建筑圍護結構熱橋傳熱及改善研究現(xiàn)狀

劉梓健 廖智強 陳延超 周晉*

1 湖南大學土木工程學院

2 中民筑友智能裝備科技有限公司

隨著我國社會經(jīng)濟迅速發(fā)展以及人民生活水平逐步提高，建筑能耗已經(jīng)占到我國社會總能耗的20%～30%[1]，建筑節(jié)能已成為我國實現(xiàn)節(jié)能減排目標的重要舉措之一。而建筑節(jié)能其中一個關鍵在于如何改善建筑圍護結構熱性能。在實際建筑物圍護結構中存在著大量熱橋，改善圍護結構熱性能，其中一個要點就是解決熱橋帶來的不利影響。

熱橋帶來的不利影響包括導致建筑內部熱量和冷量損失增加以及使得圍護結構內表面結露發(fā)霉風險提高。郭駿等[2]研究發(fā)現(xiàn)，熱橋熱損失占傳統(tǒng)無保溫建筑物總熱損失的5%～7%，而對于復合保溫墻建筑物，該比例達到了20%以上。Theodosiou 等[3]研究熱橋的存在會導致希臘住宅建筑供熱負荷提高5.6%到29.6%，供冷負荷提高約10%。Koci 等[4]針對圍護結構結露影響的實驗研究表明，由于熱濕傳遞，結露表面周圍區(qū)域的導熱系數(shù)會顯著提高。文獻[5]也指出圍護結構熱橋部位內表面溫度比其他部位更低，更容易出現(xiàn)結露生霉現(xiàn)象，危害建筑內部人員身體健康。

總的來說，熱橋帶來的不利影響，主要起因在于熱橋的熱損失過高。熱橋的傳熱研究對改善熱橋，建造高性能低能耗建筑有重要意義。本文先對熱橋傳熱研究方法，包括計算方法以及檢測實驗方法進行介紹，然后討論新技術的應用對熱橋帶來的影響以及降低熱橋傳熱性能即改善熱橋的方法，最后提出需要針對熱橋進行深入研究的內容。

1 標準中熱橋定義及計算方法

根據(jù)ISO 10211[6]，熱橋的產(chǎn)生是由于圍護結構的幾何尺寸或者材料熱物性的連續(xù)性遭到破壞。按照熱流維度可將熱橋分為線狀熱橋和點狀熱橋，傳熱影響可用分別用線傳熱系數(shù)Ψ 或點傳熱系數(shù)x 來描述。在建筑外圍護結構中，門窗、外墻、樓板、屋面、凸窗、陽臺板、空調板等部件交界處易形成線狀或點狀熱橋，當圍護結構被不同導熱系數(shù)的材料穿透時，也會形成點狀熱橋。

ISO 10211[6]和ISO 14683[7]給出了計算熱橋傳熱系數(shù)的詳細方法。我國的《民用建筑熱工設計規(guī)范》[8]，著重于提出對熱橋的設計要求，但是也提供了與ISO標準相近的熱橋傳熱系數(shù)計算方法。

標準給出的計算熱橋傳熱的方法只能進行穩(wěn)態(tài)條件下的分析，無法考慮動態(tài)影響，并且熱橋部位導致的熱損失占整個圍護結構熱損失的比例較大，因此使用標準提供的方法進行傳熱計算可能導致圍護結構熱性能預測結果與實際差異明顯以及能耗計算結果誤差過大。Ge 和Fuad Baba 等人[9]的研究可以證明。他們分別采用等效U 值一維穩(wěn)態(tài)模擬和三維傳熱動態(tài)模擬兩種方法研究陽臺熱橋對某高層公寓的能耗影響。結果表明，對比三維動態(tài)模擬方法，等效U 值法得出年熱負荷低估了2.8%～4.4%，并且如果陽臺面積比率達到100%且陽臺上下部墻體有良好隔熱的情況下，這種差異將達到8.6%～15.2%。

與基于ISO 標準提供的傳熱系數(shù)計算的等效U值法相比，三維動態(tài)模擬雖然精確度高，但是需要大量時間進行建模和計算，占用大量計算機資源，這種方法對于設計人員以及科研工作者都存在一定的運用難度。

因此，為了避免圍護結構熱性能預測失敗和能耗計算誤差過大，同時減少建模和計算時間，還需要一些高效而又能滿足各種場合精確度要求的熱橋傳熱計算方法。

2 熱橋傳熱計算方法

圍護結構熱橋的傳熱計算方法按計算精度劃分可分為簡化計算和精確計算兩種。簡化計算方法包括計算傳熱系數(shù)，等效墻體法，減秩模型。精確計算熱橋傳熱可以運用反應系數(shù)法，傳遞函數(shù)法和數(shù)值的計算方法。

2.1 傳熱系數(shù)

在穩(wěn)態(tài)條件下，線狀熱橋的傳熱影響可由線傳熱系數(shù)Ψ 來描述，點狀熱橋的傳熱性能可由點傳熱系數(shù)x 來描述。ISO 10211-2017[6]其給出Ψ 值和x 值的計算表達式如下：

式中：L2D為二維熱耦合系數(shù)，它是二維傳熱系數(shù)，W/(m·K)；Uj是部件j 的一維傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；lj是一維部件j 對應的長度，m；L3D為三維熱耦合系數(shù)，它是三維傳熱系數(shù)，W/K；Si為平壁面積，m2。

除了以上的計算方法，Ben Larbi[10]還提出了計算二維熱橋傳熱系數(shù)Ψ 的統(tǒng)計學模型，相對誤差小于5%。

多維傳熱系數(shù)僅適用于穩(wěn)態(tài)條件下計算熱橋傳熱量，用于計算建筑能耗時的精確度相對較低，但是其優(yōu)點在于計算便捷，因此可以利用來進行簡單地能耗對比，評估圍護結構熱性能以及熱橋改善措施[11-14]。

2.2 等效墻體法

圍護結構內外環(huán)境動態(tài)變化的條件下，需要考慮熱橋部位的熱慣性。等效墻體（Equivalent Wall）是一種簡化模型，其密度ρ，比熱cp與整體熱橋部位等效，導熱系數(shù)λ 考慮了熱橋的額外熱損失。等效墻體可以替代原始熱橋進行傳熱計算或運用于能耗模擬中。

等效墻體法于1997 年由Kossecka 和Kosny[15]提出，當時他們使用結構因子法獲得等效墻體。Martin 等人[16]使用一個基于熱電類比的方法用來獲取三層均質墻。Quinten 指出[17]，運用結構因子法和諧波法組合得到的等效墻體，在代入能耗模擬軟件計算時獲得的結果最優(yōu)。

2.3 減秩模型

多維條件下的圍護結構動態(tài)熱計算勢必引入大量系統(tǒng)矩陣，從而帶來繁重計算量。有的學者提出建立與模擬建筑相關的低階熱橋附加熱損失模型。

高巖等[18]認為，熱橋部位可以被分解成為一維墻組元和熱橋附加熱損失組元。熱橋部位的總熱損失是兩組元熱損失的綜合?；谶@個想法，高巖構建了狀態(tài)空間形式的熱橋動態(tài)附加熱損失模型，然后進行減秩。結果表明熱橋附加熱損失減秩模型能夠動態(tài)計算熱橋附加熱損失，并且此模型容易實現(xiàn)程序植入。Gao等[19]也基于類似方法，對窗墻結構熱橋的傳熱進行分析，減秩后的模型計算結果與未減秩模型的計算結果吻合得很好。

2.4 反應系數(shù)法和傳遞函數(shù)法

反應系數(shù)法和傳遞函數(shù)法能夠描述墻體對室外溫度擾量的動態(tài)響應過程，不要求周期性邊界條件，適用于任意擾量。

Kossecka 和Kosny[20]利用有限差分法計算熱橋的反應系數(shù)。2007 年[21]，他們利用反應系數(shù)來求得三維熱傳導z 傳遞函數(shù)系數(shù)，并且誤差很小。Ascione 等[22]應用Seem[23]的傳熱傳遞函數(shù)狀態(tài)空間表示法來求解多維傳熱傳遞函數(shù)，通過與有限體積方法進行模擬對比，簡化傳熱傳遞函數(shù)的精確度令人滿意。

運用反應系數(shù)法、傳遞函數(shù)法運用到能耗模擬軟件時可能需要修改源代碼，存在一定的技術難度。同時一般的房間有許多個熱橋，意味著這種方法需要計算大量的反應系數(shù)，需要較長的運算時間和較大的計算能力[24]。

2.5 數(shù)值計算方法

數(shù)值計算法原理是利用空間與時間區(qū)域內有限個離散點上的溫度近似值代替原來是連續(xù)分布的溫度場，按照一定方式建立起來關于這些節(jié)點溫度變量的代數(shù)方程（離散方程）并求解之，得到溫度場的近似值。常用求解導熱問題的數(shù)值解法包括有限差分法、有限元法和有限體積法。

數(shù)值方法的優(yōu)點在于它可以處理動態(tài)多維傳熱情況，并且精度很高。其缺點在于，需要劃分過多節(jié)點，需要求出每一個時間步長的整個空間溫度分布。因此數(shù)值方法直接用到負荷計算和建筑能源分析中，需要大量的計算時間和資源，但是精確分析某個熱橋部位的傳熱情況是合適的[24]。

隨著計算機技術迅速的發(fā)展，各國公司以及研究機構基于數(shù)值的計算方法開發(fā)了許多穩(wěn)態(tài)分析熱橋傳熱問題的模擬軟件。比如，美國勞倫斯伯克利實驗室開發(fā)的THERM[25]軟件以及有限元分析軟件公司ANSYS 開發(fā)的通用ANSYS 軟件包等。

3 熱橋檢測與傳熱實驗方法

熱橋傳熱計算方法需要了解建筑圍護結構的內部結構，材料物性以及可能隨時間惡化的性質，這讓計算方法在使用上有一定局限性。因此，學者們開始利用一些儀器或裝置，配合后續(xù)處理，在不了解墻體內部構造以及材料的物性參數(shù)的情況下，來檢測出圍護結構中的熱橋部位，研究熱橋影響以及傳熱特性。常用儀器或裝置及其功能見表1，其中，紅外熱成像技術因其非破壞性，多點測量，快速測量，直觀反映溫度分布等特點，近年來廣泛應用在熱橋傳熱研究中。

表1 熱橋研究常用儀器或裝置

1）熱橋現(xiàn)場檢測。熱橋部位的內表面溫度，受到施工技術的影響，可能與設計階段的計算值存在偏差，進而導致結露風險點被忽略。對建筑進行節(jié)能改造的過程中，難以得知圍護結構熱性能現(xiàn)狀，無法針對現(xiàn)有建筑進行模擬得出有效的節(jié)能改造策略?；谇笆鲈?，熱橋的現(xiàn)場檢測是有必要的。當前熱橋的現(xiàn)場檢測主要是依靠紅外熱成像技術（ITT）來實現(xiàn)。利用ITT可以在圍護結構表面展現(xiàn)溫度分布圖，直觀反映熱損失嚴重的部位或者結露風險點。比如，Ocana等[26]在西班牙對住宅建筑進行熱成像測量，用于檢測其圍護結構上的熱損失點。

2）熱橋影響及熱橋效應研究。Zalewski 等人[27]在熱箱中進行了穩(wěn)態(tài)實驗以研究由鋼框架熱橋的影響。Asdrubali 等[28]運用ITT，獲得熱橋部位單一像素的溫度值并加以后續(xù)分析，然后計算得到表示傳熱系數(shù)增量的熱橋影響因子Itb，以反映熱橋帶來的影響。K.Martin 等[29]則在熱箱裝置中分別進行了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)實驗，利用熱通量計測量帶柱墻體熱橋部位熱流，并與無柱墻體測量結果比較，進而獲得其動態(tài)熱效應。Prada等[30]也通過實驗比較墻角處的熱響應與平壁處的熱響應來獲得熱橋動態(tài)熱效應。

3）利用ITT 計算熱流密度和傳熱系數(shù)。ITT 近年來廣泛應用在熱橋傳熱研究中。K.E.A.Ohlsson 等[31]利用ITT 同時測量墻體表面溫度，周圍輻射溫度以及空氣溫度，進而計算建筑圍護結構表面的熱流密度q。Tejedor 等[32]利用ITT 現(xiàn)場獲得單葉墻體和多葉墻體的U 值。與實際值相比，偏差僅有1～4%，并且運用此方法只需要2～3 h，大大提升效率。O’Grady 等進行多項研究將ITT 用于量化Ψ 值。他們僅用紅外熱成儀估計熱橋附加熱流量qtb以及Ψ 值[33]。隨后他們還考慮在不同風速條件下[34]以及考慮窗-框-墻節(jié)點中多個熱橋的相互作用下[35]對Ψ 值的影響。

4）提高ITT 測量精度的研究。為了降低檢測的人為主觀性以及增強檢測的精確度，I.Garrido 等[36]開發(fā)了紅外熱成像檢測的自動化程序。結合熱圖像校正方法，該程序使得熱橋檢測的準確性提高了15%。Baldinell 等[37]開發(fā)了一種數(shù)學算法以提高紅外熱成像分辨率，進而提高能夠評估能量損失的熱橋影響因子的計算精確度。Tejedor 等[38]研究了操作環(huán)境（內外環(huán)境溫度差）以及熱物性（墻體比熱容）對使用紅外熱成像技術現(xiàn)場測定U 值的影響，提出相應的實驗設置建議。Lehman 等[39]通過瞬態(tài)模擬量化氣候條件對使用ITT 測量外墻表面溫度分布的影響，并提出提高ITT使用精度的建議。

4 新技術應用對建筑熱橋的影響

現(xiàn)代建筑在經(jīng)濟性，外觀以及能源利用上有更多的要求，一些新技術也開始應用在建筑中，這些技術的應用一定程度上會對建筑熱橋產(chǎn)生影響。

超高性能混凝土（UHPC）是一種新型水泥基材料，其抗壓強度高于150 MPa，約為傳統(tǒng)混凝土的三倍，同時還具有相當優(yōu)異的韌性和耐久性能，而自重僅為傳統(tǒng)混凝土的1/3 或1/2，國外工程中已經(jīng)成功將UHPC 應用于建筑的樓梯和陽臺中[40]。由于其優(yōu)異性能，在相同跨度下，這些部件的厚度要比傳統(tǒng)陽臺要薄，意味著此處熱橋部位截面積將會減少。因此UHPC的使用一定程度上可以降低熱橋影響。

響應國家提出在“十三五”期間大力發(fā)展裝配式建筑的號召，裝配式建筑在近年來發(fā)展得十分迅速。與傳統(tǒng)建筑相比，裝配式建筑的圍護結構為工廠預制，且設置了保溫層。這樣使得熱橋部位更加集中于混凝土后澆帶或者預制板連接處。同時為了追求室內大開間布局，外部剪力墻內部框架結構的結構形式的應用也被提出，這樣使得熱橋部位從內部集中往外墻移動，直接暴露于外部環(huán)境，可能使得建筑能耗進一步增加。一些預制構件，如陽臺板、空調板、飄窗、樓梯、外墻裝飾板等，需要固定在墻體上，支撐這些構件的金屬支撐體系不可避免的穿透外墻的保溫層，形成熱橋，并且該處難以進行斷熱處理。

研究表明，對于圍護結構的T 型和L 型節(jié)點，外保溫系統(tǒng)在保溫性能以及防結露效果上要優(yōu)于內保溫和墻體夾心保溫系統(tǒng)[41]。但是對于高層建筑，在惡劣天氣中，外保溫系統(tǒng)存在著脫落的風險，破損處將會產(chǎn)生熱橋導致熱量的額外損失。破損后的保溫系統(tǒng)難以進行維修，只能任由破損處繼續(xù)惡化。因此設計時需要多種保溫體系相互配合，加以適當?shù)臒針驍酂?，以改善熱橋效應?/p>

太陽能集熱，蓄熱和光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國嚴寒地區(qū)農村區(qū)域有著廣闊的發(fā)展前景和應用價值[42-43]。安裝太陽能系統(tǒng)部件時，需要將其固定在圍護結構上，這樣金屬固定件就不可避免的局部穿透圍護結構，產(chǎn)生熱橋引起額外熱損失。

總的來說，一些新技術的應用可能會導致熱橋部位數(shù)量增多，使得結構細節(jié)更加復雜。這種情況下，標準規(guī)范的熱橋核算方法會與實際情況有很大的誤差，同時使得熱橋傳熱計算的建模更加困難和復雜。因此要更好的研究熱橋傳熱，需要將計算方法，檢測和實驗方法相結合起來。

5 熱橋改善方法

研究熱橋傳熱，一個目的是前面所述為了精確計算傳熱量，另一目的是為了降低熱橋傳熱能力改善熱橋，降低能耗。熱橋的起因是圍護結構元件的幾何尺寸或者材料熱物性的連續(xù)性遭到破壞，改善熱橋可以先從改善連續(xù)性入手，再加以其他措施。詳細的說，設計時盡量避免幾何尺寸有太大的突變，避免保溫層發(fā)生中斷，在保證力學性能的前提下減少墻體內部的固件。如果難以保證幾何尺寸和材料的連續(xù)性，可以試圖選用低熱導率的材料構建墻體，或者對熱橋部位進行斷熱處理。

比如Goulouti 等[13]用有更低Ψ 值的芳綸玻璃纖維增強聚合物（AFRP）代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋，同時在混凝土板間加入不受力斷熱材料——裝在一個環(huán)六角形盒子里的氣凝膠顆粒。Sofia Real 等[14]提出用輕骨料混凝土代替普通混凝土制成墻體以降低熱橋的影響。Theodosiou 等[44]在固定支架和墻體之間架設斷熱元件以降低通風外墻固定支架熱橋效應。Ben Larbi 等[45]在陽臺支撐鋼梁的端板與支撐樓板之間加設一定厚度的PVC 板，可以同時滿足力學性能要求以及斷熱要求。同時Theodosiou[3]的研究結果也表明，完全外保溫墻體和局部外保溫墻體的熱損失有很大差別，完全外保溫墻體因其保溫層延續(xù)性更佳，熱橋節(jié)點數(shù)量減少，從而通過墻體的熱損失也更小。

6 結束語及待研究內容

建筑熱橋的傳熱研究是建筑節(jié)能和建筑內環(huán)境改善的關鍵之一。本文主要介紹熱橋傳熱研究方法，包括熱橋傳熱計算方法，熱橋檢測方法和傳熱實驗方法。采用不同熱橋傳熱計算方法進行能耗模擬所得的結果與實際存在誤差，要進行精準的能耗分析，就需要合理選用計算方法。檢測或實驗方法無需詳細了解建筑圍護結構的內部結構以及可能隨時間惡化的部件的性質，也不會對結構造成破壞，能夠定量定性研究熱橋，越來越受到青睞，但是需要一定的硬件基礎。新技術的廣泛應用，使得依靠單一方法進行熱橋傳熱的研究可能會有較大誤差，需要將實驗和理論計算方法相結合起來。熱橋效應可通過保證幾何尺寸及材料物性的連續(xù)性，并加以局部斷熱處理或選用低導熱率的材料等措施進行改善。

在現(xiàn)有研究基礎上，仍需要對以下方面對建筑圍護結構熱橋進行研究。

①建筑圍護結構中，部分熱橋可能相鄰較近，需要進行熱橋的影響區(qū)域及熱橋的相互影響的研究。

②進行敏感性分析，以把握主要影響因子，從而在設計階段可以采取更合理的措施改善熱橋。

③建筑能耗模擬結果受到熱橋傳熱計算方法、氣候區(qū)域、建筑類型共同影響。應當針對不同氣候區(qū)域不同建筑類型，作出熱橋傳熱計算方法的應用對比，以根據(jù)實際情況選用合適的方法精確高效地計算建筑能耗。

④結合計算方法與實驗方法研究熱橋傳熱，以應對越來越復雜的建筑圍護結構以及熱橋部位構造帶來的建模困難影響。

⑤實驗精確度影響因素的研究，特別是紅外熱成像技術ITT。