一种建筑保温墙体传热系数的数值计算方法与流程

1.本发明属于建筑保温墙体施工技术领域，特别涉及一种建筑保温墙体传热系数的数值计算方法。

背景技术：

2.建筑墙体的传热系数，定义为在稳态传热条件下，建筑墙体两侧空气温差为1度(k或℃)，单位时间通过单位面积传递的热量。现有技术中对建筑墙体传热系数的测试方法一般为试验测试法和规范公式计算法。这两种方法各有利弊，主要表现为：
3.试验测试法，虽然所得数据精准，信服度高，但也有其极大的局限性：试验周期长，耗费投入大，并存在着人为测量误差。规范公式计算法，是指利用现有公式对已知数据进行计算得出传热系数，虽然业内认可性大，但局限性在于只考虑一个方向的传热，并且只能计算简单的模型——薄层片状结构。对于建筑保温墙体而言，大多是复杂结构且不限于一维传热的，如多孔砌块自保温墙体、夹心保温墙体等，因此规范推荐公式计算法也并不实用。
4.由此可见，现有测试方法都有着各自的局限性，且在一定程度上影响了最后的结论准确性。亟需一种更加简便快捷、经济实用、精确且可用于现实复杂三维模型的建筑保温墙体传热系数计算方法。

技术实现要素：

5.本发明提供一种建筑保温墙体传热系数的数值计算方法，用以测定建筑保温墙体保温隔热性能，应用于不同气候区针对不同类型墙体的保温形式确定和结构体系优化，通过数值计算方法，解决了试验法试验周期长、耗费投入大、并存在着人为测量误差的问题。借助有限元分析软件，可构建建筑墙体复杂细节模型，解决规范推荐公式计算法仅考虑一个方向的传热、保温结构材料种类单一且只能计算简单薄片状模型的局限性。该计算方法，简便快捷、经济实用、精确且可用于现实复杂三维模型。
6.为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：
7.一种建筑保温墙体传热系数的数值计算方法，包括如下步骤：
8.步骤s1、利用有限元软件进行建筑保温墙体建模或者通过画图软件导入图纸；
9.步骤s2、根据建筑保温墙体实测性能指数在有限元软件中设置材料属性；
10.步骤s3、在建筑保温墙体内外两端分别加上不同的边界条件作为热面温度和冷面温度；
11.步骤s4、设置分析步，选择网格尺寸以及传热计算模型，并进行网格划分；
12.步骤s5、根据步骤s4的网格划分，通过设定内外温度和换热系数基本参数值，再利用数值分析软件的场输出中给出的单元热流量结果，构建出一种建筑保温墙体中不同材料的传热系数的数值计算公式，计算得到墙体保温复杂结构部分不同材料随输出热流值变化的传热系数，见式(1)：
13.ki＝(qi×
ni×
si)/(s0×
δt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
14.式中，ki为墙体保温复杂结构部分不同材料的传热系数，i＝1～n的整数，i的个数等于墙体材料种类数n，单位为：w
·
m-2
·
k-1
；qi为稳态时研究对象墙体的不同材料组分一个网格单元的传热量，单位为：w，由有限元模拟软件结果中得出；ni为墙体各部分材料所占据的网格数；si为墙体各部分材料的单个网格面积，单位为：m2；s0为墙体原始总截面积，单位为：m2；δt为稳态下墙体内外表面温度差，单位为：k。
15.进一步地,还包括步骤s6：
16.根据普通墙体一般传热公式，推导出建筑保温墙体整体传热系数，见式(2)：
[0017][0018]
式中，ks为建筑保温墙体整体传热系数，单位为：w
·
m-2
·
k-1
；k1…kn
为墙体保温结构部分不同材料的传热系数，i＝1～n的整数，单位为：w
·
m-2
·
k-1
；l
in
、l
out
分别为内、外侧传热面上的宽度，单位为：m；k
in
、k
out
分别为内、外侧换热系数，单位为：w
·
m-1
·
k-1
；λs为建筑保温墙体整体传热系数修正系数，不同孔型组合构成的复杂墙体传热修正系数通过大量相关数值模型与试验值对比验证得到，取值如下：
[0019][0020]
进一步地，所述步骤s1中，画图软件为cad画图软件或者sketchup画图软件。
[0021]
进一步地，所述步骤s2中，所述建筑保温墙体为若干不同多孔砖型组合拼砌而成，所述多孔砖型可以选择km1、km2、kp1、kp2砌块的组合，也可以选择不同尺寸的方孔、圆孔、矩形孔砌块的组合，拼砌时不同组合多孔砖型之间由灰缝填充，灰缝选择砌筑砂浆材料，多孔砖型两侧面根据实际建筑保温墙体工程需要确定抹面材料，抹面材料选择无抹面材料、10mm～30mm厚抹面普通砂浆材料或10mm～50mm厚保温砂浆材料。
[0022]
进一步地，所述不同组合多孔砖型导热系数取值范围为0.03～1.20(w
·
m-1
·
k-1
)，砌筑砂浆和抹面砂浆导热系数取值范围为0.50～1.00(w
·
m-1
·
k-1
)，保温砂浆导热系数取值范围为0.03～0.30(w
·
m-1
·
k-1
)。
[0023]
进一步地，所述步骤s4中，网格尺寸为1mm,网格划分为正方形或者类正方形。
[0024]
进一步地，还包括步骤s8，将所述建筑保温墙体整体传热系数模拟数值解与试验实测值进行比较，km1型砌块、kp2型砌块墙体，经公式修正的计算模拟数值解与试验实测值之间的偏差小于2％；对于复杂3孔型组合结构砌块墙体，经公式修正的计算模拟数值解与试验实测值之间的偏差小于4％。
[0025]
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
[0026]
(1)本发明提供一种建筑保温墙体传热系数的数值计算方法，一、采用有限元建模或采用绘图软件导入图纸；二、根据建筑保温墙体实测性能指数在有限元软件中设置材料属性；三、设置荷载和边界；四、设置分析步；五、根据建筑保温墙体进行网格划分；六、通过设定内外温度和换热系数基本参数值，再利用数值分析软件的场输出中给出的单元热流量
结果，构建出一种建筑保温墙体中不同材料的传热系数的数值计算公式，计算得到墙体保温复杂结构部分不同材料随输出热流值变化的传热系数。该计算方法，简便快捷、经济实用，可解决目前市面上导热系数仪和现场传热仪价格昂贵带来的购买和后期维护成本高，以及试验周期长、常出现人为检测误差带来的人力成本较高的问题；
[0027]
(2)本发明提供一种建筑保温墙体传热系数的数值计算方法，借助有限元分析软件，可构建建筑墙体复杂细节模型，计算复杂保温墙体结构内部的不同材料构件的传热量和各自传热系数，进而计算整体传热系数，解决了规范中导热公式计算法仅考虑一个方向的传热、保温结构材料种类单一且只能计算简单薄片状模型的局限性，同时也拓展了有限元软件的热学模拟结果适用范围，且计算传热结果更加精确、可靠；
[0028]
(3)本发明提供一种建筑保温墙体传热系数的数值计算方法，对于复杂孔型结构砌块墙体的公式适用性与精确度大大提升，不仅可适用于市面通用砖型结构墙体，还可适用于创新式多材料、多孔型组合砌块墙体；相较于既有的传热系数数值计算方法，基于墙体各区域的传热量不同，提出了不同墙体材料的各部分传热系数即墙体保温复杂结构部分不同材料随输出热流值变化的传热系数独立计算公式，基于不同孔型结构组合的复杂墙体，通过大量相关数值模型验证，提出了不同孔型组合构成的复杂墙体用到的不同传热系数修正系数；因此，该传热系数计算公式更为细化和精确，通用性更强，使得该复杂墙体传热系数数值计算方法总体偏差降到4％以下，总体精度提高到96％以上。适用于市面上所有不同孔型、不同尺寸、不同结构砌体和不同砌体材料铺设所构成的建筑复杂保温结构墙体，且不同材料种类设置简便快捷，对整体建筑墙体保温结构性能的前期可行性评估和后期合格性验算具有重要意义，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0029]
图1为本发明一实施例建筑保温墙体传热系数的数值计算方法中km1型砌块的构造示意图；
[0030]
图2为本发明一实施例建筑保温墙体传热系数的数值计算方法中kp2型砌块的构造示意图；
[0031]
图3为本发明一实施例建筑保温墙体传热系数的数值计算方法中3孔型组合结构砌块一的构造示意图；
[0032]
图4为本发明一实施例建筑保温墙体传热系数的数值计算方法中3孔型组合结构砌块二的构造示意图。
具体实施方式
[0033]
以下结合附图和具体实施例对本发明提供的一种建筑保温墙体传热系数的数值计算方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。
[0034]
本发明的建筑保温墙体传热系数的数值计算方法，主要包括：在有限元软件中建立建筑保温墙体几何模型，对不同部分赋予各材料通用属性，设置分析步长和计算周期，对
所有非刚体部分划分网格并定义网格单元属性，以及内外表面换热系数。在使用有限元数值分析软件对建筑墙体进行数值计算的过程中，研究对象被分割为无数个微小单元体，从大量单元体在稳态下的传热情况干涉叠加后可以反映出整个建筑墙体的传热情况。
[0035]
实施例一
[0036]
请参考图1至图4，本发明提供了一种建筑保温墙体传热系数的数值计算方法，包括如下步骤：
[0037]
步骤s1、利用有限元软件进行建筑保温墙体建模或者通过画图软件导入图纸；
[0038]
步骤s2、根据建筑保温墙体实测性能指数在有限元软件中设置材料属性；
[0039]
步骤s3、在建筑保温墙体内外两端分别加上不同的边界条件作为热面温度和冷面温度；
[0040]
步骤s4、设置分析步，选择网格尺寸以及传热计算模型，并进行网格划分；
[0041]
步骤s5、根据步骤s4的网格划分，通过设定内外温度和换热系数基本参数值，再利用数值分析软件的场输出中给出的单元热流量结果，构建出一种建筑保温墙体中不同材料的传热系数的数值计算公式，计算得到墙体保温复杂结构部分不同材料随输出热流值变化的传热系数，见式(1)：
[0042]ki
＝(qi×
ni×
si)/(s0×
δt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0043]
式中，ki为墙体保温复杂结构部分不同材料的传热系数，i＝1～n的整数，i的个数等于墙体材料种类数n，单位为：w
·
m-2
·
k-1
；qi为稳态时研究对象墙体的不同材料组分一个网格单元的传热量，单位为：w，由有限元模拟软件结果中得出；ni为墙体各部分材料所占据的网格数；si为墙体各部分材料的单个网格面积，单位为：m2；s0为墙体原始总截面积，单位为：m2；δt为稳态下墙体内外表面温度差，单位为：k。
[0044]
在本实施例中，更优选地，还包括步骤s6：
[0045]
根据普通墙体一般传热公式，推导出建筑保温墙体整体传热系数，见式(2)：
[0046][0047]
式中，ks为建筑保温墙体整体传热系数，单位为：w
·
m-2
·
k-1
；k1…kn
为墙体保温结构部分不同材料的传热系数，i＝1～n的整数，单位为：w
·
m-2
·
k-1
；l
in
、l
out
分别为内、外侧传热面上的宽度，单位为：m；k
in
、k
out
分别为内、外侧换热系数，单位为：w
·
m-1
·
k-1
；λs为建筑保温墙体整体传热系数修正系数，不同孔型组合构成的复杂墙体传热修正系数通过大量相关数值模型与试验值对比验证得到，取值如下：
[0048][0049]
特别地，所述步骤s1中，画图软件为cad画图软件或者sketchup画图软件等软件，此处不做限制。
[0050]
在本实施例中，更优选地，所述步骤s2中，建筑保温墙体为若干不同组合多孔砖型
拼砌而成，多孔砖型可以是既有的km1、km2、kp1、kp2等砌块，也可以是由不同尺寸的方孔、圆孔、矩形孔组合而成且孔隙率大大提高的新型复杂组合多孔砖，拼砌时不同组合多孔砖型之间靠灰缝填充，灰缝可设置为砌筑砂浆材料，多孔砖型两侧面根据实际建筑保温墙体工程需要确定抹面材料，可设置为无抹面材料、10mm～30mm抹面普通砂浆材料或10mm～50mm保温砂浆材料。例如，可以选择建筑保温墙体为若干km1型砌块、kp2型砌块、组合多孔砖型拼砌而成，km1型砌块、组合3孔型组合结构砌块一左右两侧分别为20mm抹面砂浆、30mm保温砂浆，kp2型砌块、组合3孔型组合结构砌块一左右两侧不设置砂浆，四种墙体砌块之间都由砌筑砂浆进行灰缝填充。为了保证模拟的可行性与准确性，按照实验室墙体材料的实测性能指数在有限元软件中设置材料属性，如砌块整体为混凝土属性、中间空隙可以为空气属性、挤塑聚苯板属性、聚乙烯属性等。墙体长
×
高
×
厚为2.0m
×
2.0m
×
0.24m，分别由若干个km1型、kp2型、3孔型组合复杂结构砌块组成，km1型砌块、3孔型组合结构一左右两侧分别为20mm抹面砂浆、30mm保温砂浆，kp2型砌块、3孔型组合结构二左右两侧不设置砂浆，四种墙体砌块之间都由砌筑砂浆进行灰缝填充。当然，由于传热主要在厚度方向上进行传热，主要受内部结构影响，因此此处仅考虑俯视图。
[0051]
在本实施例中，更优选地，km1型砌块导热系数设置为0.60(w
·
m-1
·
k-1
)，kp2型砌块导热系数设置为0.03(w
·
m-1
·
k-1
)，砌筑砂浆和抹面砂浆导热系数均设置为0.50(w
·
m-1
·
k-1
)，保温砂浆导热系数设置为0.08(w
·
m-1
·
k-1
)。在砌体内外两端分别加上不同的边界条件作为热面温度和冷面温度，三阶段的冷热面温度分别设置如下表1所示。表1为i、ii、iii和iv型四种不同砌块墙体传热系数和热阻的模拟数据。
[0052][0053]
表1
[0054]
在本实施例中，更优选地，所述步骤s4中，网格尺寸为1mm,网格划分为正方形或者类正方形。
[0055]
在本实施例中，更优选地，还包括步骤s8，将所述建筑保温墙体整体传热系数模拟数值解与试验实测值进行比较，可以发现：对于市面上主流通用砌块如km1型、kp2型砌块墙体，经公式修正的计算模拟数值解与试验实测值之间的偏差小于2％；而对于更加复杂3孔型组合结构砌块墙体，如正方形孔、多种长方形孔组合或圆形孔、多种长方形孔组合型等三种以上孔型砌块墙体，经公式修正的计算模拟数值解与试验实测值之间的偏差小于4％。具体如表2所示。表2为试验i、ii、iii和iv型四种墙体传热系数的结果比较。
[0056][0057]
表2
[0058]
由表2可知，对于市面上主流通用砌块如km1型砌块、kp2型砌块墙体，经公式修正的计算模拟数值解与试验实测值之间的偏差小于2％；而对于更加复杂组合孔型砌块墙体，如正方形孔、多种长方形孔组合或圆形孔、多种长方形孔组合型等三种以上孔型砌块墙体，经公式修正的计算模拟数值解与试验实测值之间的偏差小于4％。因此得出结论：该数值计算墙体传热系数方法是可行有效的，且对于复杂孔型结构砌块墙体的公式适用性与精确度大大提升，不仅可适用于市面通用砖型结构墙体，还可适用于创新式多材料、多孔型组合砌块墙体；相较于既有的传热系数数值计算方法，提出了不同墙体材料的各部分传热系数独立计算公式(式1)以考虑各区域的传热量不同，提出了不同孔型组合构成的复杂墙体用到的不同传热系数修正系数(式2)以考虑不同孔型结构组合(其中，修正系数通过大量相关数值模型验证得到)；因此，该传热系数计算公式更为细化和精确，通用性更强，使得该复杂墙体传热系数数值计算方法总体偏差降到4％以下，总体精度提高到96％以上。
[0059]
综上，本发明一种建筑保温墙体传热系数的数值计算方法，简便快捷、经济实用、精确且可用于现实复杂三维模型。主要解决了两个问题：一是通过数值计算方法，解决试验法试验周期长、耗费投入大、并存在着人为测量误差的问题。二是借助有限元分析软件，可构建建筑墙体复杂细节模型，解决规范推荐公式计算法仅考虑一个方向的传热、保温结构材料种类单一且只能计算简单薄片状模型的局限性。
[0060]
上述实例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受以上实例的限制。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：

1.一种建筑保温墙体传热系数的数值计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1、利用有限元软件进行建筑保温墙体建模或者通过画图软件导入图纸；步骤s2、根据建筑保温墙体实测性能指数在有限元软件中设置材料属性；步骤s3、在建筑保温墙体内外两端分别加上不同的边界条件作为热面温度和冷面温度；步骤s4、设置分析步，选择网格尺寸以及传热计算模型，并进行网格划分；步骤s5、根据步骤s4的网格划分，通过设定内外温度和换热系数基本参数值，再利用数值分析软件的场输出中给出的单元热流量结果，构建出一种建筑保温墙体中不同材料的传热系数的数值计算公式，计算得到墙体保温复杂结构部分不同材料随输出热流值变化的传热系数，见式(1)：k
i
＝(q
i
×
n
i
×
s
i
)/(s0×
δt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，k
i
为墙体保温复杂结构部分不同材料的传热系数，i＝1～n的整数，i的个数等于墙体材料种类数n，单位为：w
·
m-2
·
k-1
；q
i
为稳态时研究对象墙体的不同材料组分一个网格单元的传热量，单位为：w，由有限元模拟软件结果中得出；n
i
为墙体各部分材料所占据的网格数；s
i
为墙体各部分材料的单个网格面积，单位为：m2；s0为墙体原始总截面积，单位为：m2；δt为稳态下墙体内外表面温度差，单位为：k。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤s6：根据普通墙体一般传热公式，推导出建筑保温墙体整体传热系数，见式(2)：式中，k
s
为建筑保温墙体整体传热系数，单位为：w
·
m-2
·
k-1
；k1…
k
n
为墙体保温结构部分不同材料的传热系数，i＝1～n的整数，单位为：w
·
m-2
·
k-1
；l
in
、l
out
分别为内、外侧传热面上的宽度，单位为：m；k
in
、k
out
分别为内、外侧换热系数，单位为：w
·
m-1
·
k-1
；λs为建筑保温墙体整体传热系数修正系数，不同孔型组合构成的复杂墙体传热修正系数通过大量相关数值模型验证得到，取值如下：3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s1中，画图软件为cad画图软件或者sketchup画图软件。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述建筑保温墙体为若干不同多孔砖型组合拼砌而成，所述多孔砖型可以选择km1、km2、kp1、kp2砌块的组合，也可以选择不同尺寸的方孔、圆孔、矩形孔砌块的组合，拼砌时不同组合多孔砖型之间由灰缝填充，灰缝选择砌筑砂浆材料，多孔砖型两侧面根据实际建筑保温墙体工程需要确定抹面材料，抹面材料选择无抹面材料、10mm～30mm厚抹面普通砂浆材料或10mm～50mm厚保温砂浆材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述km1型砌块导热系数设置为0.60(w
·
m-1
·
k-1
)，kp2型砌块导热系数设置为0.03(w
·
m-1
·
k-1
)，砌筑砂浆和抹面砂浆导热系数均设置为0.50(w
·
m-1
·
k-1
)，保温砂浆导热系数设置为0.08(w
·
m-1
·
k-1
)。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s4中，网格尺寸为1mm,网格划分为正方形或者类正方形。7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括步骤s8，将所述建筑保温墙体整体传热系数模拟数值解与试验实测值进行比较，km1型砌块、kp2型砌块墙体，经公式修正的计算模拟数值解与试验实测值之间的偏差小于2％；对于复杂3孔型组合结构砌块墙体，经公式修正的计算模拟数值解与试验实测值之间的偏差小于4％。

技术总结

本发明属于建筑保温墙体施工技术领域，特别涉及一种建筑保温墙体传热系数的数值计算方法。该方法包括如下步骤：一、采用有限元建模或采用绘图软件导入图纸；二、根据建筑保温墙体实测性能指数在有限元软件中设置材料属性；三、设置荷载和边界；四、设置分析步；五、根据建筑保温墙体进行网格划分；六、通过设定内外温度和换热系数基本参数值，再利用数值分析软件的场输出中给出的单元热流量结果，构建出一种建筑保温墙体中不同材料的传热系数的数值计算公式，计算得到墙体保温复杂结构部分不同材料随输出热流值变化的传热系数。该计算方法，通过数值计算方法，解决试验法试验周期长、耗费投入大、并存在着人为测量误差的问题。并存在着人为测量误差的问题。并存在着人为测量误差的问题。