木結(jié)構(gòu)墻體熱橋效應(yīng)的研究現(xiàn)狀和展望

甘心怡，朱一辛

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

現(xiàn)階段，我國以高昂的能源消耗為代價高速發(fā)展經(jīng)濟，對生態(tài)環(huán)境造成了不可忽視的影響。隨著人們節(jié)約能源、保護環(huán)境的意識增強和現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑理論與實踐的發(fā)展，節(jié)能保溫、健康舒適的木結(jié)構(gòu)建筑得到人們的關(guān)注。我國的建筑行業(yè)能耗高且耗材量大，減少建筑能耗、發(fā)展低碳建筑，是我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的必由之路，同時為木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展提供了歷史機遇。在建筑總能耗中，大部分是由圍護結(jié)構(gòu)直接或間接引起的。建筑圍護結(jié)構(gòu)是分隔空間、抵擋外界不良環(huán)境的構(gòu)件，主要包含墻體、門窗、屋面等，通常具有保溫隔熱、防水防潮的作用。在住宅建筑中，墻體面積通常占全部維護結(jié)構(gòu)的60%以上，而熱流損失占維護結(jié)構(gòu)總能耗的60%～70%[1]。因此，研究木結(jié)構(gòu)墻體的熱工性能對減少木結(jié)構(gòu)建筑能耗具有重要意義。本文圍繞建筑熱橋展開概述，從數(shù)值模擬的方法和實驗與模擬結(jié)合的方法總結(jié)國內(nèi)外建筑熱橋的研究現(xiàn)狀，并對木結(jié)構(gòu)墻體熱橋效應(yīng)的研究進行分析和展望。

1 建筑熱橋概述

1.1 建筑熱橋定義

熱橋即傳導(dǎo)熱流的橋梁，是建筑中墻體等圍護結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土或金屬梁、柱、肋等部位。由于鋼筋混凝土或金屬等材料熱傳導(dǎo)性好，這些熱橋部位的傳熱能力比主墻體強，熱流密度大，在室內(nèi)外溫差的影響下，墻體易受熱不均，造成熱量損失。國際上定義熱橋是圍護結(jié)構(gòu)的全部或部分被不同熱工性能的材料貫穿，構(gòu)件或保溫材料厚度發(fā)生變化，或結(jié)構(gòu)內(nèi)外面積不同造成熱量損失，如墻體、地板的連接部位，滿足三者其一即為熱橋[2]。

熱橋可分為多種類型，根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)的位置和結(jié)構(gòu)特點，分為墻體、梁、柱、屋頂、陽臺熱橋等八類，現(xiàn)代建筑形式與結(jié)構(gòu)的多樣化也會帶來新的熱橋部位出現(xiàn)。各熱橋的位置區(qū)域如圖1所示。

圖1 常見熱橋結(jié)構(gòu)

1.2 建筑熱橋影響

熱橋的存在給建筑帶來的危害是非常大的，主要表現(xiàn)在三個方面。第一，熱橋的存在使墻體局部傳熱量增大，墻體的平均熱阻減小，導(dǎo)致保溫性能下降。第二，熱橋部位熱流密集，是墻體保溫的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是到了寒冬時節(jié)，墻體內(nèi)表面溫度若降低至露點溫度以下，水蒸氣易在表面發(fā)生凝結(jié)，從而產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，甚至?xí)乖搮^(qū)域長菌、發(fā)黑、霉變等，墻體結(jié)構(gòu)被破壞，室內(nèi)空氣變得潮濕，嚴(yán)重影響人體居住舒適度和建筑安全性。第三，墻體熱橋部位在溫度和濕度的共同影響下，濕傳遞和熱傳遞均被加強，兩者相互作用，增大了建筑能耗[3]。

2 國外建筑熱橋研究現(xiàn)狀

國外在建筑熱橋研究方面較為成熟，早在20世紀(jì)50年代就開始了相關(guān)研究，目前國外主要采用數(shù)值模擬的方法和實驗與模擬相結(jié)合的方法研究熱橋，國外學(xué)者的研究多集中于研究改進計算和建模方法，減小評估和預(yù)測熱橋影響誤差等方面。

2.1 數(shù)值模擬研究

目前對于熱橋問題的數(shù)值計算方法主要有三種，分別是有限差分法、有限元法和控制體積法，隨著計算機科學(xué)與技術(shù)的進步，各國公司及研究機構(gòu)相繼基于數(shù)值計算方法編制了相關(guān)模擬計算和分析軟件。

2.1.1 數(shù)值計算方法

有限差分法和有限元法常用于熱反應(yīng)系數(shù)的求解。2002年，Kossecka等[4]用有限差分法求解熱橋的反應(yīng)系數(shù)。另一方面，1996年，Huang et al等[5]用有限元法計算了鋼結(jié)構(gòu)墻體截面和熱橋的反應(yīng)系數(shù)。此外，1997年，Guofeng Mao等[6]利用有限元分析法和節(jié)點熱平衡法計算了熱橋內(nèi)表面溫度與熱流量分布。2008年，Wrobel等[7]在紅外熱成像技術(shù)的輔助下用有限元法研究了結(jié)構(gòu)性熱橋。2018年，Stefano Bergero等[8]利用二維有限元分析法和專業(yè)軟件分別計算了熱橋的線性透射率，并得出有限元數(shù)值分析法計算熱橋能耗更為精確的結(jié)論。

控制體積法也是一種常用的數(shù)值計算方法。2003年，Al-Sanea[9]輔助以TEACH-C計算機程序?qū)τ邢摅w積方程進行求解，把結(jié)果進行對比驗證了數(shù)值模型的有效性和精確度。2013年，Ascione等[10]應(yīng)用Seem的傳熱傳遞函數(shù)狀態(tài)空間表示法求解熱橋傳熱傳遞函數(shù)，并與有限體積方法進行模擬比較驗證了準(zhǔn)確性。

2.1.2 數(shù)值模擬軟件

ANSYS、Comsol是基于有限元分析法的數(shù)值模擬軟件，F(xiàn)LUENT是基于控制體積法的模擬分析軟件，Heat 2和Heat 3分別是二維和三維的動態(tài)熱橋模擬軟件，THERM是一款開源傳熱軟件，其應(yīng)用廣泛，功能強大，可用于圍護結(jié)構(gòu)傳熱分析，此外還有WUFI、Energy plus、Flixo、HTflux等軟件也常用于求解建筑熱橋傳熱系數(shù)。

2011年，F(xiàn)rancesca Cappelkti等[11]利用THERM 5.2軟件計算了窗的線性傳熱系數(shù)，評估了窗熱橋的熱損失。2013年，Adriano Pinto Gomes等[12]利用Energy plus軟件研究了圍護結(jié)構(gòu)熱橋?qū)ㄖ芎牡挠绊憽?014年，Mohamad Ibrahim等[13]利用MATLAB和Energy plus軟件研究了窗熱橋能耗，并得出結(jié)論絕緣涂料可以減少熱橋能耗，同年，Enrico de Angelis等[14]使用Therm軟件與WUFI軟件分析了不同情況下的熱橋，從而使評估平均傳熱系數(shù)更容易。2015年，Sierra F等[15]利用HEAT2D軟件計算了窗-外墻之間的熱橋能耗，并發(fā)現(xiàn)窗的傳熱系數(shù)越大越易表面凝結(jié)和生長霉菌。

木結(jié)構(gòu)建筑熱橋的研究與鋼筋混凝土建筑類似。2015年，H.Viot[16]用動態(tài)模擬的方法對比分析了不同熱橋計算方法，研究了輕型木結(jié)構(gòu)建筑中龍骨處的熱橋，同年，Jenni Pusila[17]用Flixo軟件模擬研究了CLT中的熱橋，并得出結(jié)論CLT在平面表面與墻體連接處的熱量損失低于混凝土建筑，Ligia Moga[18]則使用了PSIPLAN計算機程序分析了輕型木結(jié)構(gòu)墻體含有外保溫條件下的熱橋情況，并驗證了軟件的準(zhǔn)確性。

2.2 實驗與模擬相結(jié)合

用定性的分析方法解決熱橋傳熱計算問題具有一定的局限性，無法清楚地反映熱橋處空氣滲透、潮濕發(fā)霉等問題。實驗研究方法是一種重要的研究熱橋特征的方法，可以驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，常用的實驗研究熱橋問題方式主要有現(xiàn)場檢測實驗和物理建模實驗研究兩種。

2.2.1 現(xiàn)場檢測實驗

1997年，WcGowon A G等通過現(xiàn)場檢測法對墻體兩處熱橋部位進行分析計算，得出墻體連接處傳熱量約為墻體中部1.5倍的結(jié)論。2007年，Lee BC等[19]通過現(xiàn)場檢測的方法研究自保溫墻體的L型、T型熱橋，同時基于Fluent軟件模擬分析，得出該兩處熱橋部位發(fā)生熱損失可能性大于其他部位的結(jié)論。2012年，Thomas Haavi等[20]使用熱箱測量與數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究了三種不同龍骨形式木結(jié)構(gòu)墻體的熱性能。現(xiàn)場檢測實驗研究雖可彌補定性分析熱橋方法的不足，但最大的問題在于無法控制室外環(huán)境條件。

2.2.2 物理建模實驗

2012年，F(xiàn)rancesco Asdrubali等[21]用實驗和數(shù)值分析結(jié)合的方法計算了不同類型熱橋的能耗，得出結(jié)論熱橋效應(yīng)可以通過墻壁傳熱系數(shù)的增長率衡量。2018年，Joana Prata[22]建立邊界元模型來研究正交膠合木建筑墻體轉(zhuǎn)角處的線性熱橋動態(tài)熱損失，并通過實驗驗證，發(fā)現(xiàn)實驗與模擬結(jié)果相符合。2019年，Seong Jin Chang[23]用實驗與模擬結(jié)合的方法研究了以韓國國產(chǎn)膠合板作為正交膠合木芯材的墻體傳熱，得出結(jié)論正交膠合木墻體的熱橋效應(yīng)要弱于木框架墻體。而物理建模實驗研究的局限性在于難以對建筑整體進行熱工性能研究，通常只能針對局部熱橋?qū)嶒灐?/p>

上述國外研究案例表明，在研究方法上，數(shù)值模擬研究常用在研究熱橋傳熱細節(jié)方面，需要對建筑的結(jié)構(gòu)及材料充分了解，缺點在于計算時間長，實驗與模擬相結(jié)合的研究方法則可進行比較驗證，更能體現(xiàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，便于反映多種因素對熱橋的影響程度，以解決實際工程中的熱橋問題。

3 國內(nèi)建筑熱橋研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于建筑熱橋的研究開始較晚，目前的很多研究都借鑒了國外的成果，相對來說，當(dāng)前國內(nèi)學(xué)者主要結(jié)合我國的具體情況需要，著重研究熱橋?qū)ㄖ芎牡挠绊懞透倪M熱橋降低能耗等方面。國內(nèi)對建筑熱橋的研究可分為數(shù)值模擬和實驗研究兩種。

3.1 數(shù)值模擬

為了解決熱橋傳熱問題，我國科研人員相繼編制了熱橋模擬分析程序進行數(shù)值計算。1995年，郭駿等[24]基于二維穩(wěn)態(tài)傳熱理論研發(fā)了我國首個熱橋分析程序TBAP，對建筑墻體等典型熱橋進行了系統(tǒng)的分析。國內(nèi)學(xué)者研究墻體的熱橋效應(yīng)大多采用有限元軟件分析熱橋部位的溫度場及熱橋的影響區(qū)域。1999年，林海燕等[25]用自主研發(fā)的二維穩(wěn)態(tài)傳熱模擬軟件PTDA研究不同結(jié)構(gòu)的墻體，求解出平均傳熱系數(shù)并與試驗結(jié)果對比分析，證明了PTDA數(shù)值分析結(jié)果較為精確，并修正了現(xiàn)行規(guī)范中一維簡化算法的誤差。2005年，郁文紅等[26]用ANSYS軟件分析了我國北方居住建筑節(jié)能改造后的熱橋部位，結(jié)果表明內(nèi)保溫系統(tǒng)的傳熱系數(shù)是外保溫系統(tǒng)的2倍。2007年，南艷麗等[27]用PTemp軟件對自保溫體系典型熱橋進行了穩(wěn)態(tài)分析和試驗測試，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相符。2017年，中國建筑科學(xué)研究院用自主研發(fā)的二維溫度場計算軟件PTemp研究了輕型木結(jié)構(gòu)墻體的熱工性能，得出了不同墻體構(gòu)造的平均傳熱系數(shù)，為輕型木結(jié)構(gòu)建筑的節(jié)能改進提供參考依據(jù)。

在改進熱橋計算方法方面，1996年，楊萬楓等[28]提出了熱場畸變法，該方法以熱橋傳熱理論為依據(jù)，提高了求解熱橋傳熱系數(shù)的速度和精確度，適用于實際工程計算。2008年，謝曉娜等[29]提出了等效平板法，該方法在瞬態(tài)條件下模擬樓地部位的熱橋傳熱，計算準(zhǔn)確高效。2012年，高巖等[30]提出了模型減秩法，建立了熱橋動態(tài)三維模擬的低階模型并與熱模擬軟件耦合，使計算量減小，更加方便快捷。

3.2 實驗研究

1996年，厲風(fēng)卿等[31]用大型標(biāo)定式熱箱對不同熱橋的保溫墻體進行測試和分析，研究了節(jié)能墻體熱橋能耗的影響。2010年，陶然等[32]用熱流計法測量了墻體傳熱系數(shù)，通過穩(wěn)態(tài)模擬溫度場與實驗數(shù)據(jù)對比，研究了墻體構(gòu)造柱的寬度及形狀對墻體熱橋效應(yīng)的影響。2015年，王智等[33]搭建了一座兩層的實驗樓，對浙江地區(qū)5種不同自保溫外墻的T型樓板熱橋進行了熱工測試，發(fā)現(xiàn)采用半包柱的構(gòu)造做法能夠減少熱橋部位的熱量損失。除此之外，紅外熱成像技術(shù)是一種通過紅外輻射原理來檢測物體表面熱輻射的常用技術(shù)，測速快、范圍廣，常用于定量分析和檢測實驗結(jié)果。2018年，沈卉等[34]利用外紅熱像儀對南京一處井干式木結(jié)構(gòu)住宅墻體等熱橋部位進行測試分析，找出了圍護結(jié)構(gòu)中存在的熱量損失部位。

綜合比較，國內(nèi)外對裝配式木結(jié)構(gòu)建筑熱橋效應(yīng)的研究較少，國內(nèi)研究主要針對樓地或單一典型熱橋的數(shù)值分析，實驗與模擬結(jié)合較少，仍未解決熱橋存在形式和表面溫度計算問題。數(shù)值模擬程序動態(tài)計算熱橋耗時長，不能實時計算，紅外熱成像技術(shù)等實驗方法效率雖高但一定程度上缺乏準(zhǔn)確性。國內(nèi)外學(xué)者的研究尚存在一定的局限性，現(xiàn)階段建筑的總能耗依然超出節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，還需要進一步加強理論研究與應(yīng)用實踐。

4 結(jié)論與展望

墻體的連接、復(fù)合、開門窗等構(gòu)造，易形成一個不均勻傳熱體，無法避免會產(chǎn)生熱橋效應(yīng)。木結(jié)構(gòu)墻體的熱橋效應(yīng)與木結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計、建造、檢測、維護密切相關(guān)。我國“十三五”規(guī)劃中明確提出了建筑節(jié)能，開展木結(jié)構(gòu)墻體熱橋效應(yīng)的研究，既關(guān)系到木結(jié)構(gòu)建筑整體的節(jié)能改進，又對全世界范圍內(nèi)發(fā)展綠色建筑具有重要意義。故非常有必要深入研究，尋求方法降低熱橋能耗，保護木結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)安全，提高居住舒適度和使用年限。鑒于此，筆者提出進一步做好木結(jié)構(gòu)墻體熱橋效應(yīng)研究的幾條主要途徑。

(1)國內(nèi)有關(guān)木結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計及施工規(guī)范已經(jīng)確立，但國內(nèi)外關(guān)于木結(jié)構(gòu)建筑熱橋的規(guī)范還不完善，故應(yīng)做好對木結(jié)構(gòu)建筑熱橋規(guī)范的制訂。

(2)理論應(yīng)與實驗相結(jié)合，更為準(zhǔn)確地研究木結(jié)構(gòu)墻體的熱橋效應(yīng)，如采用紅外熱成像技術(shù)定量分析，利用Therm軟件進行二維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，研究井干式木結(jié)構(gòu)建筑墻體的構(gòu)件搭接處與輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體龍骨處的熱橋現(xiàn)象；改變井干式木結(jié)構(gòu)墻體和輕型木結(jié)構(gòu)墻體的模態(tài)參數(shù)，能較為便捷地計算熱橋?qū)w傳熱系數(shù)的修正系數(shù)，傳熱系數(shù)的變化可以較好地反應(yīng)熱橋?qū)w傳熱的影響程度。

(3)考慮多因素條件下木結(jié)構(gòu)墻體熱橋傳熱性能。除了環(huán)境溫度、相對濕度、氣流等因素以外，墻體結(jié)構(gòu)和材料性能也是影響木結(jié)構(gòu)墻體熱橋傳熱特性的主要因素。根據(jù)相關(guān)文獻可知，井干式木結(jié)構(gòu)墻體構(gòu)件搭接處所形成的熱橋?qū)儆谶吘壭詿針?，是一種微觀熱橋，因此在建立其分析模型時，要考慮墻體厚度、墻體材料導(dǎo)熱系數(shù)、企口處密封材料導(dǎo)熱系數(shù)、構(gòu)件間距以及企口形狀這幾個方面；而輕型木結(jié)構(gòu)墻體中龍骨處形成的熱橋?qū)儆谥貜?fù)熱橋，是一種無法避免的熱橋現(xiàn)象，在建立物理模型時，要考慮保溫材料種類、覆面板材料、龍骨數(shù)量等。

(4)研究不同地區(qū)木結(jié)構(gòu)墻體熱橋特性。我國的木結(jié)構(gòu)建筑分布廣泛，從南方森林資源豐富地區(qū)到北方嚴(yán)寒地帶林區(qū)均有分布，由于我國五大氣候區(qū)的建筑熱橋?qū)ㄖ芎牡挠绊懘嬖诓町?，因此?yīng)分區(qū)域?qū)δ窘Y(jié)構(gòu)墻體熱橋效應(yīng)進行研究。