1研究对象及研究方法

1.1研究对象

外墙保温板拼接时，形成的缝隙主要包括水平缝隙和竖直缝隙两种形式，如图1所示。在混凝土基体墙上粘贴保温材料时，饰面层应均匀覆盖保温材料及其形成的缝隙。

图1保温板拼接缝隙示意

外墙传热系数主要是根据系统两侧温差单位面积的传热功率来计算的。只是保温板拼接时的缝隙会使外墙低温侧温度呈现不均匀的现象，且使用有限数目的热电偶难以捕获其温度变化趋势，故难以准确计算系统两侧温差和外墙传热系数。

将保温板存在拼接缝隙时的外墙低温侧温度分布作为两种研究方法的对比参数，可以更加系统、全面、准确地对比分析两种研究方法结果的异同，从而验证数值仿真方法中所采用的物理模型的准确度。

1.2红外热成像试验

研究使用WT（F）–1212型稳态热传递性质测试系统提供试验所需温差，其中高温室可控温度范围为10~50℃，控温波动范围为0.1~0.5℃，测温精度为0.0625℃；低温室可控温度范围为–21~–10℃，控温波动范围为0.2℃，测温精度为0.0625℃。该设备内试件外形尺寸不得超过1500mm×1500mm×350mm（长×宽×厚）。

使用Ti450型红外热成像仪测量外墙保温系统试件低温侧温度分布，其图像分辨率为240×320 dpi，测量精度为±2℃，热敏度≤0.03℃。其温度测量范围为–20~1200℃，但是该仪器在温度低于–10℃时，测量结果会出现明显误差，需要额外的保温措施，故上述稳态热传递性质测试系统中低温室控温装置不符合试验要求，故可使用室内空调代替，将低温室温度控制在16℃（测温精度依然是0.0625℃），高温室温度设置为40℃，以保证24℃左右的温差。

外墙保温系统试件具体结构如图2所示，长和宽依据试验设备能容纳的最大试件尺寸确定，均为1500mm，以尽量消除边界效应的影响；当水平缝隙和竖直缝隙的厚度为10mm时，均会对墙体热损失产生明显影响，则墙体低温侧的温度分布也会呈现明显不均匀现象，利于试验测量。为了检验红外热成像试验精度，设置无缝隙试件作为参考。各材料厚度及热物性参数见表1。

（a）

（b）                     （c）

图2外墙保温系统试件结构示意

（a）竖直缝隙结构俯视图/水平缝隙结构侧视图；（b）竖直缝隙 结构正视图；（c）水平缝隙结构正视图

表1外墙保温系统试件材料厚度及

热物性参数

具体试验过程如下：试件制作完成之后，敞开放置7d，使砂浆中水蒸气散出以达到干燥状态，防止其中水蒸气蒸发冷凝对测量结果造成影响。开始测量前，开启稳态热传递性质测试系统，将高温侧温度设置为40℃，低温侧温度设置为16℃，之后关闭低温侧压缩机，开启低温侧空调，待高温侧和低温侧温度分别于40℃和16℃稳定约4h后开始测量。将红外热成像仪量程由全自动范围调整为–20~80℃，发射率调整为0.96以符合岩棉板自身发射率，背景温度设置为16℃以补偿反射背景温度，提高测量精度，预热10?min后开始进行测量。由于试件低温侧为正方形结构，而红外热成像仪成像结果为长方形，为了充分利用热成像仪的分辨率，测量时将视野置于试件中部位置。

2CFD数值仿真与共轭传热

为减少不必要的流体边界条件假设，获得更符合物理实际的数值仿真结果，同时展示低温侧缝隙和岩棉板的温度分布，研究中使用共轭传热方法进行CFD数值仿真。共轭传热是指计算域中同时存在固体区域和流体区域，固体传热与流体传热相互耦合的物理过程。采用共轭传热的方法，可使用统一的流体解算器同时求解固体区域和流体区域温度分布，并且在固体和流体的交界面处达到温度相容的条件，从而满足对流体区域热边界条件的假设，提高数值仿真结果准确度。

针对红外热成像试验中所确定的外墙保温系统试件结构，使用专业的计算流体力学网格划分软件ICEM进行数值仿真前的处理。在竖直缝隙和水平缝隙的试件中，固体计算域和流体计算域完全相同，故可以只划分一套网格，两者的差别在求解软件FLUENT中通过设置重力加速度方向进行区分。网格划分结果如图3所示，除赋予空气层计算域FLUID属性外，赋予其他计算域SOLID属性，各计算域交界面均设置为INTERFACE类型。

图3有缝隙结构网格划分结果

将上述网格读入求解软件FLUENT中，依据红外热成像试验中的试验条件确定边界条件如下：将高温侧和低温侧均设置为对流换热边界，将高温侧自由流温度设置为313K（40℃），将低温侧自由流温度设置为289K（16℃），对于对流换热系数，根据GB50176—2016《民用建筑热工设计规范》，选取附录B.4中内表面换热系数8.7W/（m2·K），将其他壁面均设置为绝热固壁边界。将不同计算域交界面设置为Coupled边界。

物理模型的选择与文献中基本保持相同，即流体区域的流动模型采用层流模型；空气密度由理想气体状态方程确定；由于DTRM模型不能应用在存在交界面的网格，故辐射模型改为DO（Discrete Ordinates）模型；固体区域只需求解导热方程即可。

竖直缝隙和水平缝隙的差别通过设置重力加速度方向进行区分：对于竖直缝隙，重力加速度方向设置为与缝隙宽度方向平行；对于水平缝隙，重力加速度方向设置为与缝隙宽度方向垂直。

3结果分析

3.1无缝隙低温侧温度分布

分析无缝隙情况下，红外热成像试验与数值仿真结果之间的差异，确定红外热成像试验精度。试验时低温室实际温度约为16.3℃，高温室实际温度约为40.0℃，基本达到试验要求。试验测得的低温侧温度分布整体上较为均匀，但是存在约2℃的变化，而且上部温度略高于下部温度，主要是结构的缺陷和环境温度不均匀导致的。无缝隙结构CFD数值仿真结果所得低温侧温度分布非常均匀，因边界效应引起了约0.4℃的温差，如图4所示。

（a）                              （b）

图4无缝隙结构试验结果和数值仿真结果

（a）红外热成像试验结果；（b）数值仿真结果

3.2水平缝隙低温侧温度分布

对水平缝隙试件进行试验时，稳态热传递性质测试系统高温室和低温室温度变化曲线基本与无缝隙试件相同，这里不再赘述。在进行水平缝隙结构红外热成像试验时，水平缝隙结构低温侧大部分区域温度分布较为均匀，而缝隙处温度明显高于其他区域，缝隙处最高温度约为18.5℃，与其他区域存在约0.9℃的温差。另外，缝隙处温度沿缝隙宽度方向变化甚微，说明文献中关于水平缝隙沿缝隙宽度方向存在周期性现象的假设是合理的。

由水平缝隙结构CFD数值仿真结果可知，温度分布特征与试验结果比较吻合。数值仿真结果显示，缝隙处最高温度约为18.4℃，与其他区域存在约1.9℃的温差，即数值仿真结果显示的缝隙处最高温度与试验结果基本相同，但温差与试验结果相差较大，主要是由于环境温度不均匀导致试验测得的岩棉板处温度略高于数值仿真结果如图5所示。

为了更加直观地分析对比两种方法测得的缝隙处温度变化趋势。统计水平缝隙处温度沿缝隙宽度方向的变化规律，可见除试件两端存在缺陷处，两种方法测得的水平缝隙处温度变化趋势十分相似。综上分析可知，CFD数值仿真技术在水平缝隙热损失计算方面的应用具有很高的精确度，如图6所示。

（a）                               （b）

图5水平缝隙结构试验结果和数值仿真结果

（a）红外热成像试验结果；（b）数值仿真结果

图6水平缝隙结构缝隙处温度变化规律

3.3竖直缝隙低温侧温度分布

对竖直缝隙试件进行试验时，稳态热传递性质测试系统高温室和低温室温度变化曲线基本与无缝隙试件相同，这里不再赘述。进行竖直缝隙结构红外热成像试验时，低温侧大部分区域温度分布较均 匀，而缝隙处温度明显高于其他区域，并且缝隙处温度随位置上升而升高，主要原因是缝隙内空气存在大范围热对流，热空气上升而冷空气下降。竖直缝隙最高温度约22.6℃，明显高于水平缝隙的最高温度。由竖直缝隙结构CFD数值仿真结果可知，温度分布特征与试验结果十分相似。数值仿真结果显示，缝隙处温度最高温度约23.0℃，即数值仿真结果显示的缝隙处最高温度与试验结果基本相同，如图7所示。

（a）                             （b）

图7竖直缝隙结构试验结果和数值仿真结果

（a）红外热成像试验结果；（b）数值仿真结果

统计竖直缝隙处温度沿缝隙宽度方向的变化规律，两种方法测得的竖直缝隙处温度变化趋势相对一致，数值仿真方法可以准确地描绘竖直缝隙处温度的变化规律。综上分析可知，CFD数值仿真技术在竖直缝隙热损失计算方面的应用具有较高的精确度，如图8所示。

图8竖直缝隙结构缝隙处温度变化规律

4结论

通过使用红外热成像试验方法和CFD数值仿真方法对保温板存在拼接缝隙时外墙保温系统低温侧温度分布进行研究，分析对比两种方法所得结果异同。缝隙形式包括水平缝隙和竖直缝隙两种，缝隙厚度均为10mm。当系统两侧存在24℃温差时，可经过对比获得低温侧温度分布云图和缝隙处温度随缝隙宽度方向的变化规律。

（1）红外热成像试验和CFD数值仿真均显示水平缝隙处温度沿缝隙宽度方向基本无变化；红外热成像试验测得水平缝隙处最高温度约为18.5℃，而CFD数值仿真所得结果约为18.4℃；两种方法所得的水平缝隙处温度变化趋势十分吻合。

（2）红外热成像试验和CFD数值仿真均显示竖直缝隙处温度随位置上升而升高；红外热成像试验测得竖直缝隙处最高温度约为22.6℃，而CFD数值仿真所得结果约为23.0℃；两种方法所得的竖直缝隙处温度变化趋势十分相似。

（3）CFD数值仿真技术在外墙保温系统板缝热损失计算方面的应用具有很高的精确度。