基于COMSOL的热桥有限元分析

徐严严 雪彦琴 高晓蕾 周俊杰

(1.郑州大学力学与工程科学学院，河南 郑州 450001; 2.郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001)



基于COMSOL的热桥有限元分析

徐严严1雪彦琴1高晓蕾1周俊杰2*

(1.郑州大学力学与工程科学学院，河南 郑州 450001; 2.郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001)

基于COMSOL建立了钢筋混凝土柱三维模型，对其传热情况进行了模拟分析，验证了热桥处内表面温度低、热流密度大的特点，并提出了在热桥外表面添加保温材料的保温措施，解决了热桥效应问题。

COMSOL，热桥，钢筋混凝土柱，传热能力，保温效果

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的梁、柱、肋等建筑部位。因这些建筑部位的传热能力较强，热流比较密集，内表面温度低，故称为热桥[1]。由于热桥建筑部位内表面温度相对较低，在冬季当热桥处温度低于露点温度时，空气中的水蒸气就会在其表面上凝结，随之空气中的灰尘可能会附在上面，造成墙体逐渐变黑和墙体长菌发霉。在热桥效应严重的建筑部位，甚至会淌水，给人们的生活和健康带来很大的影响。针对以上问题，有必要对热桥的传热情况进行研究。

关于热桥已有部分专家、学者对其进行了研究，例如：樊洪明等利用ANSYS对热桥进行了大量工况计算分析[2]；贾殿鑫等通过有限元软件ANSYS模拟分析了夏热冬冷地区中自保温体系中典型热桥的三维稳态传热情况[3]；刘学来等对住宅建筑构造柱热桥采暖能耗进行了分析，给出了热桥的最佳节能方案[4]。

基于COMSOL对钢筋混凝土柱热桥的分析研究还是比较少的，本文是在前人研究的基础上，建立三维圆柱型与方柱型钢筋混凝土柱热桥模型,利用COMSOL对其传热情况进行了模拟分析，继而提出防止热桥效应产生的措施，并验证了预措施的有效性。

1 建立钢筋混凝土柱热桥模型

1.1 建立热桥的物理模型

为了对热桥传热情况进行研究，首先需建立钢筋混凝土柱热桥物理模型，如图1和图2所示。

1.2 建立热桥的数学模型与设置边界条件

由于热桥部位传热过程比较复杂,并且其温度场是三维非稳态的。利用傅立叶定律和热力学第一定律,建立导热偏微分方程：

(1)

其中，ρ为密度，kg/m3；C为比热容,J/(kg·K)；λ为导热系数,W/(m·K)；Q为单位时间物体单位体积内热源的生成热，W/m3；x，y，z均为空间变量；τ为时间变量。

假设无内部热源，热桥内外表面温度虽然随室内外温度发生变化,但需要控制的是墙体内外表面的最低温度,这样可以按照稳态的方法计算建筑热桥内外表面的最低温度,则式(1)可简化为：

(2)

设置边界条件，如表1所示。

表1 参数设置

1.3 热桥模型网格划分

利用COMSOL对热桥进行了三维建模，设置边界条件，对热桥模型进行网格剖分，在此已对不同网格数的两种模型分别模拟，考虑到网格数对计算结果精度和计算机性能配置影响，故选下面的网格模型，如图3和图4所示。

图3中方型热桥模型网格是由44 907域单元、4 350边界单元和332边单元组成的完整网格；图4中圆柱型热桥模型网格是由190 546域单元、29 392边界单元和624边单元组成的完整网格。

1.4 COMSOL模拟结果

对热桥模拟结果如图5～图8所示。

由图5和图6可知：无论是圆柱型热桥还是方型热桥，这些建筑部位的传热能力较强，热桥处内表面温度较低(与无热桥存在的建筑部位相比)，即验证了热桥效应的特征之一：内表面温度低。

由图7和图8可知：无论是圆柱型热桥还是方型热桥，热桥处热流较密集，散热能力较强，即验证了热桥效应的特征之二：热桥处热流比较密集。

2 减小热桥效应措施

本文提出的减小热桥效应的措施为：在热桥墙体外表面添加保温材料。本文取圆柱型钢筋混凝土柱热桥作为研究对象，利用COMSOL模拟其保温效果如下。

由图9可知：随着保温层厚度的增加，热桥墙体内表面最低温度增大；当保温层厚度大于90 mm后，再增加保温层厚度热桥内表面最低温度基本不变，考虑到经济因素，所以取厚度90 mm为最佳保温层厚度。

3 结论

1)本文以方柱型和圆柱型钢筋混凝土柱热桥为研究与分析对象，采用COMSOL软件对其三维稳态传热情况进行了模拟分析，得出了热桥产生的原因，通过对模拟结果的处理，验证了热桥内表面温度较低，热流密度较大的结论。

2)本文得出最经济的挤塑苯板保温材料厚度为90 mm，此时可以明显降低热桥效应，减小热桥现象对人们生活的危害，并且还起到良好的室内保温效果。

3)利用COMSOL对钢筋混凝土柱建模分析，可以直观的看出热桥的温度分布情况以及热通量分布情况，为建筑保温与较小能耗设计提供了可靠依据。

[1] 刘鹏飞.高层建筑混凝土柱热桥传热分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2007.

[2] 樊洪明,曾剑龙.围护结构三维导热数值仿真研究[J].建筑技术，2002(10):736-738.

[3] 贾殿鑫,葛 坚.夏热冬冷地区自保温体系典型热桥三维传热的有限元分析[J].建筑与文化，2013(2):76.

[4] 刘学来,李永安.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):87-88.

[5] 郑 鸿.夏热冬冷地区混凝土小型空心砌块墙体保温与节能分析[D].杭州:浙江大学,2006.

[6] 孙大明.建筑热桥研究现状与展望[J].建筑科学，2010(2)：128-134.

[7] 王 智.夏热冬冷地区自保温外墙型楼板处热桥实验研究[D].杭州:浙江大学,2015.

Finite element analysis for thermal bridge based on COMSOL

Xu Yanyan1Xue Yanqin1Gao Xiaolei1Zhou Junjie2*

(1.SchoolofMechanicsandEngineeringScience,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China;2.SchoolofChemicalandEnergyEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

Reinforced concrete columns is established a three dimensional model on the basis of COMSOL to analyze the heat transfer. It is verified that the temperature is lower and the density of the heat flux is larger at the inner surface of the thermal bridge. Then the insulation measures of adding the insulation materials to the surface of thermal bridge is put forward. The problem of thermal bridge effect is solved favourably.

COMSOL, thermal bridge, reinforced concrete columns, heat transfer capacity, insulation effect

1009-6825(2016)20-0198-03

2016-05-03

徐严严(1993- )，男，在读本科生

周俊杰(1978- )，男，硕士生导师，副教授

TU201.5

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