CN113468638B - 一种基于热湿耦合的装配式建筑热桥分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种基于热湿耦合的装配式建筑热桥分析方法，主要考虑了装配式建筑外墙连接件部位热传递、湿迁移及其耦合作用的问题，通过COMSOL用有限元方法对模型进行数值求解，对装配式建筑热桥进行合理的分析，提高准确度，为装配式建筑节能效率不达标的问题提供了解答。本发明可为装配式建筑热桥部位的保温节能措施提供理论指导，有利于提高资源利用效率。适用于各种装配式建筑的热桥分析。

Description

一种基于热湿耦合的装配式建筑热桥分析方法
技术领域
本发明涉及建筑工程技术领域，更具体的，涉及一种基于热湿耦合的装配式建筑热桥分析方法。
背景技术
目前，装配式建筑在节能设计方面存在的问题主要可归结于以下几个方面：一是我国关于装配式建筑施工技术标准以及技术指导方面存在缺口，使得设计人员在进行节能设计时过多的参考普通建筑的保温技术设计规定与标准，造成了装配式建筑在施工完成后出现节能效率不达标和建筑材料大量浪费的后果；二是装配式建筑在现场施工和设计当中处理欠妥，如构造节点保温处理不当等，导致建筑产生大量热桥现象从而造成能耗增大。
除此之外，围护结构暴露在室内外热湿环境中，在温度和水蒸气分压力梯度的共同作用下，室内外的水分会通过围护结构发生迁移。围护结构各层之间的水分迁移不仅会通过降解材料和增加霉菌生长的风险而缩短***的使用寿命，还会对室内空气湿度，热负荷和湿负荷产生重大影响。多孔材料(如外墙面板的隔热层和结构层)中的蒸汽凝结也会提高整体传热。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于热湿耦合的装配式建筑热桥分析方法，在各种复杂环境条件下，对不同装配式建筑连接节点热桥进行热湿分析，为装配式建筑保温设计提供理论指导。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所述的一种基于热湿耦合的装配式建筑热桥分析方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)获取墙体材料的性能参数，包括密度(kg/m3)、恒压热容(J/(kg·K))、导热系数(W/(m·K))、含水量(kg/m3)、扩散系数(m2/s)、蒸汽渗透性(kg/(m·s·Pa))；
(以上材料参数可由查找文献或实验得出)
步骤(2)查询当地典型年份气象参数，包括月平均温度Text(℃)、月平均相对湿度φext、月平均风速u(m/s)；
步骤(3)在COMSOL Multiphysics选择三维建筑材料热湿传递模型，其湿控制方程和热控制方程分别为
Figure GDA0003668210060000021
其中(ρc)eff＝ρmcp,m+ωcp,l(方程3)
式中ξ为湿容(等温吸放曲线的斜率)(kg/m3)，φ为空气相对湿度(％)，Dw为液态水扩散系数(m2/s)，δP为水蒸气渗透率(kg/(m·s·Pa))，Psat为饱和蒸汽压力(Pa)，keff为当量导热系数，Lv为水蒸气的汽化潜热(J/kg)，ρm为干材料密度(kg/m3)，cp,m为干材料的比热(J/(kg·K))，ω为含湿量(kg/m3)，cp,l为液态水的比热(J/(kg·K))，T为墙体温度(K)，t为时间(s),
Figure GDA0003668210060000022
为梯度算子；
步骤(4)导入三维物理模型；
步骤(5)输入参数，包括气象参数以及材料参数；
步骤(6)根据已知条件为各个区域选择合适的初始条件与边界条件，边界条件包括热边界条件与湿边界条件，用户可根据已知条件选择温度、热通量、热绝缘、湿度、水汽通量、防潮层边界条件；
步骤(7)划分网格，在网格划分方面COMSOL自带预定义的自由四面体网格单元划分方式，用户只需选择合理的网格尺寸(极端粗化、特别粗化、较粗化、粗化、正常、细化、较细化、特别细化、极端细化)对研究对象进行网格划分，网格尺寸越密，计算越精确，但所需计算时间越长，设定求解方式和时间步长；
步骤(8)计算结果；
步骤(9)选择几种不同的装配式建筑连接方式以及材料，根据各个月份的气象参数分别计算每个月的墙体温度与相对湿度参数。
进一步地，所述气象参数包括风速、温度、湿度、太阳辐射照度、天空有效温度、降雨以及盐雾浓度中的至少一种。
进一步地，所述网格尺寸包括至少对以下极端粗化、特别粗化、较粗化、粗化、正常、细化、较细化、特别细化、极端细化中的一种对研究对象进行网格划分。
进一步地，所述墙体材料可由MatWeb材料库导入。
进一步地，所述三维物理模型可由SolidWorks或CAD导入。
本发明的有益效果为：在各种复杂环境条件下，对不同装配式建筑连接节点热桥进行热湿分析，为装配式建筑热桥部位的保温节能措施提供了理论指导，有利于提高资源利用效率。
附图说明
图1装配式***护结构组件和钢连接的热物理性质，
图2装配式***护结构3D模型；
图3装配式***护结构边界条件；
图4装配式***护结构网格划分；
图5求解器设置；
图6连接件热桥截面的温度分布[℃]；
图7连接件热桥截面的热通量分布[W/m2]；
图8连接件热桥截面的相对湿度分布[％]；
图9连接件热桥截面的水汽通量分布[kg/(m2·s)]；
图10装配式建筑连接件热桥三视图及3D模型；
图11COMSOL求解流程图。
具体实施方式
以下结构附图对本发明的实施例进行详细说明。但本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参考图11基于热湿耦合的装配式建筑热桥分析方法，以下为具体实施例：
本例以南昌地区的螺栓连接装配式建筑围护结构为例，某墙体为加气混凝土，保温层为XPS(挤塑式聚苯乙烯隔热保温板)，墙面抹灰材料为的水泥砂浆，楼板为钢筋混凝土。
获取墙体材料的性能参数。
表1装配式***护结构组件和钢连接的热物理性质
Figure GDA0003668210060000041
Figure GDA0003668210060000051
注意：f(x)表示该参数为参数x的函数，如图1所示。
以南昌地区二月份为例：
月平均温度Text为6.8℃，月平均相对湿度φext为81.5％，月平均风速2.4m/s，取室内设计温度Tint为21℃，相对湿度φint为60％。
在COMSOL Multiphysics选择三维建筑材料热湿传递模型，其湿控制方程和热控制方程分别为
Figure GDA0003668210060000052
Figure GDA0003668210060000053
其中(ρc)eff＝ρmcp,m+ωcp,l(方程3)
式中ξ为湿容(等温吸放曲线的斜率)(kg/m3)，φ为空气相对湿度(％)，Dw为液态水扩散系数(m2/s)，δP为水蒸气渗透率(kg/(m·s·Pa))，Psat为饱和蒸汽压力(Pa)。keff为当量导热系数，Lv为水蒸气的汽化潜热(J/kg)，ρm为干材料密度(kg/m3)，cp,m为干材料的比热(J/(kg·K))，ω为含湿量(kg/m3)，cp,l为液态水的比热(J/(kg·K))。
使用SketchUp或其他3D建模软件对连接件热桥部位进行建模并导入COMSOL，如图2所示。
根据设计条件为各个区域选择材料并定义初始条件，如图3所示。
其中外表面边界条件为
Figure GDA0003668210060000061
内表面边界条件为
Figure GDA0003668210060000062
所有面板材料的初始条件设置为相对湿度60％，温度21℃(294.15K)。
使用COMSOL自动网格生成器生成了非结构化非均匀的四面体网格，选择网格尺寸为细化，如图4所示。为实现精确且独立于网格的模拟，将细孔(约10毫米)分布在钢连接附近的区域中，在这些区域中热量和水分传递的潜在变化可能性很大。大网格(约80毫米)分布在非关键区域，以使总网格数保持在合理的范围内。
本模拟案例使用的是月平均温湿度，因此选择基于有限元方法(FEM)的稳态求解器来数值求解耦合的控制方程(方程式1和方程式2)。采用全耦合方法来迭代求解稳态偏微分方程(PDE)，设置如图5所示。设置完成后进行计算。
计算完成后从COMSOL结果方案中提取模型中的温度，热通量，相对湿度和水汽通量等，分别如图6所示、如图7所示、如图8所示、如图9所示。
同理可计算其他月份或其他连接方式的装配式建筑热桥的热湿性能，对不同装配式建筑连接节点热桥进行热湿分析。

Claims (5)

1.一种基于热湿耦合的装配式建筑热桥分析方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)获取墙体材料的性能参数，包括密度(kg/m3)、定压热容(J/(kg·K))、导热系数(W/(m·K))、含水量(kg/m3)、扩散系数(m2/s)、蒸汽渗透性(kg/(m·s·Pa))；
步骤(2)查询当地典型年份气象参数，包括月平均温度Text(℃)、月平均相对湿度
Figure FDA0003726373600000011
月平均风速u(m/s)；
步骤(3)在COMSOL Multiphysics选择三维建筑材料热湿传递模型，其湿控制方程和热控制方程分别为
Figure FDA0003726373600000012
Figure FDA0003726373600000013
其中(ρc)eff＝ρmcp,m+ωcp,l (方程3)
式中ξ为湿容(kg/m3)，φ为空气相对湿度(％)，Dw为液态水扩散系数(m2/s)，δP为水蒸气渗透率(kg/(m·s·Pa))，Psat为饱和蒸汽压力(Pa)，keff为当量导热系数，Lv为水蒸气的汽化潜热(J/kg)，ρm为干材料密度(kg/m3)，cp,m为干材料的比热(J/(kg·K))，ω为含湿量(kg/m3)，cp,l为液态水的比热(J/(kg·K))，T为墙体温度(K)，t为时间(s),
Figure FDA0003726373600000014
为梯度算子；
步骤(4)导入三维物理模型；
步骤(5)输入参数，包括气象参数以及材料参数；
步骤(6)根据已知条件为各个区域选择合适的初始条件与边界条件，边界条件包括热边界条件与湿边界条件，用户可根据已知条件选择温度、热通量、热绝缘、湿度、水汽通量、防潮层边界条件；
步骤(7)划分网格，在网格划分方面COMSOL自带预定义的自由四面体网格单元划分方式，用户只需选择合理的网格尺寸对研究对象进行网格划分，网格尺寸越密，计算越精确，但所需计算时间越长，根据需求设定求解方式和时间步长；
步骤(8)计算结果；
步骤(9)选择几种不同的装配式建筑连接方式以及材料，根据各个月份的气象参数分别计算每个月的墙体温度与相对湿度参数。
2.如权利要求1所述的一种基于热湿耦合的装配式建筑热桥分析方法，其特征在于：
所述气象参数包括风速、温度、湿度、太阳辐射照度、天空有效温度、降雨以及盐雾浓度中的至少一种。
3.如权利要求1所述的一种基于热湿耦合的装配式建筑热桥分析方法，其特征在于：
所述网格尺寸包括至少对以下极端粗化、特别粗化、较粗化、粗化、正常、细化、较细化、特别细化、极端细化中的一种对研究对象进行网格划分。
4.如权利要求1所述的一种基于热湿耦合的装配式建筑热桥分析方法，其特征在于：
所述墙体材料可由MatWeb材料库导入。
5.如权利要求1所述的一种基于热湿耦合的装配式建筑热桥分析方法，其特征在于：
所述三维物理模型可由SolidWorks或CAD导入。
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