程杰等：热冷循环下外墙外保温系统耐候性能数值模拟 ·755· field:thermal stress 如今，我国面临日益严重的环境污染与能源短 候性能，为实际墙体保温工程安全和外墙保温系统 缺等诸多问题.在建筑物施工和使用过程中，消 使用寿命及耐久性研究提供依据. 耗众多化石能源与自然资源，并伴随温室气体的大 1计算模型 量排放，从而对环境及气候造成不可逆转的巨大破 环.因此，节能与环保是实现国民经济可持续发展 在JG】144一2004《外墙外保温工程技术规程》 的必要途径回.面对日趋严峻的能源短缺形势，大 关于外保温系统耐候性试验的规定中的，对外保温 力发展“绿色建筑”、实施建筑节能势在必行 系统进行加速气候老化试验，模拟冬夏年温差反复 提高围护结构的保温性能是降低建筑能耗的关键. 作用，要求外墙外保温工程经受热一冷循环后，不得 外墙外保温系统具有避免热桥、减小温度应力和增 出现保护层空鼓或脱落、饰面层起泡或剥落等破坏， 大建筑物使用面积等诸多优点，己成为建筑节能中 应能耐受室外冷热气候的长期循环作用而不发生 应用最为广泛的重要手段5-).然而，在昼夜、季节 破环. 作用下引起的环境周期性温差变化对外墙外保温系 针对上述要求，应用ABAQUS有限元模拟软 统整个构造层尤其是保温层产生的影响不容忽视 件，对采用胶粉聚苯颗粒保温浆料涂料饰面的外墙 对于外墙保温系统技术，有关学者开展了相应 外保温墙体（如图1所示）建立三维瞬态热结构耦 的研究。杨晨等圆通过有限元仿真技术模拟了稳态 合模型并进行数值模拟分析，计算其在热冷循环下 条件下墙体温度分布，建立模型描述保温层对墙体 的实时温度场和应力场.计算过程中采用的各功能 保温系统温度场的影响，对热应力未作深入探讨. 层尺寸及相关热力学参数a如表1所示. 秦尚松等回利用ANSYS有限元软件对玻化微珠保 温砂浆不同保温形式墙体的温度场及温度应力进行 内饰面层 了分析，但其采用的有限元模型为简化后的二维热 ~基层墙体 传导模型，且选取“间接法”求解未能将温度与应力 ·界面砂浆 实时相互耦合作用考虑在内.赵敏等0采用AN- 一胶粉聚苯颗粒保温浆料 SYS软件将墙体保温体系传热简化为二维稳态热传 一抗裂砂浆 导问题，但其未对建筑墙体气温变化下瞬态传热过 一涂料饰面 程进行分析.Cheng与Yanu研究了热结构耦合效 应下复合墙体保温系统温度场、热应力与变形分布 200 260 53 情况.Zhang与Zhu使用扩展有限元法(extended 图1胶粉聚苯颗粒涂料饰面外墙外保温构造（单位：mm) finite element method,XFEM)分析复合墙体热传导 Fig.1 Structure of paint finish exterior wall external insulation with adhesive powder polystyrene particles(unit:mm) 问题，并证明了该法研究非均质墙体热扩散过程的 合理性.L)通过有限元模拟，对夏季极端高温条 建筑物具有复杂的几何形状，建筑墙体传热是 件下复合外保温系统墙体温度应力和形变进行了 一个复杂的三维瞬态热传导过程.为了便于建立计 讨论 算模型，假定墙体各层为均匀连续、各向同性材料， 外墙外保温系统中，保温材料对墙体保温性能 且材料层间连接紧密，忽略层间热阻.建筑外墙内 起到关键作用，决定了建筑整体的节能效果.胶 部温度在长度和宽度两个方向变化很小，因此在通 粉聚苯颗粒保温浆料具有保温隔热效果好、耐久性 常情况下，建筑外墙的热传导方程可以简化为沿墙 好、施工适应性好、抗裂等特点，是目前应用技术成 体厚度方向的一维热传导方程，即： 熟的外墙外保温材料.本文基于ABAQUS有限元 aT(x,t)入子T(x,t) (1) 分析软件，针对胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统，建立 at pc at2 对应有限元模型，计算热冷循环下墙体不同功能层 式中，T(x,t)为t时刻x位置处的温度.沿墙体厚度 温度场、温度应力及位移，揭示温度场、热应力的变 方向温度场的求解即在给定边界条件和时间的情况 化规律及其沿墙体厚度方向的分布特点，旨在通过 下求解上述偏微分方程(1)，即可得到墙体内部各 周期温度场及应力耦合效应数值模拟，从墙体温度 结点处温度值、 稳定性角度探讨胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统的耐 温度应力分析和一般弹性理论相似，根据文献程 杰等: 热冷循环下外墙外保温系统耐候性能数值模拟 field; thermal stress 如今，我国面临日益严重的环境污染与能源短 缺等诸多问题［1］． 在建筑物施工和使用过程中，消 耗众多化石能源与自然资源，并伴随温室气体的大 量排放，从而对环境及气候造成不可逆转的巨大破 环． 因此，节能与环保是实现国民经济可持续发展 的必要途径［2］． 面对日趋严峻的能源短缺形势，大 力发展“绿色建筑”、实施建筑节能势在必行［3--4］． 提高围护结构的保温性能是降低建筑能耗的关键． 外墙外保温系统具有避免热桥、减小温度应力和增 大建筑物使用面积等诸多优点，已成为建筑节能中 应用最为广泛的重要手段［5--7］． 然而，在昼夜、季节 作用下引起的环境周期性温差变化对外墙外保温系 统整个构造层尤其是保温层产生的影响不容忽视． 对于外墙保温系统技术，有关学者开展了相应 的研究． 杨晨等［8］通过有限元仿真技术模拟了稳态 条件下墙体温度分布，建立模型描述保温层对墙体 保温系统温度场的影响，对热应力未作深入探讨． 秦尚松等［9］利用 ANSYS 有限元软件对玻化微珠保 温砂浆不同保温形式墙体的温度场及温度应力进行 了分析，但其采用的有限元模型为简化后的二维热 传导模型，且选取“间接法”求解未能将温度与应力 实时相互耦合作用考虑在内． 赵敏等［10］采用 AN￾SYS 软件将墙体保温体系传热简化为二维稳态热传 导问题，但其未对建筑墙体气温变化下瞬态传热过 程进行分析． Cheng 与 Yan［11］研究了热结构耦合效 应下复合墙体保温系统温度场、热应力与变形分布 情况． Zhang 与 Zhu［12］使用扩展有限元法( extended finite element method，XFEM) 分析复合墙体热传导 问题，并证明了该法研究非均质墙体热扩散过程的 合理性． Li［13］通过有限元模拟，对夏季极端高温条 件下复合外保温系统墙体温度应力和形变进行了 讨论． 外墙外保温系统中，保温材料对墙体保温性能 起到关键作用，决定了建筑整体的节能效果［14］． 胶 粉聚苯颗粒保温浆料具有保温隔热效果好、耐久性 好、施工适应性好、抗裂等特点，是目前应用技术成 熟的外墙外保温材料． 本文基于 ABAQUS 有限元 分析软件，针对胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统，建立 对应有限元模型，计算热冷循环下墙体不同功能层 温度场、温度应力及位移，揭示温度场、热应力的变 化规律及其沿墙体厚度方向的分布特点，旨在通过 周期温度场及应力耦合效应数值模拟，从墙体温度 稳定性角度探讨胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统的耐 候性能，为实际墙体保温工程安全和外墙保温系统 使用寿命及耐久性研究提供依据． 1 计算模型 在 JGJ 144—2004《外墙外保温工程技术规程》 关于外保温系统耐候性试验的规定中［15］，对外保温 系统进行加速气候老化试验，模拟冬夏年温差反复 作用，要求外墙外保温工程经受热—冷循环后，不得 出现保护层空鼓或脱落、饰面层起泡或剥落等破坏， 应能耐受室外冷热气候的长期循环作用而不发生 破环． 针对上述要求，应用 ABAQUS 有限元模拟软 件，对采用胶粉聚苯颗粒保温浆料涂料饰面的外墙 外保温墙体( 如图 1 所示) 建立三维瞬态热结构耦 合模型并进行数值模拟分析，计算其在热冷循环下 的实时温度场和应力场． 计算过程中采用的各功能 层尺寸及相关热力学参数［16］如表 1 所示． 图 1 胶粉聚苯颗粒涂料饰面外墙外保温构造( 单位: mm) Fig． 1 Structure of paint finish exterior wall external insulation with adhesive powder polystyrene particles( unit: mm) 建筑物具有复杂的几何形状，建筑墙体传热是 一个复杂的三维瞬态热传导过程． 为了便于建立计 算模型，假定墙体各层为均匀连续、各向同性材料， 且材料层间连接紧密，忽略层间热阻． 建筑外墙内 部温度在长度和宽度两个方向变化很小，因此在通 常情况下，建筑外墙的热传导方程可以简化为沿墙 体厚度方向的一维热传导方程，即: T( x，t) t = λ ρc  2 T( x，t) t 2 ( 1) 式中，T( x，t) 为 t 时刻 x 位置处的温度． 沿墙体厚度 方向温度场的求解即在给定边界条件和时间的情况 下求解上述偏微分方程( 1) ，即可得到墙体内部各 结点处温度值． 温度应力分析和一般弹性理论相似，根据文献 · 557 ·