外墻外保溫干掛系統(tǒng)典型構造的熱橋分析

程海峰，　張　虎，　張　舉

(安徽建筑大學節(jié)能研究院，安徽 合肥　230022)

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外墻外保溫干掛系統(tǒng)典型構造的熱橋分析

程海峰，張虎，張舉

(安徽建筑大學節(jié)能研究院，安徽 合肥230022)

摘要：對建筑物外墻外保溫干掛系統(tǒng)典型構造中存在的“熱橋”對系統(tǒng)熱工性能的影響進行了分析。通過典型構造中“熱橋”對系統(tǒng)傳熱系數影響的計算比較，指出外墻外保溫裝飾一體化板材構造中“熱橋”所造成的熱量損失很小, 與示范工程實測數據分析結果相吻合，并提出了降低“熱橋”影響的構造措施。

關鍵詞：外墻外保溫；干掛系統(tǒng)；熱橋

0引言

隨著人類對居住環(huán)境要求日益提高，建筑能耗也隨之有了很大增長。目前，我國建筑能耗占社會總能耗的30%，與工業(yè)能耗、交通能耗并稱我國社會的三大能耗領域。因此，提倡建筑節(jié)能，對降低社會能耗具有重大的意義[1]。建筑節(jié)能的重點是圍護結構的節(jié)能，外墻保溫隔熱是建筑節(jié)能的重點之一[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)，并且其技術已經發(fā)展到一定的程度[3]。外墻外保溫干掛系統(tǒng)的典型構造主要有：有封閉空氣間層和無封閉空氣間層的保溫隔熱構造方式。本文選取其兩種典型構造，分析存在的“熱橋”對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結構中的一些部位(如梁、柱、門和窗)與主墻體材料存在傳熱性能的差異, 在室內外溫差的作用下, 這些部位成為熱流相對密集、內表面溫度較低(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，熱橋有許多的危害，如[6]：增加圍護結構局部傳熱量，降低圍護結構的平均傳熱熱阻，增加建筑能耗;因結露使墻體潮濕，破壞室內裝修，墻皮脫落，破壞室內景觀，助長病菌的滋生，破壞室內衛(wèi)生環(huán)境；破壞結構安全。

熱橋對建筑最大的影響就是增加了建筑的能源消耗。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到20% ～ 30%[8]。

2典型外墻外保溫構造的分析

2.1　兩種典型外墻外保溫構造

2.1.1外墻外保溫裝飾一體化板材安裝構造

外墻外保溫裝飾一體化板材(以下簡稱“一體化板材”)采用干掛法施工，現(xiàn)場組合式安裝，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。

由于靜止的空氣導熱系數很小，為了提高建筑物的熱工性能，常在圍護結構中設置封閉的空氣間層，作為圍護結構保溫層。常見的有封閉空氣間層的保溫構造如集保溫裝飾一體化的外墻外保溫構造。

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

圖1一體化板材安裝構造圖

2.1.2外墻干掛石材安裝構造

外墻干掛石材施工安裝構造：石材幕墻立柱與混凝土結構通過預埋件連接；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圓孔螺栓固定進行的連接；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，外墻干掛石材構造屬于常見的無封閉空氣間層外墻裝飾構造。石材干掛外墻保溫系統(tǒng)主要由墻體結構層、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：先進行幕墻立柱的固定安裝，后進行橫梁安裝，再在基礎墻面與石材飾面之間鋪貼防火巖棉保溫層，最后進行石材外裝飾面的固定。干掛石材安裝構造見圖 2。

圖2干掛石材安裝構造圖

2.2　兩種典型構造的熱橋分析

由圖1可知一體化板材通過專用龍骨干掛在建筑外墻，板間采用特殊設計的榫槽結構拼接，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相對靜止的空氣層?？諝庠诔爻簵l件下的導熱系數為 0.024 W/( m·K) ,遠遠低于建筑上常用保溫材料的導熱系數,因而該靜止空氣層充當保溫層與一體化板材一起，達到雙重保溫、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,其對整個一體化板傳熱熱工性能影響極小。

從圖2外墻干掛石材構造圖可以看出，由于安裝構造的需要留出150一300mm的距離設置幕墻立柱、橫梁、掛件，因此在石材與基層墻體之間產生一定厚度的空氣層。石材與基本墻體之間距離較大，同時幕墻立柱、橫梁之間存在氣流相互貫通，因此空氣層存在比較強烈的對流運動，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數據比較

我們以平均傳熱系數來比較兩種熱橋對傳熱影響。平均傳熱系數Km(w/m2·k)是指外墻包括主體結構及其結構性熱橋等部位在內的各部分傳熱系數平均值。平均傳熱系數的計算方法有很多種，下面我們采用常用的面積加權法來進行平均傳熱系數的計算。其基本計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按其對應的面積加權平均[10]，計算公式如下：

(1)

其中，Kp—外墻主體部位的傳熱系數(w/m2·k)；

Fp—外墻主體部位的傳熱系數(m2)；

K1—熱橋部位的傳熱系數(w/m2·k)；

F1—熱橋部位的傳熱系數(m2)。

3.1　膨脹螺栓對一體化板材綜合傳熱系數 Km值的影響

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

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K值計算如下：

考慮到膨脹螺栓對系統(tǒng)傳熱的影響時，系統(tǒng)的傳熱系數計算如下：

根據《外墻外保溫系統(tǒng)構造圖集》(六)(圖集號：皖2008J211)中板材豎向布板要求：復合龍骨水平向布置，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?；鶎訅w、系統(tǒng)構造及材料各種參數與表2.1中各參數相同。

圖3膨脹螺栓布置圖

不考慮膨脹螺栓對傳熱的影響時，系統(tǒng)的傳熱系數為0.55w/m2·k；現(xiàn)在考慮到膨脹螺栓后，系統(tǒng)的傳熱系數按照面積加權法來計算,Kp=0.55w/m2·k； Fp=4m2；膨脹螺栓導熱系數l=16.2w/m·k，螺栓尺寸為M8×80mm；經計算可得到系統(tǒng)的平均傳熱系數為0.557w/m2·k；與不考慮螺栓時系統(tǒng)的傳熱系數0.55w/m2·k相比，系統(tǒng)傳熱系數增大了1.27%。

3.2　石材掛件對石材綜合傳熱系數 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個尺寸為5mm×40mm×100mm不銹鋼石材掛件，掛件導熱系數λ=60w/m·k；不考慮石材掛架時，系統(tǒng)傳熱系數已經計算，K=0.9w/m2·k；現(xiàn)在考慮石材掛件部分對熱橋的影響，用公式(1)計算得考慮到系統(tǒng)平均傳熱系數Km為1.1w/m2·k；我們可以看出考慮到石材掛件后，石材傳熱系數增大了22%。石材掛件對石材幕墻的傳熱系數影響較大，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測

示范工程合肥尚澤國際寫字樓為測試(試驗)對象進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。

4.1　測試設備

采用由北京世紀建通環(huán)境技術有限公司提供的JTDL-80溫度與熱流動態(tài)數據采集系統(tǒng)，可同步實施測量溫度和熱流密度，并能根據設定的存儲時間間隔自動存儲數據。熱流密度傳感器采用硬板式，主要是用來測試平面熱流密度，其精度在正常時可小于±3﹪。測量溫度在正常時精度±0.2℃。

4.2　測試方案

測量點設置：熱流密度測量點位于一體化板材內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，每個測量點安裝一個熱流密度探頭，分別用來測量一體化板材內壁熱流密度，與熱流密度探頭相對應的一體化板材外表面以及墻體內表面的位置各安裝一個溫度探頭。圖4為方案布置圖(A-一體化板材內表面熱流密度測量點1，B-一體化板材內表面熱流密度測量點2，C-墻體內表面溫度測量點，D-一體化板材外表面溫度測量點)，圖5為安裝現(xiàn)場圖。

圖4一體化板材示范工程實測方案

圖5一體化板材示范工程實測現(xiàn)場

4.3　實驗數據分析

選擇2014年 12 月 5 日至8日連續(xù)96小時測試數據進行分析，通過對實測熱流密度數據分析發(fā)現(xiàn)被測A、B兩處熱流密度相對變化很小僅為2.50%～3.13%。實測膨脹螺栓處熱橋對系統(tǒng)傳熱性能的影響與3.1計算結論相吻合。

5熱橋隔斷辦法

建筑物中“熱橋”是不可避免的，必須采取相應的措施。熱橋處理的基本原則是：對熱橋部位加強保溫;用熱阻較大的材料替代熱阻較小的材料;改變安裝構造方式等。通過上述分析可知，幕墻干掛石材系統(tǒng)，掛件對傳熱的影響較大，對石材掛件可采取在掛件周圍加貼保溫材料的方式來降低其對傳熱的影響。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結論

(1)一體化板材構造中，理論分析膨脹螺栓處熱橋對系統(tǒng)傳熱性能的影響極小，傳熱系數僅增大1.27%,與示范工程實測數據分析結果相吻合。

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

(3)保溫裝飾一體化板材與保溫、裝飾分設干掛系統(tǒng)比較，熱橋對傳熱性能的影響差別90%以上。

(4)改變龍骨、掛件等構造型材材料，或采用絕熱材料隔阻熱流通道是進一步提高系統(tǒng)熱工性能的有效方法。

參考文獻

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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：TU86

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8382(2015)02-061-05

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150213

作者簡介：程海峰(1966-) ，男 ，教授級高級工程師，主要研究方向為建筑與區(qū)域熱濕環(huán)境實現(xiàn)技術；建筑與區(qū)域能源系統(tǒng)集成技術; 建筑HVAC系統(tǒng)的性能化設計。

基金項目：國家科技支撐計劃課題(2011BAJ03B04)

收稿日期：2014-12-22