康智強,常志宇,夏曉東,李繼成

(1.沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.沈陽建筑大學建筑與規(guī)劃學院，遼寧 沈陽 110168)

圍護結構中熱流強度顯著增大的部位，被稱為熱橋[1]。熱橋的存在增加了墻體的局部換熱，減小了墻體的平均熱阻[2]，建筑中熱橋主要發(fā)生在外墻轉角、墻角、陽臺、柱、梁等部位[3]。室內的環(huán)境受到很大影響，比如墻角處容易產(chǎn)生發(fā)霉現(xiàn)象[4-5]。圍護結構內表面的溫度受熱橋影響，在室內部位產(chǎn)生結露現(xiàn)象，影響室內人員居住舒適度[6-7]。熱橋能耗既存在于節(jié)能建筑中，也存在于傳統(tǒng)建筑中，但在節(jié)能建筑中占到的比例更大[8]，節(jié)能性越高的建筑，熱橋部位能耗所占比例就越大[9]。被動式超低能耗建筑的發(fā)展將無熱橋設計作為重要技術原則之一[10]，無熱橋的設計可以最大限度地阻斷墻體中局部節(jié)點的熱流傳遞，是被動式超低能耗建筑設計中至關重要的一個環(huán)節(jié)[11]。筆者對預制輕鋼骨架復合保溫墻體典型熱橋節(jié)點保溫層進行定量數(shù)值模擬，采用Therm軟件模擬分析預制輕鋼骨架復合保溫墻體中女兒墻節(jié)點、外墻轉角節(jié)點、梁節(jié)點、柱節(jié)點以及外墻勒腳節(jié)點在一定保溫設置工況下的熱橋傳熱，并計算熱橋系數(shù)。通過對熱橋節(jié)點的計算檢驗預制輕鋼骨架復合保溫外墻系統(tǒng)是否滿足無熱橋設計原則。通過與德國被動房研究所模擬的內嵌式熱橋節(jié)點模擬對比，驗證模擬的準確性。

1 預制輕鋼骨架復合保溫墻體

1.1 墻體系統(tǒng)基本構造

外墻系統(tǒng)構造如圖1所示。外墻采用預制輕鋼骨架復合保溫體系，預制墻體輕鋼龍骨采用C90冷彎薄壁型鋼，冷彎薄壁型鋼組合墻體是冷彎薄壁型鋼結構住宅體系的重要構件之一[12]。鍍鋅鋼帶強度等級Q550，厚度0.75 mm。輕鋼龍骨室外側錨固金屬結構板帶，并通過機械連接式斷熱橋錨栓錨固150 mm厚石墨聚苯保溫板，輕鋼龍骨空格間澆筑90厚A級防火輕混凝土，形成預制輕鋼輕混凝土墻體，室內側錨固10 mm厚纖維水泥板和12 mm厚石膏板，外墻外側施以10 mm厚抹面膠漿復合玻纖網(wǎng)，并做厚抹灰系統(tǒng)，外墻總厚度290 mm，墻體系統(tǒng)構造層參數(shù)如表1所示，外墻傳熱系數(shù)為0.179 3 W/(m2·K)。

1.抹面膠漿復合玻纖網(wǎng);2.石墨聚苯板;3.膠黏劑;4.玻纖水泥板;5.輕質混凝土;6.玻纖水泥板;7.石膏板;8.斷熱橋錨栓;9.C型鋼。

表1 墻體構造層參數(shù)Table 1Structural layer parameters of wall

1.2 墻體優(yōu)勢

預制輕鋼骨架復合保溫墻體的建筑成本低，由于預制墻板的裝配程度高而且減少了施工周期，墻體傳熱系數(shù)小，節(jié)能效率高，可以滿足人體舒適度要求的優(yōu)點，并且可以廣泛應用于多層框架結構建筑。

1.3 建筑無熱橋設計原則

無熱橋設計原則強調建筑物應采用保溫性能更高的圍護結構和連續(xù)完整的外保溫系統(tǒng)[13]。無熱橋的設計理念是熱橋傳熱系數(shù)很小甚至為負數(shù)，當熱橋系數(shù)小于等于0.01 W/(m·K)時，即可滿足無熱橋的設計原則，熱橋系數(shù)越小則墻體的傳熱效果越好，越節(jié)能。無熱橋設計時需遵循以下規(guī)則。①避讓規(guī)則：盡量不要有構件穿透圍護結構的保溫層。②擊穿規(guī)則：在避免不了穿透圍護結構保溫層時，例如不采暖的地下室墻體，由于結構的支撐需要，穿透了保溫層，就需要在穿透位置選用導熱系數(shù)盡量低的材料，盡量避免使用金屬或常規(guī)的混凝土材料，可以使用可承重的加氣混凝土材料，還可以采用防腐木、發(fā)泡陶瓷等材料。③連接規(guī)則：在轉角部位的保溫層連接的厚度應該不低于整個建筑主體部位的保溫層厚度。④幾何規(guī)則：兩個構件的連接處盡可能采用鈍角連接，這樣可以減少散熱面積[14]。

2 熱橋數(shù)值模擬及計算

采用Therm軟件根據(jù)有限元分析法計算圍護結構穩(wěn)態(tài)下傳熱，計算所用公式和方法基于歐洲標準(EN IOS 10211)，對圍護結構材料的參數(shù)設置、邊界條件的輸入，可準確計算傳熱系數(shù)、溫度分布等結果[15]。模擬假設各材料之間接觸無縫隙，忽略各材料接觸時產(chǎn)生的熱阻，認為各處材料同性且均勻，保溫層始終連續(xù)無斷層，墻體鋪設防火隔離帶，不考慮太陽輻射及其他輻射換熱[16]。

2.1 邊界條件及計算方法

室內外溫度的設置采用國內外默認的室內為20 ℃，室外為-10 ℃[17]。室內外表面空氣熱阻分別為0.11、0.04(m2·K)/W。線性熱橋的計算方法為

(1)

式中：Ψ為線性熱橋系數(shù)，W/(m·K)；L2D為二維傳熱系數(shù)，W/(m·K)；Uj為一維傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；lj為一維傳熱部分長度，m。

墻體熱通量的計算方法為

Φ=U·ΔT·l.

(2)

式中：Φ為熱通量，W/m；U為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；l為墻體長度，m；ΔT為室內外溫差，K。

2.2 墻板與柱節(jié)點不同保溫厚度模擬

筆者采用有限元分析法模擬不同保溫層厚度的柱節(jié)點傳熱，計算各厚度下的熱橋系數(shù)。

混凝土柱與外墻接觸使熱量從此部位傳遞增加，是熱橋典型的節(jié)點[18]。圖2為柱節(jié)點的構造，外墻保溫層厚度為150 mm，材料為石墨聚苯板，混凝土柱為500 mm×500 mm，其傳熱系數(shù)為1.72 W/(m·K)，外墻外保溫的縫隙為20 mm，采用石墨聚苯板填充，而外墻輕質混凝土部位縫隙采用巖棉填充，具有防火作用。

圖2 柱節(jié)點構造圖Fig.2Structural drawing of column joint

模擬得到柱節(jié)點不同保溫厚度的溫度如圖3所示。

圖3 柱節(jié)點保溫層不同厚度溫度模擬圖Fig.3Temperature simulation of column joint insulation layer with different thickness

外掛式柱節(jié)點在保溫層厚度分別為50 mm、100 mm、150 mm、200 mm時的節(jié)點二維傳熱系數(shù)L2D分別為0.548 W/(m·K)、0.339 W/(m·K)、0.248 W/(m·K)、0.195 W/(m·K)。

保溫層厚度由50 mm到200 mm的熱橋系數(shù)分別為0.017 3 W/(m·K)、0.007 2 W/(m·K)、0.006 5 W/(m·K)、0.002 W/(m·K)。繪制柱節(jié)點二維傳熱系數(shù)、熱橋系數(shù)曲線如圖4所示。保溫層厚度的增加導致外墻的一維傳熱系數(shù)減小，熱橋節(jié)點的二維傳熱系數(shù)也逐漸減小，隨之熱橋系數(shù)也減小，所以保溫層越厚的節(jié)點，熱橋對傳熱的影響越小，但減小的趨勢越來越小，說明一直增加保溫層厚度并不是最合理的方式，因此選擇最優(yōu)的厚度，既能達到經(jīng)濟性要求又能滿足無熱橋設計成為關鍵。根據(jù)被動式超低能耗建筑的無熱橋設計原則，當保溫層厚度增加到75 mm左右，熱橋系數(shù)達到0.01 W/(m·K)，外掛式框架柱熱橋節(jié)點就可達到無熱橋的要求。

圖4 柱節(jié)點傳熱參數(shù)變化曲線Fig.4Curve of heat transfer parameters of column joints

2.3 墻板與梁節(jié)點

外墻與梁接觸會導致熱量傳遞不均勻，形成熱橋。此節(jié)點的熱橋處理至關重要，圖5為外掛式梁節(jié)點構造圖。

圖5 梁節(jié)點構造圖Fig.5Structural drawing of beam joint

混凝土梁通過預埋件外掛與外墻連接，外墻通過斷熱橋錨栓連接，保溫層材料選擇石墨聚苯板，厚150 mm，保溫層部位鋪設寬300 mm巖棉作為防火隔離帶，保溫層縫隙20 mm，采用石墨聚苯板填充。輕混凝土之間的縫隙采用無保溫砂漿填充，并采用M14預埋螺母連接件連接，纖維水泥板之間采用彈性密封膠粘連，纖維水泥板與石膏板之間鋪設防水氣密膜，寬度不小于100 mm。

模擬得到梁節(jié)點溫度如圖6所示。梁節(jié)點的二維傳熱系數(shù)L2D為0.274 W/(m·K)，節(jié)點的最高溫度19.78 ℃，最低溫度-9.8 ℃，根據(jù)式(2)計算后得到的熱通量Φ為8.2 W/m，根據(jù)式(1)計算后得到熱橋系數(shù)0.004 7 W/(m·K)，此時的熱橋系數(shù)值滿足無熱橋的設計原則。

圖6 梁節(jié)點溫度模擬圖Fig.6Temperature Simulation of beam joints

2.4 外墻轉角陰陽角節(jié)點

外墻轉角處，內墻和外墻接觸傳熱面積不同或因材料不同導致熱量傳遞增加形成熱橋。外墻轉角處很容易產(chǎn)生結露，此部位的保溫層必須連續(xù)。圖7為外墻轉角-陰陽角節(jié)點構造。外墻外保溫中的縫隙都采用石墨聚苯板材料填充。C型鋼通過螺母連接在輕混凝土中，起到抗沖擊、抗震以及防火等作用。轉角點纖維水泥板必須采用彈性密封膠粘連，且混凝土柱與墻板通過角鋼連接。

模擬得外墻轉角的溫度(見圖8)，外墻陽角的整體二維傳熱系數(shù)L2D為0.31 W/(m·K)，最高溫度19.69 ℃，最低溫度為-9.9 ℃。計算后的熱通量為9.3 W/m，線性熱橋系數(shù)為-0.057 W/(m·K)。計算得到熱橋系數(shù)為負，證明陽角節(jié)點的傳熱不但不受熱橋影響甚至會比常規(guī)墻體傳熱更好。外墻陰角的二維傳熱系數(shù)L2D為0.132 W/(m·K)，最高溫度為19.9 ℃，最低溫度為-9.79 ℃。外墻陰角的溫度模擬圖，計算后的熱通量為3.95 W/m，線性熱橋系數(shù)為0.023 8 W/(m·K)。熱橋系數(shù)大于0.01 W/(m·K)，則陰角節(jié)點并不滿足無熱橋設計。

圖7 外墻轉角構造圖Fig.7Structural drawing of external wall external corner

圖8 外墻轉角溫度模擬圖Fig.8Simulation diagram of external wall corner temperature

2.5 外墻勒腳節(jié)點

外墻勒腳熱橋是由于外墻與地梁相接觸，產(chǎn)生傳熱不均的現(xiàn)象，形成熱橋。在勒腳位置，從地基下方向上鋪設保溫板，鋪設高度約900 mm，保溫的材料為XPS。墻角處采用斷熱橋錨栓錨固保溫層，地面保溫材料選用XPS，厚度為300 mm，以降低熱橋的影響，外墻勒腳結構如圖9所示。

圖9 外墻勒腳節(jié)點構圖Fig.9Composition of external wall plinth node

模擬得到外墻勒腳溫度如圖10所示。外墻勒腳節(jié)點二維傳熱系數(shù)L2D為0.223 W/(m·K)，最高溫度19.72 ℃，最低溫度為-10.04℃。計算后的熱流量為6.68 W/m，線性熱橋系數(shù)為-0.002 6 W/(m·K)。此時熱橋系數(shù)為負則滿足近零能耗建筑設計標準的設計要求。

圖10 外墻勒腳節(jié)點溫度模擬圖Fig.10Simulation diagram of external wall plinth node temperature

2.6 女兒墻節(jié)點

女兒墻熱橋是典型的熱橋之一，屋面外側墻體的保溫往往容易被忽略，受外界溫度變化影響，室內側溫度降低，容易結露，故屋面外側保溫必不可少[19]。圖11為女兒墻結構圖，預制輕鋼骨架復合保溫墻體在屋面外側鋪設200 mm厚XPS保溫板，采用M12螺栓錨固在輕質混凝土側。所有與室外接觸處都鋪設保溫板，采用全包裹的形式，保溫層完全包裹女兒墻，突出屋面的部位保溫層必須連續(xù)，鋪設巖棉作為防火隔離帶。

圖11 女兒墻節(jié)點構造Fig.11Joint structure of parapet

模擬得到女兒墻溫度如圖12所示。女兒墻節(jié)點二維傳熱系數(shù)L2D為0.204 W/(m·K)，最高溫度19.68 ℃，最低溫度為-10.0 ℃。計算后的熱流量為6.12 W/m，熱橋系數(shù)為

圖12 女兒墻節(jié)點溫度模擬圖Fig.12Simulation diagram of parapet node temperature

-0.151 W/(m·K)。女兒墻處熱橋最小，此節(jié)點不但滿足無熱橋設計原則，不但沒有額外熱損失甚至保溫隔熱的效果優(yōu)于常規(guī)墻體。

3 模擬驗證

為證實筆者模擬結果的準確性，采用Therm模擬內嵌式節(jié)點熱橋系數(shù)，與德國被動房研究所采用Flixo所模擬的內嵌式節(jié)點熱橋系數(shù)對比。Flixo是瑞士一家公司開發(fā)的熱分析軟件，德國被動房研究所用其研究和計算熱橋[20-24]。選取框架柱節(jié)點作為對象，與外掛式柱節(jié)點不同的是，此節(jié)點柱與外墻的連接方式為內嵌式，鋼柱全包裹于墻體內，鋼柱周圍包裹著50 mm厚巖棉，保溫層采用石墨聚苯板，厚度200 mm，在防火漿料兩側鋪設10 mm厚的osb板。

圖13為Flixo模擬的柱節(jié)點溫度圖，筆者所做模擬與德國被動房研究所采用的邊界條件相同，室內外溫度分別為20 ℃、-10 ℃，室內外表面空氣熱阻分別為0.11(m2·K)/W和0.04(m2·K)/W。圖14為Therm模擬后的溫度圖。熱橋計算的方式與德國被動房采用的計算方式相同，計算采用式(1)，德國被動房研究所模擬后得到的柱熱橋節(jié)點熱通量為9.7 W/m，計算得到的熱橋系數(shù)為0.028 W/(m·K)。筆者通過模擬得到的柱熱橋節(jié)點熱流量為9.9 W/m，計算得到的熱橋系數(shù)為0.026 W/(m·K)，比對得到誤差7%，證明筆者模擬具有準確性。

圖13 Flixo模擬的柱節(jié)點溫度圖Fig.13Column node temperature diagram simulated by Flixo

圖14 Therm模擬的柱節(jié)點溫度圖Fig.14Column node temperature diagram simulated by Therm

4 結 論

(1)采用Therm模擬輕鋼骨架復合保溫墻板外掛式柱熱橋節(jié)點在不同保溫層厚度下的傳熱，計算保溫層厚度50 mm、100 mm、150 mm、200 mm時熱橋系數(shù)分別為0.017 3 W/(m·K)、0.007 2 W/(m·K)、0.006 5 W/(m·K)、0.002 W/(m·K)。隨著保溫層厚度的增加，節(jié)點二維傳熱系數(shù)和熱橋系數(shù)增加的趨勢逐漸減小。

(2)通過模擬預制輕鋼骨架復合外保溫墻板中的典型外掛式熱橋節(jié)點，計算保溫層厚度為150 mm時各節(jié)點的二維傳熱系數(shù)和熱橋系數(shù)。計算得到梁節(jié)點熱橋系數(shù)0.004 7 W/(m·K)、柱節(jié)點熱橋系數(shù)0.006 5 W/(m·K)、外墻勒腳熱橋系數(shù)-0.002 6 W/(m·K)、陽角熱橋系數(shù)-0.057 W/(m·K)、陰角熱橋系數(shù)0.023 8 W/(m·K)、女兒墻熱橋系數(shù)-0.151 W/(m·K)。除了陰角節(jié)點都可滿足無熱橋設計原則，甚至外墻陽角、勒腳和女兒墻的熱橋系數(shù)為負，證明這些節(jié)點的傳熱優(yōu)于常規(guī)墻體。

(3)德國被動房研究所采用的Flixo模擬后計算得到的熱橋系數(shù)為0.028 W/(m·K)，Therm模擬后計算得到熱橋系數(shù)為0.026 W/(m·K)，誤差為7%，驗證了模擬的準確性。