夏热冬冷地区新型玻璃轻石外墙保温体系热桥传热分析

摘要

玻璃是人们日常生活中必不可少的物品，被消费使用过的废玻璃由于没有得到有效的回收再处理，不仅浪费了资源，也给环境造成污染。面对现在日益紧缺的能源及我国废玻璃回收利用率低这一现状，通过引进日本公司对于废玻璃回收再处理的生产线，将废玻璃转化为再生轻石材料，应用于园林、绿化、水质净化、雨水储存、建筑防火、地基处理等领域。废玻璃再生轻石是一种具有轻质、透水保水、通气、保温、隔热、阻燃等特性的新型材料，本研究将其制成建筑围护墙体砌块和预制墙板等构件，选取以武汉为代表的夏热冬冷地区住宅建筑围护结构外墙保温体系，分析该环保再生新材料用于节能建筑外墙保温隔热体系的适用性。
　　 能源的日益紧缺使得各个行业加大了节能方面的工作开展，建筑节能就是其中至关重要的一项。我国对建筑节能的目标也在不断更新，现阶段，夏热冬冷地区的新建建筑已向着节能65％的标准迈进，这就需要有效控制建筑能耗损失。而建筑耗热中，热桥耗热已经占到总能耗的20％左右，因此，本研究针对建筑外围护结构保温体系中热桥能耗的研究，对于有效降低建筑单体能耗、适应我国建筑节能设计标准不断提高的发展趋势具有重要意义。
　　 本文以废玻璃再生轻石保温砌块和轻质墙板做为保温材料用于混凝土框架结构外墙保温体系中，并以混凝土框架柱热桥为研究对象，通过有限元分析软件ANSYS对热桥柱的温度场和热流场进行模拟分析，从而对废玻璃再生轻石用于外墙保温体系的适用性给予科学评价。本文完成的主要工作如下:
　　 (1)将废玻璃再生轻石制成的保温砌块和轻质保温墙板分别用于外墙无保温、自保温、内保温和外保温体系中，以二维稳态传热理论为基础，运用ANSYS对各种保温形式下的混凝土框架热桥柱的温度场和热流场进行数值模拟，通过比较热桥部位墙体内表面温度和热流密度，掌握该环保再生新材料的保温性能。研究结果表明，将废玻璃再生轻石材料制作的保温构件用于外墙保温体系中，混凝土框架柱热桥内表面温度有明显提升，热桥影响区域减小，但外保温形式相比于自保温和内保温形式，可以更好的阻止热流的流失。
　　 (2)以废玻璃轻石做保温材料的四种保温形式的混凝土框架柱热桥为例，以二维非稳态传热理论为基础，选取武汉地区冬季典型日的气象数据，运用ANSYS对不同外墙保温形式、不同保温层厚度等情况下的热桥传热情况进行模拟分析，比较混凝土框架柱热桥的墙体内表面温度随时间变化的规律。研究结果表明，在相同的室外空气温度波作用下，采用自保温和外保温形式时，混凝土框架柱热桥各位置的室内墙体表面温度波动不大，使得居住环境较舒适。保温板厚度的改变对内保温体系保温效果的改善不大，对外保温体系保温效果的改善较大。
　　 (3)以外墙外保温形式为例，保持墙体其他构造层不变，从0mm开始，以10mm为递增，逐渐改变玻璃轻石外保温板厚度，运用ANSYS对采用不同厚度外保温板的热桥部位的温度场和热流场分布进行分析，建议玻璃轻石外保温板的合理厚度;另外，通过改变热桥柱截面尺寸和形状，对比分析热桥构件截面尺寸和截面形式不同对热桥传热的影响。研究结果表明，采用废玻璃再生轻石保温墙板用于外墙外保温体系中，经数值分析得到的经济保温板厚度满足国家节能标准要求，同时，热桥柱的截面厚度改变对热桥传热有一定的影响，而截面宽度和形状的改变产生的影响却很小。
　　 通过上述数值模拟分析，本研究对废玻璃再生轻石新材料在夏热冬冷地区建筑外墙保温体系中的适用性给予了科学评价，并为该新材料用于不同建筑制品的进一步研究生产及在节能建筑中的推广应用提供了理论基础和计算依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的目的和意义

1．1．1 废玻璃再生轻石新材料

1．1．2 我国开展建筑节能工作的必要性

1．1．3 关于建筑热桥的概述

1．2 夏热冬冷地区气候状况和建筑节能现状

1．3 国内外建筑节能和热桥研究现状与进展

1．3．1 国外建筑节能和热桥研究现状与进展

1．3．2 国内建筑节能和热桥研究现状与进展

1．4 建筑外墙保温体系的种类及特点

1．4．1 外保温复合墙体形式

1．4．2 内保温复合墙体形式

1．4．3 夹心保温复合墙体形式

1．4．4 自保温墙体形式

1．5 本文的主要研究内容

第二章 混凝土框架柱热桥二维稳态传热分析

2．1 温度场传热理论

2．1．1 傅立叶定律

2．1．2 热力学第一定律

2．1．3 导热微分方程

2．1．4 导热过程的单值性条件

2．2 热桥传热的计算模型和假设条件

2．2．1 热桥传热物理模型

2．2．2 热桥传热数学模型

2．2．3 热桥传热模型的假设条件

2．3 温度场求解方法

2．3．1 温度场求解方法综述

2．3．2 运用ANSYS进行二维稳态热分析原理

2．4 热桥部位温度场和热流场模拟结果分析

2．4．1 框架柱热桥构造及材料热工性能参数

2．4．2 热桥柱二维稳态传热模拟结果分析

2．5 本章小结

第三章 混凝土框架柱热桥二维非稳态传热分析

3．1 求解围护结构非稳态传热的过程

3．1．1 非稳态传热求解方法综述

3．1．2 二维非稳态传热的数值计算

3．2 热桥柱二维非稳态传热模拟结果分析

3．2．1 同种保温形式热桥柱不同部位的温度变化特点

3．2．2 不同保温形式热桥柱相同部位的温度变化特点

3．2．3 保温板厚度不同对热桥柱部位温度变化的影响

3．3 本章小结

第四章 玻璃轻石保温板厚度及柱热桥截面形式对热桥传热的影响

4．1 外墙外保温形式玻璃轻石保温板厚度优选

4．1．1 不同保温层厚度模拟结果分析

4．2 对玻璃轻石保温墙板经济厚度的算例分析

4．2．1 理论公式

4．2．2 算例分析

4．3 柱截面形式改变对热桥传热的影响

4．4 本章小结

第五章 结论和展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

作者在攻读硕士期间发表的学术论文

致谢