加气混凝土典型自保温墙体结露问题数值判断

多层砌体结构房屋自保 温墙体结构
混凝土部位室内表面 宽度中心处
框架结构房屋（混凝土 柱与填充墙体复合结 构）自保温墙体结构
框架结构房屋（混凝土 柱与混凝土梁复合结 构）自保温墙体结构
200 抗震墙结构房屋自保温 墙体结构 200 250 250
100 150 100 150 混凝土墙部位室内表 面宽度中心处
3
B06
B05
B06
计算参数 材料 B05 B06 钢筋混凝土
导热系数 / W/m·K 0.20 0.24 1.74 0.87 0.93
比热 / kJ/kg 1.40 1.30 0.92 1.05 1.05
图2
框架结构房屋（混凝土柱与填充墙体复合结构）自保 温墙体结构
内表面抹灰 混合砂浆 外表面抹灰
加气混凝土典型自保温墙体结露问题数值判断
张 源1 高本立 2 杜 垲1
（1 东南大学能源与环境学院，南京 210096） （2 江苏省建筑科学研究院有限公司结构研究所，南京 210008）
摘 要 加气混凝土自保温结构是建筑外墙自保温的重要结构形式之一。同时，分析该种墙体热桥的内表 面是否会发生结露现象，成为节能设计中不可缺少的计算环节。本文采用CFD软件FLUENT、用有限体积法 对在夏热冬冷地区的典型城市南京的冬季，粉煤灰加气混凝土典型自保温墙体结构的传热过程进行了数值 模拟计算，得到了典型结构内部的温度场，并得到如下结论：（1）冬季时，加气混凝土自保温墙体内表 面温度最低点均处于热桥部位室内表面宽度的中心处或阴角处，应重点考虑这些部位的结露问题；（2） 在冬季的南京，各种加气混凝土自保温墙体典型结构内表面的最低温度均处于13.5℃以上，高于室内空气 的露点温度，不会出现结露现象。 关键词 节能 围护结构 自保温墙体 数值模拟 结露 加气混凝土
14.9 15.8 14.7 15.6
各典型结构不同厚度搭配的温度场标注图如 图 5～图 19 所示。图中，温度场的下侧为室内侧， 上侧为室外侧。
∂t − λ = f 2 (τ ) ∂n w
（3）
式中： λ 、 t 、 n 与式（2）中相同； f 2 (τ ) 表示一 个以时间 τ 为自变量的函数，在绝热边界条件中，
1 数学模型
1.1 通过自保温墙体的传热过程
自保温墙体的传热过程包含以下三个部分 ： （1）自保温墙体外壁面与室外空气之间的对 流换热； （2）自保温墙体自身的导热； （3）自保温结构内壁面与室内空气的对流换 热。
Abstract Aerated concrete self-thermal insulation construction is one of the important self-thermal insulation construction styles of exterior wall. Meanwhile, estimating whether the condensation phenomenon will happen on the inner surface of the thermal bridges of these walls becomes the necessary calculation section in energy conservation design. In this paper, the CFD software FLUENT and finite volume method are used for the numerical simulating calculations on the heat transfer processes of the representative fly ash aerated concrete self-thermal insulation wall constructions, which are in the typical city Nanjing of the hot summer and cold winter zone in winter. The inner temperature fields of the representative constructions are obtained; and the conclusions are drawn that: (1) In winter, the minimum temperature points on the inner surfaces of the aerated concrete self-thermal insulation walls locate at the center vertical lines on the width of the inner surfaces of thermal bridges and the inside corners. It should be seriously considered on these positions with the problems of condensation. (2) In the winter of Nanjing, the minimum temperature values on the inner surfaces of various representative aerated concrete self-thermal insulation constructions are greater than 13.5℃, which is greater than the dew-point temperature of indoor air, so the condensation phenomenon will not happen. Keywords energy conservation building envelope self-thermal insulation wall condensation aerated concrete numerical simulation
1.2 控制方程
1.2.1 模型假设条件 基于基本物理事实，对所研究的问题提出以下 几点假设： （1）自保温墙体材料为常物性； （2）自保温墙体的冷端、热端与环境之间的 传热设定为第三类热边界条件； （3）自保温墙体内部与墙体高度、宽度平行 的两个方向的传热处于动态热平衡状态，相互传递 的净热流为零，其截面设定为第二类边界条件（设 定净热流为零，即绝热边界条件） 。 1.2.2 控制方程 自保温墙体三维稳态无内热源的导热微分方
程如式（1）[7]所示。
∂ 2T ∂ 2T ∂ 2T + + =0 ∂x ∂y ∂z
（1）
1.3 边界条件
将自保温墙体两侧的环境空气分别设定固定 的温度， 该两表面按第三类边界条件处理， 如式 （2） 所示。
∂t − λ = h(t w − t f ) ∂n w
（2）
式中： λ 表示自保温墙体表面材料的导热系数， W/m·K；t 表示温度，K； n 表示换热表面的外法线 方向； h 表示自保温墙体表面的对流换热系数， W/m2·K；t w 表示自保温墙体表面温度，K；t f 表示 自保温墙体表面周围的空气温度，K。 自保温墙体内部与墙体高度、宽度平行的两个 方向的传热处于动态热平衡状态，相互传递的净热 流为零，其截面设定为第二类边界条件（设定净热 流为零，即绝热边界条件） ，如式（3）所示。
0
基金项目：南京市墙改办资助项目（项目名称：夏热冬冷地区外墙自保 温体系。宁墙办[2007]036 号） 作者简介：张源， （1983- ） ，男，博士研究生
前言
建筑围护结构可以使建筑内部的热量或冷量 得到蓄存，降低建筑设备运行费用[1]，其热工性能
的改善是建筑节能工作的重点之一。建筑围护结构 热工性能的优劣对建筑的节能水平具有重要影响 [2-4] 。 当前，加气混凝土砌块以其轻质、具有较好的 热工性能以及减轻结构自重等优点，使该种自保温 墙体成为建筑外墙自保温的重要结构形式之一。同 时， 建筑的结构梁、 柱等部位具有较高的导热系数， 在墙体中成为热桥。冬季时，热桥部位的热阻较小 使得其内表面与室外空间的温差减小，于是，在内 表面处是否会造成结露现象成为新的问题。 因此，分析加气混凝土自保温墙体热桥内表面 是否会发生结露现象，成为该种墙体节能设计中不 可缺少的计算环节。现场测试是项目建成后检验的 有效手段。然而，在不具备测试条件（例如还处于 设计阶段时）或暂不需要进行现场测试的情况下， 需要借助计算的方法进行结露的分析与判断。采用 预先计算的方法可以极大地节约成本。目前，较为 行之有效的计算方法是采用数值模拟计算方法。 本文采用CFD（计算流体动力学）软件 FLUENT、用有限体积法（FVM）[5]对夏热冬冷地 区的典型城市南京的冬季，在使用粉煤灰加气混凝 土典型自保温墙体结构的传热过程进行了数值模 拟计算，得到了典型结构内部的温度场，并对热桥 结构内表面是否会发生结露现象以及可能结露的 部位进行了分析和判断。
[6]
f 2 (τ ) = 0 。
2 物理模型
待计算的各种房屋的加气混凝土自保温墙体 结构类型如图 1～图 4 所示。图 1 中，热桥（混凝 土柱）占比按 25%计算；图 2、图 3 中，热桥（混 凝土梁、柱）占比按 35%（其中，梁占 22.5%，柱 占 12.5%）计算；图 4 中，热桥（混凝土墙）占比 按 65%计算。以上占比为面积占比，为典型状况， 具有代表性[8]。 值得提出的是，对于图 2、图 3 所示的框架自 保温墙体结构，本文为了便于建模计算，将框架结 构不同高度处（混凝土柱与填充墙体复合处、混凝 土柱与混凝土梁复合处）分开建模并进行数值计 算，也就是把这两种结构之间在竖直方向上的净传 热量设定为零。这样会使计算结果产生微小偏差， 即混凝土柱与填充墙体复合结构内表面的温度偏 高，混凝土柱与混凝土梁复合结构内表面的温度偏
低。
B05 B06 B06