《Journal of Energy Storage》：Heat flux and energy analysis of thermal bridge behaviour at wall and floor panel junctions in prefabricated cold storage systems: Experimental and numerical study
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冷库预制模块面板接缝处热桥效应研究采用实验-数值方法，对比分析墙-墙、墙-顶、墙-地六种接缝几何。实验验证有限元模型精度达98%，结果显示平接缝和Z型接缝热流峰值达10-13 W/m2，而阶梯式和咬合式接缝热流降至8 W/m2以下。研究表明热流强度比表面温度更能表征热桥效应，提出基于无量纲参数（如归一化温度、相对热流比）的评估框架，为冷库结构优化提供新方法。
Gulenay Alevay Kilic | Enver Yalcin
电气与能源系，雅洛瓦职业学院，雅洛瓦大学，雅洛瓦，77200，土耳其
摘要
在预制冷藏系统中，面板接缝处的热桥是一个关键的薄弱环节，局部热传递会不利地影响能源效率、冷凝控制以及运行可靠性。尽管模块化聚氨酯夹芯板被广泛采用，但当前标准中对冷藏环境中接缝几何形状的热行为关注不足。本研究调查了预制冷藏室面板中的热桥形成及其缓解措施，特别关注墙-墙、墙-天花板和墙-地板接缝。本研究采用了实验-数值相结合的方法。在内部温度为273 K的冷藏测试单元上进行红外热成像测量，以验证高分辨率有限元模型的准确性，数值结果与实验结果的一致性约为98%。经过验证的模型随后应用于六种具有相同材料属性和边界条件的不同接缝配置，并在273 K和255 K的内部温度下进行了分析。通过温度分布、热流矢量场以及无量纲参数（包括归一化温度和相对热流比）来评估热性能）。虽然在273 K的内部条件下，不同接缝几何形状的平均表面温度变化范围较小，约为285 K，但相应的热流值存在显著差异。参考平接缝和Z型接缝在273 K时的热流水平最高，达到约10 W/m2，在255 K时约为13 W/m2，表明存在强烈的热短路现象。相比之下，阶梯式和互锁式接缝配置将有效热流降低到273 K时低于8 W/m2，255 K时约为12 W/m2，并且热场更加均匀。结果表明，仅凭表面温度不足以表征热桥的严重程度，而热流强度和相对热流提供了更敏感且依赖于几何形状的性能指标。研究结果表明，通过优化面板接缝的几何形状可以有效改善冷藏箱的热性能，同时保持面板厚度和材料属性不变。此外，所提出的基于热流的无量纲评估框架为接缝设计的比较评估提供了物理基础，可能有助于未来冷藏设计实践的改进。
引言
冷藏系统是现代制冷基础设施的重要组成部分，尤其是在确保冷链中易腐食品的保存和安全方面。随着全球对可靠存储和运输温度敏感产品的需求不断增加，以及能源成本的稳步上升，优化冷藏室的热性能已成为一个关键的工程目标。2012年土耳其立法采纳的《国际运输易腐食品和专用设备协议》（ATP）建立了相应的监管框架，进一步推动了制冷存储和运输系统的发展。该协议要求在运输肉类、乳制品、海鲜、冷冻食品和新鲜农产品等各种食品时进行持续的热控制，强调了热可靠性在冷链系统中的重要作用[1]。
在常用的建造方法中，由于其模块化、易于组装和良好的热性能，预制聚氨酯保温板被广泛使用。然而，接缝处出现几何不连续性或组装细节错误可能导致热桥现象。这些局部的高导热区域会破坏保温层的均匀性，从而导致能源消耗增加、制冷周期延长和表面冷凝。随着时间的推移，这些问题可能导致冷藏环境中的腐蚀、微生物生长以及结构和卫生性能的下降。热桥通常发生在不同建筑材料交汇处或热绝缘连续性中断的地方。这些不规则性会导致局部二维或三维的热传递路径[2]。
实验和数值研究表明，如10毫米和20毫米厚的砂浆接缝等几何不连续性，根据接缝厚度和表面覆盖情况，分别可使局部热流增加约62%和103%[3]。包括基于软木和蘑菇的砂浆在内的替代材料在缓解这些效应方面表现出更好的性能[4]。在钢筋混凝土结构中，梁-板交叉处和阳台延伸部分等区域的热传递率通常显著更高，季节性热负荷下的差异可达58%[5]、[6]。更为显著的是钢制接缝，例如门-墙接缝，据报道其热损失比相邻保温区域高28倍[7]。
准确识别和评估热桥需要先进的数值方法。有限元、有限差分和有限体积建模等方法可以详细表示复杂几何形状中的温度分布和热流[8]。然而，这些模拟的准确性高度依赖于边界条件的规定、几何细节和材料属性。先前的研究指出，当应用简化的基于标准的假设时，模拟结果与实验数据之间存在不一致性，例如ISO 10211几何形状的情况[9]、[10]。尽管存在这些挑战，但如果正确实施，数值方法可以为评估热桥行为提供可靠的框架[11]、[12]、[13]。
大量研究致力于理解住宅和商业建筑中热桥的形成机制、热传递影响及缓解策略[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。这些研究提供了关于接缝几何形状、材料界面和保温连续性对整体能源性能影响的宝贵见解。虽然这些研究强调了材料属性、保温连续性和施工细节的综合影响，但本研究通过保持所有配置中的材料属性和边界条件相同，专门研究了接缝几何形状的影响。然而，尽管这些研究具有重要意义，但它们很少扩展到冷藏环境，尤其是那些在中等或低温下运行的环境。冷藏室和制冷运输系统的独特热和结构要求在现有文献中尚未得到充分关注。在这些系统中，即使是微小的热不连续性也可能导致严重的能源损失、表面冷凝或温度不稳定，直接影响产品安全和运行可靠性。因此，解决冷藏库中的热桥问题不仅是一个能源效率问题，也是卫生和功能性能的关键因素。尽管人们对热桥效应的认识日益增加，但现有的监管框架仍不足以完全应对冷藏结构特有的挑战。大多数现有标准（包括TS EN 13496至TS EN 13500和TS EN ISO 13370:2009）主要是为传统建筑开发的，侧重于一般的保温实践，而非制冷环境中的接缝特定复杂性。在土耳其，TS 4855规范规定了冷藏系统的设计，但没有明确包含热桥分析的指南或要求。此外，即使引入了热耦合系数L2D的TS EN ISO 10211，在捕捉如女儿墙和屋顶-墙体连接等复杂接缝的热流行为方面也存在局限性[22]、[23]。这些挑战强调了需要针对冷藏应用中的接缝级热传递进行针对性研究，因为传统的保温策略和建模假设往往不足。
使用符合欧洲技术批准ETA 10/0376 [24]和标准EN 14509 [25]认证的金属面聚氨酯板制造的预制模块化冷藏单元，在标准测试条件下具有较高的热绝缘效率和灵活的安装优势。然而，应用经验表明，特别是在金属锁定元件破坏保温连续性的结构接缝处，仍可能发生热桥现象。即将发布的prEN 14509-1和prEN 14509-2标准[26]、[27]、[28]、[29]、[30]更加重视提高面板接缝的结构性能和热连续性。在这种情况下，开发并实施超越当前标准面板配置的先进接缝设计对于提高冷藏设施的能源效率和运行可靠性变得非常重要。
鉴于这些差距，本研究调查了使用预制聚氨酯板建造的冷藏设施中的热桥形成和缓解措施。结合实验观察和高分辨率的二维及三维有限元模拟来分析墙-墙、墙-天花板和墙-地板接缝处的热传递。根据表面温度分布的改善和冷凝风险的降低来评估所提出的组装修改的有效性。本研究的结果旨在支持开发更热效率高且结构更可靠的冷藏解决方案。
实验和数值方法
本研究旨在比较评估用于预制模块化冷藏室面板的不同面板接缝几何形状的热性能。最初，在实验阶段，考虑了60毫米的面板厚度，并使用ANSYS Workbench 2025 R1软件在0°C和-18°C的内部环境温度下进行数值建模研究作为参考。
温度场分布和热桥特性
研究了不同接缝几何形状的温度场分布，并对其对热桥形成的影响进行了比较评估。图9显示了当内部环境温度设置为273 K时，六种不同接缝模型的温度分布轮廓。与255 K时的结果类似，模型1（平接触接缝）沿接缝线显示出陡峭且局部集中的温度梯度，清楚地揭示了直接的热传递
结论
本研究通过高分辨率数值分析系统地研究了不同接缝几何形状对预制模块化冷藏室面板热桥行为的影响，并通过实验进行了验证。分析针对墙-墙、墙-天花板，特别是墙-地板接缝在255 K和273 K的内部环境温度下进行；结果从温度场、热流矢量和无量纲性能参数的角度进行了评估。
CRediT作者贡献声明
Gulenay Alevay Kilic：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，监督，软件，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。Enver Yalcin：撰写 – 审稿与编辑，可视化，验证，方法论，数据管理，概念化。
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在准备这项工作时，作者使用了生成式AI工具来改进语言。使用这些工具后，作者根据需要对内容进行了审查，并对发表文章的内容负全责。
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