雖然不太引人注意，但地下保溫和供暖系統(tǒng)可以防止混凝土建筑地基發(fā)生臨界損壞，保證居住者的安全，保持室內(nèi)溫暖。由于混凝土具有多孔結(jié)構(gòu)，水和污染物可以進(jìn)入地基。當(dāng)?shù)鼗蛳路降耐寥纼鼋Y(jié)時(shí)，會導(dǎo)致諸如開裂之類的結(jié)構(gòu)損壞。一些老舊的建筑通過保溫措施來進(jìn)行保護(hù)，而其他一些建筑則通過鋪設(shè)在鍋爐和室內(nèi)供暖裝置之間的供暖管道進(jìn)行保護(hù)。

持續(xù)的損壞會有嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)，如建筑發(fā)生屈曲或倒塌。芬蘭埃斯波的Vahanen Group 是一家專業(yè)從事質(zhì)量評估和施工建議等建筑服務(wù)的公司，為了解決寒冷和潮濕的問題，該公司分析了正需進(jìn)行改造建筑的潛在凍害。在已存在損壞并需要進(jìn)行改造時(shí)（例如，需要更換供暖系統(tǒng)和管道），他們的工作是非常重要的。

什么是最佳的建筑保溫方式？

Pauli Sekki 是 Vahanen 的一名建筑專家，他使用 COMSOL Multiphysics? 的仿真功能來進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估 — 目標(biāo)是確定地基或供暖系統(tǒng)的某些改造是否需要增加外部防凍保溫措施。如果增加了不必要的措施，將會浪費(fèi)寶貴的資金、時(shí)間和工作量。

其中一個(gè)項(xiàng)目，Sekki 的 COMSOL 模型（見圖 1）包括地基、松土層和壓實(shí)土層、幾種類型的保溫層、輕質(zhì)混凝土墻，以及從供暖系統(tǒng)鋪設(shè)到建筑墻體和地基附近下方的管道。

圖 1：建筑的幾何模型示意圖。供暖管道從鍋爐鋪設(shè)到室內(nèi)供暖裝置，使地基保持溫暖。

Sekki 首先基于芬蘭首都赫爾辛基的本地氣候數(shù)據(jù)對溫度變化進(jìn)行仿真。政府發(fā)布的霜凍表數(shù)據(jù)提供了年度總凍結(jié)度小時(shí) (FDH)，該數(shù)據(jù)表示日平均溫度低于 0℃ 的攝氏度量（例如，如果某一天的平均溫度為 -5℃，則 FDH 為 5 度 x 24 小時(shí) = 120）。對于赫爾辛基，一年中每天的 FDH 年度總和（年度凍結(jié)指數(shù)）通常約為 14,000 FDH。

根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，Sekki 獲得了一個(gè)“臨界凍結(jié)”量來表示平均每五十年出現(xiàn)的異常冷冬（約 40,000 FDH）。鑒于建筑強(qiáng)度和壽命的重要性，任何改造將不僅需要承受通常的冬季氣候，還要能夠承受這些罕見的、更惡劣的條件。“設(shè)計(jì)和施工隊(duì)求助于 Vahanen 來驗(yàn)證其改造計(jì)劃是否安全、可持久，并且做到材料和資源的最大化利用，”Sekki 解釋道：“我們則求助于 COMSOL 來獲取這些信息。”

在這個(gè)案例中，他需要確定完全拆除受損供暖管道的改造是否會危及建筑物的安全。現(xiàn)有的保溫措施是否已經(jīng)足夠？為了回答這個(gè)問題，他對管道、保溫層和地基中的傳熱進(jìn)行了模擬。“COMSOL Multiphysics 中的工具非常易于處理這種復(fù)雜模型，”他評論道：“幾乎可以無限可能地設(shè)置邊界條件，這是一種極大的優(yōu)勢。”

預(yù)測潛在的凍害

Sekki 使用他的仿真來預(yù)測混凝土地基中兩個(gè)最低拐角處（圖 1 中的點(diǎn) A 和 B）的溫度。他研究了三種情況：原有的結(jié)構(gòu)、供暖系統(tǒng)改造后的結(jié)構(gòu)（不再從管道傳熱），以及另外使用發(fā)泡聚苯乙烯 (EPS) 保溫材料替換受損木絲水泥板 (WWCB) 的改造后的結(jié)構(gòu)。

對于赫爾辛基的一般年份，地面可以保持足夠的溫度，足以防止在其原有狀態(tài)和供暖系統(tǒng)改造后對于建筑產(chǎn)生的損壞。但是將 WWCB 保溫材料替換為 EPS 后，接近地基的地面會降至 0.5℃（見圖 2），這種低溫足以產(chǎn)生問題。“新的 EPS 保溫結(jié)構(gòu)存在產(chǎn)生凍害的風(fēng)險(xiǎn)，”Sekki 說：“值得慶幸的是，多物理場仿真幫助我們避免了這種風(fēng)險(xiǎn)。”

圖 2 ：仿真結(jié)果顯示了增加了 EPS 保溫材料的改造建筑在典型年份 (14,000 FDH) 中溫度隨時(shí)間的變化。

保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來應(yīng)對最惡劣的冬季

在仿真較長冬季的環(huán)境之后，他發(fā)現(xiàn)只有原有結(jié)構(gòu)的地基能夠維持在凍結(jié)溫度之上并保證安全（見圖 3）。

圖 3 ：未改造建筑在每隔 50 年出現(xiàn)的極端冬季條件 (40,000 FDH) 下的溫度分布。

在仿真結(jié)果中，采用 WWCB 改造結(jié)構(gòu)的地基周圍的地面溫度下降到了 -2℃。使用 EPS 保溫材料替換的改造結(jié)構(gòu)的地基溫度降得更低，達(dá)到了 -4℃。這意味著拆除供暖管道會使建筑地基面臨嚴(yán)重?fù)p壞的風(fēng)險(xiǎn)（見圖 4），這表明需要安裝額外的保溫材料。

圖 4 ：建筑在進(jìn)行改造和增加 EPS 保溫材料后的溫度結(jié)果（40,000 FDH 情況下）。橙色線（線圖）和垂直等值線（表面圖）表示 0℃。

采納合理的建議保持結(jié)構(gòu)完整性

Sekki 利用他的研究結(jié)果，確保了類似赫爾辛基氣候條件的地區(qū)的建筑改造安全。通過仿真，他能夠評估復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的供暖需求，可以測試不同的保溫材料和厚度，確保他建議的技術(shù)是安全和充足的。為了進(jìn)一步為施工隊(duì)提供強(qiáng)有力的支持，Vahanen 還利用COMSOL 對熱量與水分的瞬態(tài)傳遞以及室內(nèi)空氣流動(dòng)進(jìn)行建模。“有了仿真，我們就能為客戶提供良好的建議，”Sekki 評論道：“ 防止會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的變化。”