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（1. 山东建筑大学热能工程学院 山东 济南 250101；2.中国科学院广州能源研究所 广东 广州 510640）
【摘 要】分析了建筑热桥的传热机理，应用微积分理论，建立了建筑热桥的二维非稳态数学模型。进而，应用有限元方法对建筑热桥的动态特性进行了仿真，探讨了建筑热桥能耗变化的内在规律，绘制了建筑热桥逐时温度场、热流场分布曲线。这对于削弱及消除建筑热桥,实现建筑节能的目标具有积极的意义。
【关键词】热桥；温度分布；采暖；数学模型；能耗
Study on temperature distribution of thermal bridge for heating residential buildings
L i Yongan1, Li Changhe2 , Liu Xuelai1
(1.School of Thermal Energy Engineering Shandong Jianzhu University Jinan Shandong 250101;
2.Guangzhou Institute of Energy Resource China Academy of Sciences Guangzhou Guangdong 510640)
【Abstract】Heating transfer mechanism of thermal bridge is analyzed and two-dimensional dynamic mathematical models are derived from infinitesimal calculus . Simulation of dynamic characteristics for thermal bridge is carried out by finite element method. Inner regular of energy consumption of thermal bridge is discussed and distribution curves of hourly temperature and heat density are drawn. That is of interest to reduce and eliminate thermal bridge , and to realize target of saving energy.
【Key words】Thermal bridge; Temperature distribution; Heating; Mathematical model; Energy consumption
1. 引言
建筑热桥是指处在外墙和屋面等围护结构中的钢筋混凝土或金属梁、柱、肋等部位。据统计，在砖混、砌快、板材等建筑结构体系中，热桥面积占到25%左右。在采暖居住建筑中，通过建筑热桥的耗热量也是相当可观的[1]。因此，深入分析建筑热桥的动态特性，求出建筑热桥的温度分布及采暖影响区域，对于降低采暖居住建筑的运行能耗，实现建筑节能65%的目标，提高室内空气的品质都是十分重要的。
2. 数学模型的建立
热桥在建筑结构中属于围护结构的一部分，但是热桥部位的建筑材料大多都是导热能力强的钢筋混凝土或型钢，热桥能耗比节能墙体主体部分要大的多[2]。这里选择贯通式抗震柱热桥为例来进行分析。
选取贯通式抗震柱作为建筑热桥传热分析的物理模型。对于贯通式热桥为矩形截面的柱体，中间抗震柱为钢筋混凝土，两边墙体材料是粘土空心砖。
根据傅立叶定律，在直角坐标系中，对于恒物性、无内热源热桥，三维非稳态数学模型可简化为[3]：
发生变化，因此很难求得上述方程组的解析解，本文采用有限元方法进行数值求解。
下面以采暖居住建筑抗震柱贯通式热桥为例来进行分析。抗震柱部位为钢筋混凝土构造，尺寸为240mm×240mm，左右两侧墙体材料是粘土空心砖，内外抹20mm混合水泥砂浆，内外饰面忽略不计，计算模型宽0.84m，高0.28m。
冬季室内计算温度取18℃，室外采暖计算温度取-7℃，采暖居住建筑物位于济南地区。计算出温度波衰减度、延迟时间等，然后进行动态仿真，求解温度场。
根据仿真结果，可得出建筑热桥节点温度及热流密度随时间的变化曲线，见图1。从图1中可以看出：热桥内表面最低温度出现在早晨7点左右；由于温度波的衰减，热桥内表面温度及热流密度变化较为平坦；内表面温度最低值出现在热桥中心位置，热桥附近内表面其它节点的温度及热流密度随着远离抗震柱中心位置相应逐渐升高和降低；热桥部位热流密度较非热桥部位大很多，这说明热桥是热流的主要通路[6]；由于热桥材料层的特性，总滞后时间在11小时左右，简谐波振幅由外至里逐渐减小；温度波动的相位逐渐向后推进，距热桥外表面距离越远，滞后时间越长，温度波逐渐衰减，振幅越小。
4. 结论
4．1 通过建筑热桥的温度场分布曲线可以看出，在济南地区，采暖居住建筑构造柱热桥内表面最低温度一般出现在早晨7：00左右，并且最低温度往往低于空气的露点温度，导致室内结露。
4．2 由建筑热桥的热流分布曲线可见，在济南地区，构造柱热桥最大热流密度达到 70w/m2，是普通外墙的两倍，因此，建筑热桥是热流的重要通道。为了节约采暖能耗，必须采取措施，削弱及消除建筑热桥。
参考文献
［1］ 李常河. 建筑热桥的动态仿真及实验研究. ［硕士学位论文］. 山东建筑工程学院，2005：56～72
［2］ 刘学来，李永安，李常河. 住宅建筑构造柱热桥采暖能耗的分析［J］. 低温建筑技术. 2004,(5): 87～89
［3］ 刘学来，李永安. 居住建筑外墙外保温做法及经济分析［J］. 建筑技术. 2005，36（10）:731～733
【摘 要】分析了建筑热桥的传热机理，应用微积分理论，建立了建筑热桥的二维非稳态数学模型。进而，应用有限元方法对建筑热桥的动态特性进行了仿真，探讨了建筑热桥能耗变化的内在规律，绘制了建筑热桥逐时温度场、热流场分布曲线。这对于削弱及消除建筑热桥,实现建筑节能的目标具有积极的意义。
【关键词】热桥；温度分布；采暖；数学模型；能耗
Study on temperature distribution of thermal bridge for heating residential buildings
L i Yongan1, Li Changhe2 , Liu Xuelai1
(1.School of Thermal Energy Engineering Shandong Jianzhu University Jinan Shandong 250101;
2.Guangzhou Institute of Energy Resource China Academy of Sciences Guangzhou Guangdong 510640)
【Abstract】Heating transfer mechanism of thermal bridge is analyzed and two-dimensional dynamic mathematical models are derived from infinitesimal calculus . Simulation of dynamic characteristics for thermal bridge is carried out by finite element method. Inner regular of energy consumption of thermal bridge is discussed and distribution curves of hourly temperature and heat density are drawn. That is of interest to reduce and eliminate thermal bridge , and to realize target of saving energy.
【Key words】Thermal bridge; Temperature distribution; Heating; Mathematical model; Energy consumption
1. 引言
建筑热桥是指处在外墙和屋面等围护结构中的钢筋混凝土或金属梁、柱、肋等部位。据统计，在砖混、砌快、板材等建筑结构体系中，热桥面积占到25%左右。在采暖居住建筑中，通过建筑热桥的耗热量也是相当可观的[1]。因此，深入分析建筑热桥的动态特性，求出建筑热桥的温度分布及采暖影响区域，对于降低采暖居住建筑的运行能耗，实现建筑节能65%的目标，提高室内空气的品质都是十分重要的。
2. 数学模型的建立
热桥在建筑结构中属于围护结构的一部分，但是热桥部位的建筑材料大多都是导热能力强的钢筋混凝土或型钢，热桥能耗比节能墙体主体部分要大的多[2]。这里选择贯通式抗震柱热桥为例来进行分析。
选取贯通式抗震柱作为建筑热桥传热分析的物理模型。对于贯通式热桥为矩形截面的柱体，中间抗震柱为钢筋混凝土，两边墙体材料是粘土空心砖。
根据傅立叶定律，在直角坐标系中，对于恒物性、无内热源热桥，三维非稳态数学模型可简化为[3]：
发生变化，因此很难求得上述方程组的解析解，本文采用有限元方法进行数值求解。
下面以采暖居住建筑抗震柱贯通式热桥为例来进行分析。抗震柱部位为钢筋混凝土构造，尺寸为240mm×240mm，左右两侧墙体材料是粘土空心砖，内外抹20mm混合水泥砂浆，内外饰面忽略不计，计算模型宽0.84m，高0.28m。
冬季室内计算温度取18℃，室外采暖计算温度取-7℃，采暖居住建筑物位于济南地区。计算出温度波衰减度、延迟时间等，然后进行动态仿真，求解温度场。
根据仿真结果，可得出建筑热桥节点温度及热流密度随时间的变化曲线，见图1。从图1中可以看出：热桥内表面最低温度出现在早晨7点左右；由于温度波的衰减，热桥内表面温度及热流密度变化较为平坦；内表面温度最低值出现在热桥中心位置，热桥附近内表面其它节点的温度及热流密度随着远离抗震柱中心位置相应逐渐升高和降低；热桥部位热流密度较非热桥部位大很多，这说明热桥是热流的主要通路[6]；由于热桥材料层的特性，总滞后时间在11小时左右，简谐波振幅由外至里逐渐减小；温度波动的相位逐渐向后推进，距热桥外表面距离越远，滞后时间越长，温度波逐渐衰减，振幅越小。
4. 结论
4．1 通过建筑热桥的温度场分布曲线可以看出，在济南地区，采暖居住建筑构造柱热桥内表面最低温度一般出现在早晨7：00左右，并且最低温度往往低于空气的露点温度，导致室内结露。
4．2 由建筑热桥的热流分布曲线可见，在济南地区，构造柱热桥最大热流密度达到 70w/m2，是普通外墙的两倍，因此，建筑热桥是热流的重要通道。为了节约采暖能耗，必须采取措施，削弱及消除建筑热桥。
参考文献
［1］ 李常河. 建筑热桥的动态仿真及实验研究. ［硕士学位论文］. 山东建筑工程学院，2005：56～72
［2］ 刘学来，李永安，李常河. 住宅建筑构造柱热桥采暖能耗的分析［J］. 低温建筑技术. 2004,(5): 87～89
［3］ 刘学来，李永安. 居住建筑外墙外保温做法及经济分析［J］. 建筑技术. 2005，36（10）:731～733