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装配式低能耗建筑热桥部位的温度效应研究

发布时间:2020-03-28 22:03 论文编辑:vicky 价格:150 所属栏目:建筑学论文 TAG:

本文是一篇建筑论文,本文在综合现有的装配式钢结构建筑墙体构造形式的基础上为了能更好的应用于能耗要求严格的低能耗建筑住宅,对装配式墙体的热桥进行研究。

本文是一篇建筑论文,本文在综合现有的装配式钢结构建筑墙体构造形式的基础上为了能更好的应用于能耗要求严格的低能耗建筑住宅,对装配式墙体的热桥进行研究。

第 1 章 绪论

1.1 建筑节能的意义
1.1.1 建筑节能发展现状
能源是人类赖以生存和发展的基础,随着我国现代化进程的加快,人民生活水平提高的同时,对能源的需求量也在逐步加大。作为能源需求大国,中国现阶段乃至未来都将面临能源短缺问题的挑战。如何高效的节约能源,已成为我国,乃至全世界面临的重要任务之一。
近 20 年来,随着建筑业在我国的蓬勃发展,房屋面积逐年增大,建筑能耗在社会总能耗中所占的比例也越来越大,建筑耗能已经成为继工业耗能、交通能耗之后的地社会第三大能耗,甚至有赶超前两者且趋势。故建筑节能的地位上升到了前所未有的地步,研究用最小的代价和最小的能源消耗来满足人们的日常需求,实现建筑能源消耗的降低成为现阶段的首要任务[1]。
我国社会总能耗中, 建筑能耗所占比例长期超过 30%,这个数据比发达国家要大得多[2]。20 世纪 80 年代初,我国才颁布了建筑节能设计的相关标准,开始制定法规政策来规范建筑节能工作,以提高建筑能源利用效率。建筑中普遍存在围护结构的保温隔热性和气密性较差,供暖、制冷系统效率较低的问题。主要问题有:(a)节能建筑占比例很小,每年新建建筑中,只有 1%左右采取了节能技术措施;在既有建筑中,也只有 4%是节能型建筑。(b)建筑节能发展状态较为落后,我国现阶段建筑外墙,外窗及屋面的传热系数均比发达国家高出数倍[3]。
为降低建筑能耗,近年来我国展开了很多建筑节能工作,建筑节能工作至今已经历了三个阶段:
第一阶段,从 1986 到 1995 年:新建居民采暖居住建筑能耗水平应在 1980~1981 年通用设计标准能耗的基础上节能 30%;
第二阶段,从 1996 到 2004 年:在达到第一阶段要求的基础上再节能 30%,相当于共节能 50%;
第三阶段,自 2004 年起,在达到第二阶段要求的基础上再节能 30%,相当于共节能 65%。1.1.2 
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1.2 装配式建筑及其发展现状
随着现代工业技术的发展,劳动人工价格的不断上涨,建筑行业所面临的竞争压力越来越大,建筑业产生了新的产业模式——装配式建筑。建造房屋可以像机器生产那样,成批成套地制造,只要把预制好的房屋构件,运到工地装配起来就成了[10]。
装配式建筑是由在工厂生产的预制部件,在工地装配而成的建筑。按预制构件的形式和施工方法可分为五类,分别为[11]:砌块建筑、板材建筑、盒式建筑、骨架板材建筑和升板升层建筑。在 20 世纪初期,装配式建筑就开始引起人们的关注,到 60 年代终于变为了现实。发达国家最开始尝试建造装配式建筑。装配式建筑以其建造速度快,人力物力成本低的优点迅速发展,在世界各国逐步普及。
《十三五规划纲要》[12]于 2016 年 3 月 17 日正式发布,其中将“推广装配式建筑和钢结构建筑”明确列为发展方向。2016 年 9 月 14 日,由李克强总理主持召开的国务院常务会议中,提出大力发展装配式建筑,推动产业结构调整升级的策略。2016 年 9 月底,国务院审议通过《关于大力发展装配式建筑的指导意见》,指出力争用 10 年左右时间,使装配式建筑占新建建筑的比例达到 30%[13]。大力发展新型建筑、工业化建筑已上升为推进社会经济发展的国家战略。
预制装配式钢结构建筑是一种以钢柱和钢梁作为主要承重构件,预制墙板为主要维护结构的建筑。钢结构建筑具有诸多优点,其中自重轻、跨度大、抗风及抗震性好尤为突出。特别适用于别墅、住宅楼、办公楼等。改革开放给我国钢结构建筑带来了前所未有的发展,尤其是在公共建筑领域,钢结构建筑蓬勃发展。已经从传统的厂房和多层房屋,扩展应用至超高层建筑、大跨度会展中心、体育场馆、大型交通建筑等。据统计,目前在建和已建成的 200m 以上钢结构超高层建筑已达千余座,我国钢结构公共建筑正在向着更高、更广、更轻的方向发展。
我国钢结构建筑在住宅领域的发展较为缓慢, 1994 年建成的位于上海的 8 层钢结构住宅是我国最早的钢结构住宅,其后 20 余年内建成的钢结构建筑中,住宅数量微乎其微。近年来,在我国多个一线城市相继建成了多高层钢结构住宅工程,对钢结构住宅有示范作用。目前装配式钢结构住宅建筑在我国仍具有很大的发展空间和研究空间,需要投入大量人力物力去研究。
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第 2 章 装配式热桥节点传热特性分析

2.1 传热基本理论
热量从高温物体向低温物体移动的过程叫做传热。在建筑围护结构传热过程中,冬季,建筑的室外温度低于室内温度,热量就会从室内传向室外;反之,夏季室外温度高于室内温度,热量则从室外传导至室内[43]。热量有三种基本形式的传递:导热、对流和辐射。可以将传热过程视为这三种形式的传热的不同组合。
2.1.1  对流
对流传热发生在流体之中,它是由温度不同的各部分流体之间发生相对运动,互相掺合而传递热能的[43]。对流传热依赖于流体颗粒的运动进行传热,并且与流体流动密切相关。根据热传递的不同形式,造成对流的原因有两个。 由于温度密度差而引起的流体各部分的运动称为自然对流;由风扇或泵驱动的流体运动称为受迫对流。根据边界层的形成和发展情况的不同,强迫对流可以分为内部流动和外部掠过流动[43]。
在建筑热力工程中,主要涉及沿围护结构表面的气流以及壁之间的热交换过程。在此过程中,不仅是由空气流动引起的对流传热过程,还包括空气分子之间以及空气分子与壁分子之间的热传导过程[44]。这种包含对流与导热的综合传热过程,称为外表面的“对流换热”,为确定表面的对流换热量,可利用牛顿公式。

装配式低能耗建筑热桥部位的温度效应研究
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2.2研究方法
近年来,随着计算机技术的高速发展和电脑的普及,数值解法成为科学家们研究传热问题的首选方法,将数值计算方法应用于墙体热桥传热分析,可以增加热桥部位研究的深度和精准度。数值解法又分为有限差分法、有限元法和控制容积法。本文应用 ANSYS 软件进行数值模拟分析,它是基于有限元法和非结构化网格的数值计算分析软件,能达到很好的精度和求解速度。
ANSYS 软件是将结构,流体,电场,磁场和声场分析结合在一起的大型通用有限元分析软件。 它可以与大多数 CAD 软件连接并实现数据共享和交换。 它是现代产品设计中先进的 CAE 工具之一[46]。
软件主要包括三个部分:前处理模块,分析计算模块和后处理模块[46]。
前处理模块:预处理模块提供了强大的实体建模和网格划分工具,用户可以轻松构建有限元模型;
分析计算模块:计算模块包括结构分析(线性分析和非线性分析,并且可以是高度非线性的分析),流体动力学分析,电磁场分析,声场分析,压电和物理场耦合分析,并且可以模拟各种物理场的媒体互动,具有敏感性分析和优化分析能力;
后处理模块:后处理模块可以以彩色轮廓显示,渐变显示,矢量显示,颗粒痕迹显示,立体截面显示,透明和半透明显示的形式显示计算结果(可以看到内部结构)和其他图形,或以图表和曲线的形式显示或输出计算结果。
软件提供了 100 种以上的单元类型,用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本,可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上,如 PC,SGI,HP,SUN,DEC,IBM,CRAY 等。
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第 3 章 钢结构建筑热桥传热模拟分析...........................14
3.1 ANSYS 软件介绍................................. 14
3.2 热桥节点模型的建立...................................14
第 4 章 预制墙板窗洞口处传热模拟分析..................................37
4.1 窗洞口模型的建立..................................37
4.2 窗洞口节点处稳态传热模拟分析.................................38

第 4 章 预制墙板窗洞口处传热模拟分析

4.1 窗洞口模型的建立
本样板间采用 150mm 厚水泥基纤维复合轻质板加 220 mm 厚石墨聚苯板作为建筑围护结构,该组合主断面传热系数可达 0.12W/(m2·K),满足超低能耗建筑导热系数要求。稳态传热模拟计算物理模型见图 4,模型墙体单元长度为 1.2 m,宽度为 1m。在整面预制墙板中的位置见图 4-1,两种不同安装方式见图 4-2,本章模拟所用的简化模型示意图见图 4-3。室内计算温度选用 20 ℃,室外计算温度选用唐山地区冬季室外计算温度参数值-12 ℃[51]。模型中所选取的材料及其导热系数见表 3。由于装配式钢结构建筑中的墙板重量较轻,且不承担承重作用,故其窗口需加一圈 C 型钢加固,以承担外挂窗户的重量。