模塊化輕鋼結構超低能耗建筑的熱橋分析

葛釗岐 李祥立

大連理工大學建設工程學部

0 前言

輕鋼結構模塊化建筑是一種新型的建筑結構形式，可以把復雜的系統(tǒng)分解為單一的子系統(tǒng)，便于管理[1]。由于自身體積較小，可隨時移動并拆卸，鋼框架和圍護結構部位都可在工廠預制，只需現(xiàn)場拼接即可，簡化了施工程序，對環(huán)境無污染。近年來，實現(xiàn)這種模塊化輕鋼結構建筑的超低能耗是一個研究熱點，如果突破了兩者技術結合的矛盾點，那么這種建筑是真正意義上的綠色節(jié)能建筑。在推進超低能耗建筑的進程中，圍護結構起著決定性的作用，所以有很多對于圍護結構的傳熱研究[2-6]。

本文將太陽輻射照度、風速等動態(tài)變化因素考慮在內(nèi)，利用ANSYS 有限元軟件進行瞬態(tài)模擬[7]，并以最大化減小熱橋附加耗熱量為計算目標，給出各圍護結構的傳熱系數(shù)在寒冷地區(qū)的合理值。

1 建筑模型信息

如圖1、2 所示，對于單模塊建筑來說，南北外墻設置為3 m×3 m，東西外墻設置為6 m×3 m，為減小外門冷風侵入耗熱量，此模塊建筑單獨設置門斗，兩層門之間的距離為1.5 m，總建筑面積為22.5 m2。表1 為單模塊房屋各圍護結構的具體做法，各個圍護結構的保溫層厚度均選擇下文中最佳的保溫層厚度。需要注意的是，保溫層在鋪設時，一定要進行錯縫搭接，這樣不僅避免了保溫板拼接縫隙大的問題，還可以保證保溫板的縫隙不再貫通，進一步阻止了熱量的傳遞，提高了建筑氣密性的同時，也提高了建筑物的保溫性能。

圖1 單模塊立體圖

圖2 單模塊平面圖

表1 各圍護結構材料構成

對于門窗，外門和內(nèi)門尺寸為0.9 m×2 m；東西窗尺寸為0.76 m×1.4 m，南窗尺寸為1.0 m×1.6 m，窗戶附框均取0.1 m 寬。

2 圍護結構的傳熱模擬

2.1 外墻體龍骨熱橋

為研究不同保溫層厚度下的能耗水平，同時充分考慮熱橋傳熱對外墻能耗影響，本文以應用最多的石墨聚苯板（導熱系數(shù)0.032 W/(m2·K)）為輕鋼結構的外保溫，用ANSYS 有限元瞬態(tài)模擬的方法來計算不同保溫層厚度下的熱橋部位的能耗。

通過數(shù)值模擬得到的外墻熱橋部位全年能耗與保溫層厚度的關系，如圖4 所示：

圖3 外墻傳熱模型

圖4 熱橋附加耗熱量隨著保溫層厚度的變化關系圖像

由圖4 可知輕鋼結構外墻的熱橋附加耗熱量隨保溫層厚度的增加而減小，但隨著厚度的繼續(xù)增加，熱橋附加耗熱量減小的幅度越來越小，當保溫層厚度取0.14m 和無保溫時，此時外墻體的外壁面熱流密度圖像如圖5：

圖5 不同保溫層厚度下的外墻外表面熱流密度

由圖5 可知，當輕鋼結構外墻的保溫層厚度達到0.14 m 左右時，熱橋的全年附加耗熱量已經(jīng)達到了1 kW·h/m2以下，并且由圖3 可知此時外墻外表面的熱流密度相對比較均勻，已經(jīng)基本消除了熱橋效應，繼續(xù)增加保溫層對于熱橋效應的減弱不僅效果很小，而且還會使其成本相應增加，所以本文推薦寒冷地區(qū)裝配式輕鋼結構外墻的傳熱系數(shù)的推薦值為0.152 W/(m2·K)。

2.2 L 型墻體熱橋

輕鋼結構建筑中常見的L 型墻角（圖6），此處為幾何熱橋，并且由于墻角處還存在輕鋼龍骨、自攻釘?shù)蠕摌嫾?，會產(chǎn)生很大的熱橋效應。

圖6 L 型墻體傳熱模型

為了更直觀地比較熱橋部位與正常墻體傳熱的差異，選取外墻內(nèi)表面水平方向為橫坐標，取最左端（本文長度取1 m）為坐標原點位置，內(nèi)表面溫度和熱流密度數(shù)據(jù)為縱坐標，得到整個墻體橫向的熱流密度與溫度曲線，如圖7：

圖7 內(nèi)表面各節(jié)點熱流密度變化曲線

通過數(shù)值模擬得到的L 型墻體的全年熱橋附加能耗與保溫層厚度的關系，如圖8 所示：

圖8 熱橋附加耗熱量隨著保溫層厚度的變化關系圖像

從圖8 中可以看出，對于L 型墻角的熱橋，當外保溫層的厚度取0.14 m 左右時，熱橋效應減小的幅度幾乎為零，這表明繼續(xù)增加外保溫厚度不僅沒能有效地緩解L 型墻角的熱橋效應，更增加了施工難度。此時雖然墻角處的熱橋附加耗熱量單位面積還是很大，但是經(jīng)過前面的計算，此L 型墻角的熱橋影響范圍總長度為0.147 m×2=0.294 m，說明L 型墻體的熱橋面積很小，即使單位面積的熱損失很大，全年經(jīng)過此熱橋部位的能耗在總能耗的占比也是不高的，所以建議裝配式鋼結構的L 型墻體不需加過厚的EPS 保溫層，推薦值為0.14 m。

2.3 屋面龍骨熱橋

通過數(shù)值模擬得到的屋面熱橋（圖9）部位全年能耗與保溫層厚度的關系，如圖10、11 所示：

圖9 屋面?zhèn)鳠崮Ｐ?/p>

圖10 熱橋附加耗熱量隨著保溫層厚度的變化關系圖像

圖11 不同保溫層厚度下的外墻外表面熱流密度

由圖10、11 可知，當輕鋼結構屋面的保溫層厚度達到0.13 m 左右時，熱橋的全年附加耗熱量已經(jīng)達到了1 kW·h/m2以下，并且此時屋頂外表面的熱流密度相對比較均勻，已經(jīng)基本消除了熱橋效應，繼續(xù)增加保溫層對于熱橋效應的減弱已經(jīng)微乎其微，而且還會使其成本相應增加，所以本文推薦寒冷地區(qū)裝配式輕鋼結構屋面的圍護結構傳熱系數(shù)的推薦值為0.143 W/(m2·K)。

2.4 地角龍骨熱橋

基礎上方為輕鋼結構墻體，與其相連的基礎是由鋼插入到混凝土立柱中形成的，由于基礎部位的混凝土導熱系數(shù)和蓄熱性與土壤接近，因此基礎位置的深度對計算結果影響不大，本文取1.5 m，其中鋼構件深度為0.32 m，寬0.24 m，混凝土立柱寬0.3 m，右側為室內(nèi)的地面保溫，室外側取1 m，室內(nèi)取4 m，基礎下方計算域設定為9.5 m，假定基礎內(nèi)并無發(fā)熱體，即無內(nèi)熱源形式，現(xiàn)有兩種地面保溫的方式（圖12、13）：

圖12 地角周邊無保溫

圖13 地角周邊設置保溫

分別對兩種保溫方式的內(nèi)地面進行熱流密度隨距離變化的圖像繪制，可以得到：

從圖14、15 可以看出，如果不對周邊地面進行保溫，在該體系中，正常地面的熱流密度為2.59 W/m2，而鋼結構墻與地面基礎交接的位置，熱流密度最高可達176 W/m2，遠遠高于其他位置的熱流密度，熱橋現(xiàn)象明顯。此時，通過對內(nèi)地面熱橋部位的熱流密度進行積分，得到周邊未設置保溫地面的熱損失是47.36 W，其中，熱橋部位的熱損失為36 W，可以看出，此時熱量大部分都是從墻角的熱橋部位散失的。而對地面周邊進行保溫設置后，正常地面的熱流密度是3.15 W/m2，而鋼結構墻與地面基礎交接的位置，熱流密度最高可達36 W/m2，雖然也高于正常地面的熱流密度值，但是熱橋效果已經(jīng)很好的減小了。此時，通過對內(nèi)地面熱橋部位的熱流密度進行積分，得到周邊設置保溫地面的熱損失是20.07 W，其中，熱橋部位熱損失為8.15 W。

圖14 地角周邊無保溫時熱流密度隨內(nèi)地面距離的變化曲線

圖15 地角周邊有保溫時熱流密度隨內(nèi)地面距離的變化曲線

結果表明，當?shù)孛嬷苓呂丛O置保溫時，鋼結構基礎的熱橋效果很明顯，熱量大多從熱橋處流走，導致熱橋處的熱損失很大，而正常地面的熱流密度相對較低，而當?shù)孛嬷苓呍O置保溫時，雖然會使整個地面抬高224 mm 的距離，但是可以有效的減小熱橋效應，在很大程度上減少了地面的熱損失，所以提倡使用第二種地面保溫的方式。

基于第二種地面保溫的方式，通過數(shù)值模擬得到的地面的熱橋部位全年能耗與保溫層厚度的關系，如圖16 所示：

圖16 基礎熱橋全年附加耗熱量隨保溫層厚度變化

通過對不同厚度保溫層熱橋部位的能耗計算，發(fā)現(xiàn)當保溫層厚度增加到0.1 m 時，繼續(xù)增加保溫層厚度對減緩熱橋效應意義不大，所以推薦寒冷地區(qū)超低能耗裝配式輕鋼結構建筑的地面保溫的傳熱系數(shù)推薦值為0.268 W/(m2·K)，此時整個供暖季通過內(nèi)地角的熱橋部位附加耗熱量為9.806 kW·h/m2。

3 模塊化輕鋼結構建筑能耗計算

3.1 能耗計算理論基礎

能耗計算公式如下：

式中：QH為供暖需求，kW·h；QT為圍護結構傳熱損失，kW·h；QV為通風熱損失（通風設備及氣密性），kW·h；Qi為內(nèi)部得熱（人員設備等），kW·h；QS為太陽輻射得熱，kW·h；

3.2 單模塊房屋的熱橋部位占比分析

各熱橋部位能耗占比分析如表2 所示：

表2 各熱橋部位能耗占比分析

單模塊輕鋼結構房屋的全年總熱橋附加能耗為149.69 kW·h，從表2 中可以看出，在裝配式輕鋼結構各熱橋部位中，L 型墻體單位面積的附加耗熱量最大，為9.38 kW·h/m2，遠超其他部位。而屋面龍骨單位面積的熱橋附加耗熱量為最小為0.996 kW·h/m2。由于主墻體的面積最大，雖然墻體的單位面積附加耗熱量很小，僅為1.03 kW·h/m2，但墻體的總熱橋附加耗熱量比重最大，為34.94%。

3.3 不同數(shù)量的模塊化房屋供暖需求分析

本文裝配式模塊化房屋的尺寸為6 m×3 m，上述計算的建筑是單模塊化建筑，多了一個門斗，總建筑面積為22.5 m2。經(jīng)計算此建筑的年供暖需求為29.487 kW·h/(m2·a)，遠遠高于寒冷地區(qū)超低能耗標準。這是由于單層模塊化建筑的建筑體型系數(shù)過大，通過計算，得到不同模塊數(shù)量建筑的單位建筑面積的年供暖需求如表3 所示：

表3 不同數(shù)量模塊的輕鋼建筑的供暖需求

4 結論

1）為實現(xiàn)寒冷地區(qū)模塊化輕鋼結構建筑的超低能耗，各圍護結構推薦的傳熱系數(shù)分別為外墻傳熱系數(shù)的推薦值為0.152 W/(m2·K)、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)推薦值為0.143 W/(m2·K)，地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)推薦值為0.268 W/(m2·K)。

2）單模塊化輕鋼結構建筑總全年熱橋附加能耗為149.69 kW·h。其中，在裝配式輕鋼結構各部位熱橋中，L 型墻體單位面積的熱橋附加耗熱量最大，為9.38 kW·h/m2，遠超其他部位；屋面龍骨單位面積的熱橋附加耗熱量最小為0.996 kW·h/m2。由于裝配式輕鋼結構中輕鋼龍骨數(shù)目較多這一特點，造成了輕鋼結構建筑比一般的超低能耗建筑的熱橋附加能耗占比大，達到了9.51%。

3）單模塊裝配式輕鋼結構超低能耗建筑的年供暖需求為29.487 kW·h/m2，遠超過寒冷地區(qū)超低能耗建筑的年供暖需求15 kW·h/(m2·a)；不同數(shù)量的模塊拼接在一起時，由于建筑體型系數(shù)的減小，當模塊數(shù)取8時便可達到寒冷地區(qū)超低能耗建筑單位面積的年供暖需求。