表面温度较低时引起墙体表面结露；外界环境湿度的变化可能造成墙体内外水蒸气分压力差从而引起墙体内不同材料交界面产生冷凝。因而，为了人们良好的居住体验，保证室内舒适、稳定的热湿环境，需要墙体具备较强的抵抗外界环境变化的能力。同时墙体在室内温度和外部环境综合温度的周期性作用下，墙体会产生周期性变化的温度应力，长期较大温度应力的存在会影响墙体的使用寿命[70]。为评价装配式自保温空心剪力墙体对室内热湿稳定性影响及其墙体温度应力的大小，本章选取装配式剪力墙热桥及附近区域建立模型，进行瞬态热-应力分析，并进行墙体内部冷凝验算。
4.1 墙体瞬态分析模型建立
按照上章节优化后的热桥外保温构造，建立装配式空心剪力墙热桥及附近区域三维模型并进行热-应力耦合的瞬态模拟分析。有限元模型采用三维耦合场单元 SOLID5单元，相关墙体材料参数选取见表 2-3。本章研究某夏热冬冷地区冬季室内外温度环境下，墙体的瞬态热-应力耦合场效应，根据当地冬季气象资料[71]，得到该地区冬季室外温度最高值 10°C，最低温度-4°C；室内空调采暖温度设为 18°C，湿度为 60%。墙体外表面对流换热系数设为 23 W/m2 K。墙体内表面对流换热系数设为 8.7W/m2 K，内表面温度设为 18°C 模拟冬季室内取暖温度，墙体内部初始温度设为 18°C。模型按照墙体接缝热桥宽 250mm 建立，接缝为 200mm 的情况与此类似，故不作讨论。模型 X 轴方向为墙长方向，Y 轴方向为墙厚方向，Z 轴方向为墙高方向。先建立墙体水平截面模型并采用自由网格划分，网格尺寸为 0.01m；然后将平面模型沿墙高拉伸形成体模型，这样平面网格拉伸成体网格，竖向网格尺寸为 0.1m，见图 4.1(a)。课题组之前对玻化微珠混凝土及玻化微珠保温砂浆进行了较为深入的研究，其中代学灵提出了一种玻化微珠保温混凝土与玻化微珠保温砂浆复合保温外墙（简称复合保温墙体）结构[29]，其具有良好的热工性能。为了对比本文研究的装配式自保温空心剪力墙体与该复合保温墙体体系对室内热湿环境的影响及墙体温度应力大小，需要对该复合保温墙体建立热-应力耦合模型进行瞬态分析。
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结论
本文提出将玻化微珠保温混凝土空心剪力墙结构应用于装配式墙体体系中，该墙体体系在满足墙体承重保温一体化的同时顺应了建筑工业化的发展趋势。本文主要研究了装配式空心剪力墙结构接缝热桥及附近区域墙体的热工性能，以明确墙体接缝热桥的热桥效应。研究认为，对装配式保温混凝土空心剪力墙进行聚氨酯孔洞填充并进行接缝热桥部位挤塑聚苯板外保温处理，能基本消除墙体接缝热桥部位热桥效应造成的热量损失，该墙体具有优良的热工性能；墙体接缝热桥部位采用优化后的外保温构造后，其作为建筑围护结构传热系数满足夏热冬冷地区最新节能规范要求；该墙体体系作为建筑围护结构能保证室内良好的热湿稳定性，防潮性能良好。本文研究得到的主要结论如下：
1. 根据墙体热桥及附近区域传热实验和模拟分析知，装配式空心剪力墙进行孔洞内填充能有效降低墙体的传热系数达 32.8%，在此基础上进行墙体热桥部位外保温处理，可以进一步使传热系数降低约 16.2-18.7%。对装配式空心剪力墙进行孔洞内保温材料填充以及热桥处外保温处理，接缝热桥宽度为 200mm 及 250mm 时，其热桥附近传热系数实测值分别为 0.954 W/m2 K、0.957 W/m2 K，其作为外围护结构满足 JGJ 134-2010 《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》规范中建筑节能 65%的要求。通过墙体热桥及附近区域传热系数理论值与模拟值、实测值的对比，发现模拟值比实测值小 1.5%~9.1%；理论计算值与后两者差别较大，热工规范中传热系数计算中修正系数取值需完善，需作进一步研究。
2. 墙体热桥影响范围研究发现，墙体处于温度较高的工况或墙体接缝热桥宽度越大，热桥影响范围也越大。墙体热桥影响范围越大，热桥影响范围处热量损失与热桥本身热量损失比值越大，热桥效应越明显。墙体内孔洞填充聚氨酯保温材料可以有效降低热桥影响范围，热桥部位进行外保温处理可以使热桥影响范围降低为 0。孔洞填充和热桥部位外保温处理是减小装配接缝热桥的热桥影响范围，降低热桥效应的有效途径。沿墙厚方向温度梯度分析发现，墙体孔洞处进行聚氨酯保温材料填充，可有效增大孔洞位置温度梯度，增大其的热阻，减小通过其的热量；墙体热桥处进行外保温处理，使热桥处混凝土温度梯度较小，保温层内温度梯度较大，起到很好的阻热作用。孔洞填充以及热桥处外保温处理可有效增大墙体内外表面温度梯度，增大其热阻，可有效增强墙体保温隔热性能。
3. 通过墙体热桥处不同外保温层尺寸的模拟并对比分析，得知墙体热桥处外保温层越厚、保温层宽度越大，墙体热桥影响范围越小，墙体热桥效应造成的热量损失越小，墙体传热系数越低，墙体保温隔热性能越好。保温层尺寸变化时，墙体位移及墙体内外表面应力差均较小且变化不大，其对墙体外观及受力影响微小。模拟分析得到墙体接缝为 200mm、250mm 时，热桥外保温层最优尺寸分别为 30mm×300mm、30mm×350mm，此时墙体传热系数分别为 0.874 W/m2 K、0.902 W/m2 K 均满足冬冷夏热地区居住建筑节能 65%的要求。
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参考文献（略）
