程海峰，　張　虎，　張　舉

(安徽建筑大學(xué)節(jié)能研究院，安徽 合肥　230022)

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外墻外保溫干掛系統(tǒng)典型構(gòu)造的熱橋分析

程海峰，張虎，張舉

(安徽建筑大學(xué)節(jié)能研究院，安徽 合肥230022)

摘要：對(duì)建筑物外墻外保溫干掛系統(tǒng)典型構(gòu)造中存在的“熱橋”對(duì)系統(tǒng)熱工性能的影響進(jìn)行了分析。通過典型構(gòu)造中“熱橋”對(duì)系統(tǒng)傳熱系數(shù)影響的計(jì)算比較，指出外墻外保溫裝飾一體化板材構(gòu)造中“熱橋”所造成的熱量損失很小, 與示范工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果相吻合，并提出了降低“熱橋”影響的構(gòu)造措施。

關(guān)鍵詞：外墻外保溫；干掛系統(tǒng)；熱橋

0引言

隨著人類對(duì)居住環(huán)境要求日益提高，建筑能耗也隨之有了很大增長(zhǎng)。目前，我國(guó)建筑能耗占社會(huì)總能耗的30%，與工業(yè)能耗、交通能耗并稱我國(guó)社會(huì)的三大能耗領(lǐng)域。因此，提倡建筑節(jié)能，對(duì)降低社會(huì)能耗具有重大的意義[1]。建筑節(jié)能的重點(diǎn)是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能，外墻保溫隔熱是建筑節(jié)能的重點(diǎn)之一[2]。按照保溫材料在外墻中的位置可分為外墻外保溫、中間保溫、內(nèi)保溫等三種保溫方式，其中以外墻外保溫最優(yōu)，并且其技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一定的程度[3]。外墻外保溫干掛系統(tǒng)的典型構(gòu)造主要有：有封閉空氣間層和無(wú)封閉空氣間層的保溫隔熱構(gòu)造方式。本文選取其兩種典型構(gòu)造，分析存在的“熱橋”對(duì)建筑物外墻保溫性能的影響，并提出隔斷“熱橋”的措施。

1熱橋危害

所謂熱橋是指建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的一些部位(如梁、柱、門和窗)與主墻體材料存在傳熱性能的差異, 在室內(nèi)外溫差的作用下, 這些部位成為熱流相對(duì)密集、內(nèi)表面溫度較低(或較高)的區(qū)域, 與主墻體傳熱相比, 成為熱量流失的主要橋梁, 故稱為熱橋,有時(shí)又可稱為冷橋[4][5]。

熱橋在建筑中普遍存在，是不可避免的；同時(shí)，熱橋有許多的危害，如[6]：增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)局部傳熱量，降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均傳熱熱阻，增加建筑能耗;因結(jié)露使墻體潮濕，破壞室內(nèi)裝修，墻皮脫落，破壞室內(nèi)景觀，助長(zhǎng)病菌的滋生，破壞室內(nèi)衛(wèi)生環(huán)境；破壞結(jié)構(gòu)安全。

熱橋?qū)ㄖ畲蟮挠绊懢褪窃黾恿私ㄖ哪茉聪?。在傳統(tǒng)建筑中, 熱橋能耗占建筑總能耗的5% ～ 7%, 而在節(jié)能建筑中, 通過熱橋的能耗則可達(dá)到20%以上[7]； 多層建筑中熱橋占總能耗的比例為7% ～ 20%, 而在高層建筑中熱橋能耗占總能耗的比例達(dá)到20% ～ 30%[8]。

2典型外墻外保溫構(gòu)造的分析

2.1　兩種典型外墻外保溫構(gòu)造

2.1.1外墻外保溫裝飾一體化板材安裝構(gòu)造

外墻外保溫裝飾一體化板材(以下簡(jiǎn)稱“一體化板材”)采用干掛法施工，現(xiàn)場(chǎng)組合式安裝，其首先采用膨脹螺栓將龍骨固定在外墻上，再用自攻螺釘把一體化板材固定在龍骨上，兩塊板材之間采用榫槽拼接的方式，形成較好的保溫節(jié)能裝飾效果。

由于靜止的空氣導(dǎo)熱系數(shù)很小，為了提高建筑物的熱工性能，常在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中設(shè)置封閉的空氣間層，作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層。常見的有封閉空氣間層的保溫構(gòu)造如集保溫裝飾一體化的外墻外保溫構(gòu)造。

一體化板材與建筑物外墻之間形成了25mm相對(duì)靜止的空氣層。因空氣在常溫常壓條件下的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.024 W/( m·K) ,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于建筑上常用保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)。因此，該靜止空氣層與一體化板材共同組合達(dá)到雙重保溫的節(jié)能效果。一體化板材的安裝構(gòu)造見圖1。

圖1一體化板材安裝構(gòu)造圖

2.1.2外墻干掛石材安裝構(gòu)造

外墻干掛石材施工安裝構(gòu)造：石材幕墻立柱與混凝土結(jié)構(gòu)通過預(yù)埋件連接；橫梁通過角碼、螺釘或螺栓與立柱連接；掛件與橫梁之間采用長(zhǎng)圓孔螺栓固定進(jìn)行的連接；掛件再與石材的連接。在石材面板背后開孔或開槽，用背栓或背夾連接[9]。外墻干掛石材安裝由于構(gòu)造的需要，常?？諝忾g層的間距比較大，難以形成靜止的空氣層，外墻干掛石材構(gòu)造屬于常見的無(wú)封閉空氣間層外墻裝飾構(gòu)造。石材干掛外墻保溫系統(tǒng)主要由墻體結(jié)構(gòu)層、保溫層、飾面層三部分組成；保溫層材料目前大多采用巖棉；飾面層主要為大理石、花崗巖等。安裝程序：先進(jìn)行幕墻立柱的固定安裝，后進(jìn)行橫梁安裝，再在基礎(chǔ)墻面與石材飾面之間鋪貼防火巖棉保溫層，最后進(jìn)行石材外裝飾面的固定。干掛石材安裝構(gòu)造見圖 2。

圖2干掛石材安裝構(gòu)造圖

2.2　兩種典型構(gòu)造的熱橋分析

由圖1可知一體化板材通過專用龍骨干掛在建筑外墻，板間采用特殊設(shè)計(jì)的榫槽結(jié)構(gòu)拼接，形成較好的整體裝飾效果。一體化板材與建筑物外墻之間形成了25mm相對(duì)靜止的空氣層。空氣在常溫常壓條件下的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.024 W/( m·K) ,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于建筑上常用保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù),因而該靜止空氣層充當(dāng)保溫層與一體化板材一起，達(dá)到雙重保溫、隔熱的效果，并能有效避免墻體發(fā)霉現(xiàn)象。在整個(gè)一體化板傳熱面上只有膨脹螺栓處存在熱橋，而膨脹螺栓固定部位很小,其對(duì)整個(gè)一體化板傳熱熱工性能影響極小。

從圖2外墻干掛石材構(gòu)造圖可以看出，由于安裝構(gòu)造的需要留出150一300mm的距離設(shè)置幕墻立柱、橫梁、掛件，因此在石材與基層墻體之間產(chǎn)生一定厚度的空氣層。石材與基本墻體之間距離較大，同時(shí)幕墻立柱、橫梁之間存在氣流相互貫通，因此空氣層存在比較強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，不能起到保溫隔熱的作用。在石材的固定中存在石材與幕墻立柱、橫梁、掛件等金屬材料的直接接觸，其存在的熱橋造成的耗能不可低估。

3數(shù)據(jù)比較

我們以平均傳熱系數(shù)來(lái)比較兩種熱橋?qū)鳠嵊绊?。平均傳熱系?shù)Km(w/m2·k)是指外墻包括主體結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)性熱橋等部位在內(nèi)的各部分傳熱系數(shù)平均值。平均傳熱系數(shù)的計(jì)算方法有很多種，下面我們采用常用的面積加權(quán)法來(lái)進(jìn)行平均傳熱系數(shù)的計(jì)算。其基本計(jì)算思路是將外墻主體部位和周邊熱橋部位的一維傳熱系數(shù)按其對(duì)應(yīng)的面積加權(quán)平均[10]，計(jì)算公式如下：

(1)

其中，Kp—外墻主體部位的傳熱系數(shù)(w/m2·k)；

Fp—外墻主體部位的傳熱系數(shù)(m2)；

K1—熱橋部位的傳熱系數(shù)(w/m2·k)；

F1—熱橋部位的傳熱系數(shù)(m2)。

3.1　膨脹螺栓對(duì)一體化板材綜合傳熱系數(shù) Km值的影響

不考慮熱橋時(shí)，一體化板材系統(tǒng)的傳熱系數(shù)如下：以鋼筋砼的基層墻體作為算例，系統(tǒng)構(gòu)造參數(shù)見表1。

表1　鋼筋砼墻體的保溫裝飾一體化系統(tǒng)的做法及性能參數(shù)

不考慮熱橋的影響，鋼筋砼墻體的保溫裝飾一體化系統(tǒng)的傳熱系數(shù)K值計(jì)算如下：

考慮到膨脹螺栓對(duì)系統(tǒng)傳熱的影響時(shí)，系統(tǒng)的傳熱系數(shù)計(jì)算如下：

根據(jù)《外墻外保溫系統(tǒng)構(gòu)造圖集》(六)(圖集號(hào)：皖2008J211)中板材豎向布板要求：復(fù)合龍骨水平向布置，間距@300～500mm；龍骨與基層墻體用膨脹螺栓錨固，間距@300～500mm；根據(jù)要求，龍骨間距和螺栓間距都取500mm。在面積為2000×2000mm的基層墻體上，龍骨間距取500mm，螺栓間距取500mm，則螺栓布置如圖3。基層墻體、系統(tǒng)構(gòu)造及材料各種參數(shù)與表2.1中各參數(shù)相同。

圖3膨脹螺栓布置圖

不考慮膨脹螺栓對(duì)傳熱的影響時(shí)，系統(tǒng)的傳熱系數(shù)為0.55w/m2·k；現(xiàn)在考慮到膨脹螺栓后，系統(tǒng)的傳熱系數(shù)按照面積加權(quán)法來(lái)計(jì)算,Kp=0.55w/m2·k； Fp=4m2；膨脹螺栓導(dǎo)熱系數(shù)l=16.2w/m·k，螺栓尺寸為M8×80mm；經(jīng)計(jì)算可得到系統(tǒng)的平均傳熱系數(shù)為0.557w/m2·k；與不考慮螺栓時(shí)系統(tǒng)的傳熱系數(shù)0.55w/m2·k相比，系統(tǒng)傳熱系數(shù)增大了1.27%。

3.2　石材掛件對(duì)石材綜合傳熱系數(shù) Km值的影響

選取厚30mm的外保溫石材，面積尺寸為400mm×1000mm，則需要2個(gè)尺寸為5mm×40mm×100mm不銹鋼石材掛件，掛件導(dǎo)熱系數(shù)λ=60w/m·k；不考慮石材掛架時(shí)，系統(tǒng)傳熱系數(shù)已經(jīng)計(jì)算，K=0.9w/m2·k；現(xiàn)在考慮石材掛件部分對(duì)熱橋的影響，用公式(1)計(jì)算得考慮到系統(tǒng)平均傳熱系數(shù)Km為1.1w/m2·k；我們可以看出考慮到石材掛件后，石材傳熱系數(shù)增大了22%。石材掛件對(duì)石材幕墻的傳熱系數(shù)影響較大，這部分熱橋的存在所造成的熱量損失不可忽略。

4一體化板材示范工程實(shí)測(cè)

示范工程合肥尚澤國(guó)際寫字樓為測(cè)試(試驗(yàn))對(duì)象進(jìn)行外墻外保溫裝飾一體化系統(tǒng)冬季熱工性能(溫度、熱流密度)的檢測(cè)。

4.1　測(cè)試設(shè)備

采用由北京世紀(jì)建通環(huán)境技術(shù)有限公司提供的JTDL-80溫度與熱流動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可同步實(shí)施測(cè)量溫度和熱流密度，并能根據(jù)設(shè)定的存儲(chǔ)時(shí)間間隔自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。熱流密度傳感器采用硬板式，主要是用來(lái)測(cè)試平面熱流密度，其精度在正常時(shí)可小于±3﹪。測(cè)量溫度在正常時(shí)精度±0.2℃。

4.2　測(cè)試方案

測(cè)量點(diǎn)設(shè)置：熱流密度測(cè)量點(diǎn)位于一體化板材內(nèi)壁表面處于兩條橫向龍骨的中心位置和靠近用膨脹螺栓固定龍骨的位置，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)安裝一個(gè)熱流密度探頭，分別用來(lái)測(cè)量一體化板材內(nèi)壁熱流密度，與熱流密度探頭相對(duì)應(yīng)的一體化板材外表面以及墻體內(nèi)表面的位置各安裝一個(gè)溫度探頭。圖4為方案布置圖(A-一體化板材內(nèi)表面熱流密度測(cè)量點(diǎn)1，B-一體化板材內(nèi)表面熱流密度測(cè)量點(diǎn)2，C-墻體內(nèi)表面溫度測(cè)量點(diǎn)，D-一體化板材外表面溫度測(cè)量點(diǎn))，圖5為安裝現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖4一體化板材示范工程實(shí)測(cè)方案

圖5一體化板材示范工程實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

4.3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

選擇2014年 12 月 5 日至8日連續(xù)96小時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過對(duì)實(shí)測(cè)熱流密度數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)被測(cè)A、B兩處熱流密度相對(duì)變化很小僅為2.50%～3.13%。實(shí)測(cè)膨脹螺栓處熱橋?qū)ο到y(tǒng)傳熱性能的影響與3.1計(jì)算結(jié)論相吻合。

5熱橋隔斷辦法

建筑物中“熱橋”是不可避免的，必須采取相應(yīng)的措施。熱橋處理的基本原則是：對(duì)熱橋部位加強(qiáng)保溫;用熱阻較大的材料替代熱阻較小的材料;改變安裝構(gòu)造方式等。通過上述分析可知，幕墻干掛石材系統(tǒng)，掛件對(duì)傳熱的影響較大，對(duì)石材掛件可采取在掛件周圍加貼保溫材料的方式來(lái)降低其對(duì)傳熱的影響。通過上述措施可以使建筑物中的“熱橋”耗能程度大幅度降低。

6結(jié)論

(1)一體化板材構(gòu)造中，理論分析膨脹螺栓處熱橋?qū)ο到y(tǒng)傳熱性能的影響極小，傳熱系數(shù)僅增大1.27%,與示范工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果相吻合。

(2)干掛石材構(gòu)造中，金屬掛件、龍骨對(duì)系統(tǒng)傳熱性能的影響較大，傳熱系數(shù)增大22%。

(3)保溫裝飾一體化板材與保溫、裝飾分設(shè)干掛系統(tǒng)比較，熱橋?qū)鳠嵝阅艿挠绊懖顒e90%以上。

(4)改變龍骨、掛件等構(gòu)造型材材料，或采用絕熱材料隔阻熱流通道是進(jìn)一步提高系統(tǒng)熱工性能的有效方法。

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Analysis onThermal Bridge of Typical Structure

of Dry Hanging Exterior Insulation System

CHENG Haifeng,ZHANG Hu,ZHANG Ju

(Energy Research Institute of Anhui Jianzhu University, Hefei, 230022)

Abstract:In this paper, we analyzes the effect on the system’s thermal performance of the “thermal bridge”,which existing in the typical structure of the building exterior insulation dry hanging system. Through the calculation and comparison of the “thermal bridge” in the typical structure influence on the system's heat transfer coefficient, point out that the heat loss caused by the “thermal bridge” in the integration of exterior insulation decorative plank structure is quite small, which coincide with the analytical results of measured data of demonstration project, also puts forward structural measures to reducing the influence of “thermal bridge”.

Key words:exterior insulation; dry hanging system; thermal bridge

中圖分類號(hào)：TU86

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8382(2015)02-061-05

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150213

作者簡(jiǎn)介：程海峰(1966-) ，男 ，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榻ㄖc區(qū)域熱濕環(huán)境實(shí)現(xiàn)技術(shù)；建筑與區(qū)域能源系統(tǒng)集成技術(shù); 建筑HVAC系統(tǒng)的性能化設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2011BAJ03B04)

收稿日期：2014-12-22