夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能公共建筑墻體熱橋效應(yīng)影響研究
——以嘉興市為例

張 燕，羅義英，趙美紅，徐丹妮，陳 駱，湯俊雁

(嘉興學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 嘉興 31400)

1 引言

墻體是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中占比最多的主要組成部分，其能耗占整個(gè)建筑能耗的近一半；而結(jié)構(gòu)梁、柱、外墻轉(zhuǎn)角等構(gòu)造部位傳熱能力更強(qiáng)，熱流較密集，故稱為“熱橋”或“冷橋”。如果保溫措施不當(dāng)，冬季內(nèi)表面溫度較低，夏季內(nèi)表面溫度較高，室內(nèi)過(guò)熱，致使建筑能源浪費(fèi)[1～3]。所謂“熱橋效應(yīng)”，即熱傳導(dǎo)的物理效應(yīng)，主體墻與鋼筋混凝土梁、柱等傳熱能力相差較大，對(duì)建筑節(jié)能影響較大，所以目前墻體的保溫性能一般用考慮熱橋影響的平均傳熱系數(shù)表示，本文依據(jù)2016版《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]推薦熱橋線傳熱系數(shù)計(jì)算軟件，選取當(dāng)?shù)氐湫蛪w構(gòu)造，計(jì)算比對(duì)熱橋?qū)步ㄖw保溫性能的影響。

2 平均傳熱系數(shù)及熱橋線傳熱系數(shù)計(jì)算方法

2.1 熱橋線傳熱系數(shù)計(jì)算公式

文獻(xiàn)[1]C.2規(guī)定，建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)梁、柱、墻角等結(jié)構(gòu)性熱橋?qū)w、屋面?zhèn)鳠嵝阅艿挠绊懹镁€傳熱系數(shù)描述，計(jì)算方法可采用公式(1)：

(1)

式(1)中：ψ為熱橋線傳熱系數(shù)[W/(m·K)]；Q2D為二維傳熱計(jì)算得出的流過(guò)一塊包含熱橋的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量(W)；K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)平壁的傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]；A為計(jì)算Q2D的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積(m2)；ti為圍護(hù)結(jié)構(gòu)室內(nèi)側(cè)的空氣溫度(℃)；te為圍護(hù)結(jié)構(gòu)室外側(cè)的空氣溫度(℃)；l為計(jì)算Q2D的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，熱橋沿這個(gè)長(zhǎng)度均勻分布；C為計(jì)算Q2D的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的寬度，即A=l·C。

2.2 熱橋線傳熱系數(shù)計(jì)算軟件

實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)性熱橋的線傳熱系數(shù)按(1)式計(jì)算太過(guò)繁瑣，故文獻(xiàn)[1]還配套了計(jì)算光盤，采用二維穩(wěn)態(tài)傳熱原理的計(jì)算軟件PTemp，本文就利用這個(gè)方法計(jì)算當(dāng)?shù)啬成虡I(yè)中心等局部熱橋?qū)w傳熱性能影響。

2.3 墻體傳熱系數(shù)計(jì)算公式

在ψ已知的條件下就可以通過(guò)式(2)計(jì)算出墻體平均傳熱系數(shù)。

(2)

式(2)中：Km為圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元的平均傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]；K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)平壁的傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]；ψj為圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的第j個(gè)結(jié)構(gòu)性熱橋的線傳熱系數(shù)[W/(m·K)]；lj為圍護(hù)結(jié)構(gòu)第j個(gè)結(jié)構(gòu)性熱橋的計(jì)算長(zhǎng)度(m)；A為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積(m2)。

3 某商業(yè)中心平均傳熱系數(shù)及熱橋線傳熱系數(shù)計(jì)算方法

某辦公建筑位于嘉興(北緯=30.73°，東經(jīng)=120.77°)，建筑類型為公建，建筑物周邊無(wú)遮擋，建筑朝向?yàn)槟掀?7.6°。建筑層高3.9 m,柱中心線距離3.9 m，窗高2.1 m。

3.1 墻體及熱橋柱構(gòu)造實(shí)例

取該建筑南向墻體的一個(gè)計(jì)算單元，外墻主體部分構(gòu)造如圖1a所示，該建筑中熱橋柱構(gòu)造如圖1b所示。墻體基層材料分別選取當(dāng)?shù)刂髁鞑牧箱摻罨炷?、燒結(jié)保溫磚、蒸壓砂加氣混凝土砌塊(B06)作為3種類型墻體進(jìn)行計(jì)算分析，保溫層分別選取無(wú)機(jī)保溫砂漿和PEX保溫板進(jìn)行計(jì)算分析。

圖1 墻體構(gòu)造

1-涂料飾面層；2-水泥砂漿；3-墻體基層；4-鋼筋混凝土；5-保溫層；6-抗裂砂漿(玻纖網(wǎng))

3.1.1 外墻構(gòu)造

外墻主體部分從外至內(nèi)構(gòu)造為飾面層+水泥砂漿(20.0 mm)+墻體基層(240.0 mm)+保溫層(35.0 mm)+ 抗裂砂漿(玻纖網(wǎng))(5.0 mm)，見表1。

3.2.1 熱橋柱構(gòu)造

結(jié)構(gòu)性熱橋取外墻的主要承重構(gòu)件熱橋柱分析，組成(從外至內(nèi))飾面層 +水泥砂漿(20.0 mm)+鋼筋混凝土(240.0 mm)+保溫層(35.0 mm)+抗裂砂漿(玻纖網(wǎng))(5.0 mm)，見表2。

3.2 墻體及熱橋柱傳熱系數(shù)計(jì)算

3.2.1 熱工材料參數(shù)參考依據(jù)

根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄖ?jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求，熱工材料參數(shù)參考依據(jù)表3。

表1 外墻主體部分構(gòu)造

注：墻體基層及保溫層的各項(xiàng)參數(shù)根據(jù)具體材料的選擇來(lái)確定

注：保溫層的各項(xiàng)參數(shù)根據(jù)具體材料的選擇來(lái)確定

表3 熱工材料參數(shù)參考依據(jù)

3.2.2 墻體溫度分布

按上表構(gòu)造在線傳熱系數(shù)計(jì)算軟件Ptemp上繪得相應(yīng)的墻體構(gòu)造圖，如圖2；選取冬季室內(nèi)外參數(shù)，通過(guò)軟件計(jì)算可得相應(yīng)的熱橋線傳熱系數(shù)和墻體溫度分布圖，如圖3。

4 傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果比對(duì)

從溫度分布圖中我們可以發(fā)現(xiàn)熱橋結(jié)構(gòu)的存在會(huì)令墻體內(nèi)部沿墻體方向溫度分布不均勻，形成一定溫差。由于溫差的存在使主墻體與熱橋結(jié)構(gòu)之間形成熱流，造成房間流量額外流失[5]，所以我們需要通過(guò)計(jì)算分析合理選擇外墻構(gòu)造，削減熱橋效應(yīng)，確定墻體的保溫性能。

圖2 Ptemp中繪得墻體結(jié)構(gòu)

1-抗裂砂漿(玻纖網(wǎng)) 2-保溫層 3-墻體基層 4-水泥砂漿 5-鋼筋混凝土

4.1 外墻加權(quán)平均傳熱系數(shù)比對(duì)分析

《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176-2016外墻平均傳熱系數(shù)判定。

圖3 不同材料墻體溫度分布

(a)基層為混凝土，保溫層為聚苯板；(b)基層為混凝土，保溫層為YT保溫砂漿；(c)基層為燒結(jié)保溫磚，保溫層為聚苯板；(d)基層為燒結(jié)保溫磚，保溫層為YT保溫砂漿；(e)基層為蒸壓砂加氣混凝土砌塊(B06)，保溫層為聚苯板

4.2 結(jié)果分析

(1)通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出，同種保溫材料下不同墻體基層的外墻，主體墻和熱橋部位傳熱系數(shù)越接近，溫度分布較均勻，如圖3中a和b。但其傳熱系數(shù)偏大，通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱損失較大，沿厚度方向由內(nèi)向外溫度降較大。

(2)僅增加主體墻的保溫性能，采用自保溫加外保溫，熱橋柱和主體墻的連接部分溫度不均勻，如圖3中c、d、e、f，致使沿墻體水平方向的溫度應(yīng)力增大。由于溫度熱應(yīng)力影響，有可能墻體外表面開裂等質(zhì)量通病。所以在工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)熱橋采用較好的保溫構(gòu)造。

(3)當(dāng)采用保溫性能較好時(shí)，其傳熱系數(shù)較小，而熱橋柱的線傳熱系數(shù)相對(duì)較大。但墻體平均傳熱系數(shù)較小，墻體保溫性能較好。

(4)由表4可知，由于熱橋柱線傳熱系數(shù)對(duì)墻體傳熱系數(shù)的影響，致使墻體傳熱系數(shù)增加0.13%～4.00%。在實(shí)際建筑中，即使一個(gè)墻體計(jì)算單元中往往存在多種多個(gè)熱橋，所以，不能熱橋線傳熱系數(shù)對(duì)墻體降低墻體保溫性能的影響不容忽視。

表4 外墻平均傳熱系數(shù)計(jì)算分析

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)主體墻的傳熱系數(shù)與熱橋構(gòu)造傳熱系數(shù)相接近時(shí)，此時(shí)熱橋的影響較小，溫度分布較均勻；當(dāng)只提高主體墻的保溫性能，使主體墻與熱橋柱的傳熱系數(shù)相差較大時(shí)，主體墻的連接部分溫度不均勻，會(huì)造成墻體外表面開裂等質(zhì)量通病。在節(jié)能建筑墻體構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引以重視。通過(guò)計(jì)算，可知一個(gè)熱橋的線傳熱系數(shù)對(duì)墻體傳熱系數(shù)的影響可到達(dá)4%。所以，其對(duì)降低墻體保溫性能的影響不容忽視，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)只重視主體墻的保溫，也應(yīng)對(duì)熱橋部位采用保溫性能較好的構(gòu)造措施比僅提高主體墻的保溫性能更合理。