【摘要】：近年來(lái),我國(guó)的建筑業(yè)飛速發(fā)展,在建筑上的能耗也不斷增加,建筑節(jié)能這一領(lǐng)域獲得了研究人員越來(lái)越廣泛的關(guān)注。本文以多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)學(xué)為理論基礎(chǔ)、建筑屋面結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱濕遷移及上人荷載等問(wèn)題為工程背景,對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的屋面系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對(duì)其宏觀性能演變規(guī)律進(jìn)行研究。首先,本文對(duì)市場(chǎng)上常見(jiàn)的保溫隔熱材料及傳熱模型進(jìn)行闡述,考慮屋面所處的實(shí)際環(huán)境,對(duì)傳熱、傳濕、應(yīng)力應(yīng)變及其耦合方程進(jìn)行了深入研究,得出三種因素對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律。其次,本文利用導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀對(duì)單個(gè)保溫隔熱材料及復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)試,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與COMSOL有限元軟件仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,研究表明COMSOL仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合,其相對(duì)誤差不超過(guò)5%。進(jìn)一步利用COMSOL軟件對(duì)屋面系統(tǒng)進(jìn)行模擬與設(shè)計(jì),模擬結(jié)果表明:材料組合的正置性和倒置性對(duì)保溫隔熱性沒(méi)有影響;保溫隔熱層的形狀及拼接方式對(duì)傳熱過(guò)程影響較小;界面處不同材料的選取會(huì)導(dǎo)致熱橋效應(yīng)的增加,對(duì)保溫隔熱性能影響較大。由于仿真計(jì)算可能會(huì)存在幾何尺寸效應(yīng),因此對(duì)單個(gè)材料選擇不同的長(zhǎng)度、寬度及高度進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明:材料的厚度對(duì)傳熱過(guò)程有著很大的影響,且厚度與傳熱速率呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì);而長(zhǎng)度和寬度對(duì)傳熱過(guò)程不會(huì)有無(wú)任何影響。將單個(gè)材料進(jìn)行復(fù)合得到小部品構(gòu)件,并將小部品構(gòu)件拼接數(shù)量進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)隨著拼接數(shù)量的增加,傳熱過(guò)程會(huì)逐漸加快。最后,本文結(jié)合凍融、濕熱、干濕、高低溫及多場(chǎng)耦合耐候性實(shí)驗(yàn)對(duì)基本材料及材料組合進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)宏觀演變規(guī)律,結(jié)果表明:泡沫混凝土開(kāi)孔率高,強(qiáng)度低,受干濕循環(huán)、高低溫循環(huán)和凍融循環(huán)作用下出現(xiàn)泡孔的破壞倒塌,板材開(kāi)裂,導(dǎo)致保溫隔熱性能下降,而在多場(chǎng)耦合作用下會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)度為2~4 cm的裂紋,隨齡期增長(zhǎng),裂紋數(shù)目增多,導(dǎo)熱系數(shù)逐漸提高;聚氨酯硬泡主要受濕熱老化的影響,濕熱環(huán)境致使聚氨酯硬泡氨基甲酸酯基降解,表層形成空洞及倒塌型泡孔,原封閉泡孔的破裂、倒塌和發(fā)泡劑氣體的逸出導(dǎo)致聚氨酯硬泡在濕熱環(huán)境和多場(chǎng)耦合作用期間導(dǎo)熱系數(shù)值持續(xù)上升;真空絕熱板因其阻隔膜良好的阻氣阻濕作用,從而在上述不利環(huán)境中維持性能穩(wěn)定。復(fù)合構(gòu)造的保溫隔熱材料性能變化主要取決于復(fù)合基材,但復(fù)合構(gòu)造有助于緩解環(huán)境對(duì)特定材料造成的不利影響,避免保溫隔熱材料因熱工性能出現(xiàn)急劇下降而失效。利用COMSOL軟件對(duì)屋面復(fù)合材料分別計(jì)算熱傳遞、熱濕耦合傳遞和熱固耦合傳遞,結(jié)果表明:熱固耦合會(huì)略微加快傳熱過(guò)程,但其偏差可以忽略;而考慮防水層時(shí)熱濕耦合會(huì)減緩傳熱過(guò)程,這是因?yàn)槲菝娴姆浪畬邮沟盟恢备采w在材料的表面,高溫下液態(tài)水蒸發(fā)帶走部分熱量從而減緩傳熱過(guò)程;而當(dāng)不考慮防水層時(shí)即各材料接觸處為飽和水時(shí),熱濕耦合的傳熱速率比熱固耦合要快得多;在多場(chǎng)耦合的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步的結(jié)合實(shí)際工廠的需要對(duì)屋面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與設(shè)計(jì),結(jié)果表明:保溫隔熱材料之間的寬度在60mm以內(nèi)為最佳;在屋面系統(tǒng)四周粘貼一層保溫材料的方案比構(gòu)造方案能夠更好的進(jìn)行阻熱,從而達(dá)到斷熱橋的情況。本文通過(guò)耐候性實(shí)驗(yàn)和COMSOL三維仿真對(duì)屋面系統(tǒng)進(jìn)行多場(chǎng)耦合模擬,從屋面材料的選取到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上分別進(jìn)行了分析,得到了保溫隔熱性能較好的屋面構(gòu)造形式,這為今后實(shí)際屋面設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：華東交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TU111.41;TU551

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2746558