預(yù)制輕鋼骨架復(fù)合保溫墻體熱橋傳熱有限元分析

康智強,常志宇,夏曉東,李繼成

(1.沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.沈陽建筑大學建筑與規(guī)劃學院，遼寧 沈陽 110168)

圍護結(jié)構(gòu)中熱流強度顯著增大的部位，被稱為熱橋[1]。熱橋的存在增加了墻體的局部換熱，減小了墻體的平均熱阻[2]，建筑中熱橋主要發(fā)生在外墻轉(zhuǎn)角、墻角、陽臺、柱、梁等部位[3]。室內(nèi)的環(huán)境受到很大影響，比如墻角處容易產(chǎn)生發(fā)霉現(xiàn)象[4-5]。圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度受熱橋影響，在室內(nèi)部位產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，影響室內(nèi)人員居住舒適度[6-7]。熱橋能耗既存在于節(jié)能建筑中，也存在于傳統(tǒng)建筑中，但在節(jié)能建筑中占到的比例更大[8]，節(jié)能性越高的建筑，熱橋部位能耗所占比例就越大[9]。被動式超低能耗建筑的發(fā)展將無熱橋設(shè)計作為重要技術(shù)原則之一[10]，無熱橋的設(shè)計可以最大限度地阻斷墻體中局部節(jié)點的熱流傳遞，是被動式超低能耗建筑設(shè)計中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)[11]。筆者對預(yù)制輕鋼骨架復(fù)合保溫墻體典型熱橋節(jié)點保溫層進行定量數(shù)值模擬，采用Therm軟件模擬分析預(yù)制輕鋼骨架復(fù)合保溫墻體中女兒墻節(jié)點、外墻轉(zhuǎn)角節(jié)點、梁節(jié)點、柱節(jié)點以及外墻勒腳節(jié)點在一定保溫設(shè)置工況下的熱橋傳熱，并計算熱橋系數(shù)。通過對熱橋節(jié)點的計算檢驗預(yù)制輕鋼骨架復(fù)合保溫外墻系統(tǒng)是否滿足無熱橋設(shè)計原則。通過與德國被動房研究所模擬的內(nèi)嵌式熱橋節(jié)點模擬對比，驗證模擬的準確性。

1 預(yù)制輕鋼骨架復(fù)合保溫墻體

1.1 墻體系統(tǒng)基本構(gòu)造

外墻系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示。外墻采用預(yù)制輕鋼骨架復(fù)合保溫體系，預(yù)制墻體輕鋼龍骨采用C90冷彎薄壁型鋼，冷彎薄壁型鋼組合墻體是冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的重要構(gòu)件之一[12]。鍍鋅鋼帶強度等級Q550，厚度0.75 mm。輕鋼龍骨室外側(cè)錨固金屬結(jié)構(gòu)板帶，并通過機械連接式斷熱橋錨栓錨固150 mm厚石墨聚苯保溫板，輕鋼龍骨空格間澆筑90厚A級防火輕混凝土，形成預(yù)制輕鋼輕混凝土墻體，室內(nèi)側(cè)錨固10 mm厚纖維水泥板和12 mm厚石膏板，外墻外側(cè)施以10 mm厚抹面膠漿復(fù)合玻纖網(wǎng)，并做厚抹灰系統(tǒng)，外墻總厚度290 mm，墻體系統(tǒng)構(gòu)造層參數(shù)如表1所示，外墻傳熱系數(shù)為0.179 3 W/(m2·K)。

1.抹面膠漿復(fù)合玻纖網(wǎng);2.石墨聚苯板;3.膠黏劑;4.玻纖水泥板;5.輕質(zhì)混凝土;6.玻纖水泥板;7.石膏板;8.斷熱橋錨栓;9.C型鋼。

表1 墻體構(gòu)造層參數(shù)Table 1Structural layer parameters of wall

1.2 墻體優(yōu)勢

預(yù)制輕鋼骨架復(fù)合保溫墻體的建筑成本低，由于預(yù)制墻板的裝配程度高而且減少了施工周期，墻體傳熱系數(shù)小，節(jié)能效率高，可以滿足人體舒適度要求的優(yōu)點，并且可以廣泛應(yīng)用于多層框架結(jié)構(gòu)建筑。

1.3 建筑無熱橋設(shè)計原則

無熱橋設(shè)計原則強調(diào)建筑物應(yīng)采用保溫性能更高的圍護結(jié)構(gòu)和連續(xù)完整的外保溫系統(tǒng)[13]。無熱橋的設(shè)計理念是熱橋傳熱系數(shù)很小甚至為負數(shù)，當熱橋系數(shù)小于等于0.01 W/(m·K)時，即可滿足無熱橋的設(shè)計原則，熱橋系數(shù)越小則墻體的傳熱效果越好，越節(jié)能。無熱橋設(shè)計時需遵循以下規(guī)則。①避讓規(guī)則：盡量不要有構(gòu)件穿透圍護結(jié)構(gòu)的保溫層。②擊穿規(guī)則：在避免不了穿透圍護結(jié)構(gòu)保溫層時，例如不采暖的地下室墻體，由于結(jié)構(gòu)的支撐需要，穿透了保溫層，就需要在穿透位置選用導(dǎo)熱系數(shù)盡量低的材料，盡量避免使用金屬或常規(guī)的混凝土材料，可以使用可承重的加氣混凝土材料，還可以采用防腐木、發(fā)泡陶瓷等材料。③連接規(guī)則：在轉(zhuǎn)角部位的保溫層連接的厚度應(yīng)該不低于整個建筑主體部位的保溫層厚度。④幾何規(guī)則：兩個構(gòu)件的連接處盡可能采用鈍角連接，這樣可以減少散熱面積[14]。

2 熱橋數(shù)值模擬及計算

采用Therm軟件根據(jù)有限元分析法計算圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)下傳熱，計算所用公式和方法基于歐洲標準(EN IOS 10211)，對圍護結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)設(shè)置、邊界條件的輸入，可準確計算傳熱系數(shù)、溫度分布等結(jié)果[15]。模擬假設(shè)各材料之間接觸無縫隙，忽略各材料接觸時產(chǎn)生的熱阻，認為各處材料同性且均勻，保溫層始終連續(xù)無斷層，墻體鋪設(shè)防火隔離帶，不考慮太陽輻射及其他輻射換熱[16]。

2.1 邊界條件及計算方法

室內(nèi)外溫度的設(shè)置采用國內(nèi)外默認的室內(nèi)為20 ℃，室外為-10 ℃[17]。室內(nèi)外表面空氣熱阻分別為0.11、0.04(m2·K)/W。線性熱橋的計算方法為

(1)

式中：Ψ為線性熱橋系數(shù)，W/(m·K)；L2D為二維傳熱系數(shù)，W/(m·K)；Uj為一維傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；lj為一維傳熱部分長度，m。

墻體熱通量的計算方法為

Φ=U·ΔT·l.

(2)

式中：Φ為熱通量，W/m；U為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；l為墻體長度，m；ΔT為室內(nèi)外溫差，K。

2.2 墻板與柱節(jié)點不同保溫厚度模擬

筆者采用有限元分析法模擬不同保溫層厚度的柱節(jié)點傳熱，計算各厚度下的熱橋系數(shù)。

混凝土柱與外墻接觸使熱量從此部位傳遞增加，是熱橋典型的節(jié)點[18]。圖2為柱節(jié)點的構(gòu)造，外墻保溫層厚度為150 mm，材料為石墨聚苯板，混凝土柱為500 mm×500 mm，其傳熱系數(shù)為1.72 W/(m·K)，外墻外保溫的縫隙為20 mm，采用石墨聚苯板填充，而外墻輕質(zhì)混凝土部位縫隙采用巖棉填充，具有防火作用。

圖2 柱節(jié)點構(gòu)造圖Fig.2Structural drawing of column joint

模擬得到柱節(jié)點不同保溫厚度的溫度如圖3所示。

圖3 柱節(jié)點保溫層不同厚度溫度模擬圖Fig.3Temperature simulation of column joint insulation layer with different thickness

外掛式柱節(jié)點在保溫層厚度分別為50 mm、100 mm、150 mm、200 mm時的節(jié)點二維傳熱系數(shù)L2D分別為0.548 W/(m·K)、0.339 W/(m·K)、0.248 W/(m·K)、0.195 W/(m·K)。

保溫層厚度由50 mm到200 mm的熱橋系數(shù)分別為0.017 3 W/(m·K)、0.007 2 W/(m·K)、0.006 5 W/(m·K)、0.002 W/(m·K)。繪制柱節(jié)點二維傳熱系數(shù)、熱橋系數(shù)曲線如圖4所示。保溫層厚度的增加導(dǎo)致外墻的一維傳熱系數(shù)減小，熱橋節(jié)點的二維傳熱系數(shù)也逐漸減小，隨之熱橋系數(shù)也減小，所以保溫層越厚的節(jié)點，熱橋?qū)鳠岬挠绊懺叫?，但減小的趨勢越來越小，說明一直增加保溫層厚度并不是最合理的方式，因此選擇最優(yōu)的厚度，既能達到經(jīng)濟性要求又能滿足無熱橋設(shè)計成為關(guān)鍵。根據(jù)被動式超低能耗建筑的無熱橋設(shè)計原則，當保溫層厚度增加到75 mm左右，熱橋系數(shù)達到0.01 W/(m·K)，外掛式框架柱熱橋節(jié)點就可達到無熱橋的要求。

圖4 柱節(jié)點傳熱參數(shù)變化曲線Fig.4Curve of heat transfer parameters of column joints

2.3 墻板與梁節(jié)點

外墻與梁接觸會導(dǎo)致熱量傳遞不均勻，形成熱橋。此節(jié)點的熱橋處理至關(guān)重要，圖5為外掛式梁節(jié)點構(gòu)造圖。

圖5 梁節(jié)點構(gòu)造圖Fig.5Structural drawing of beam joint

混凝土梁通過預(yù)埋件外掛與外墻連接，外墻通過斷熱橋錨栓連接，保溫層材料選擇石墨聚苯板，厚150 mm，保溫層部位鋪設(shè)寬300 mm巖棉作為防火隔離帶，保溫層縫隙20 mm，采用石墨聚苯板填充。輕混凝土之間的縫隙采用無保溫砂漿填充，并采用M14預(yù)埋螺母連接件連接，纖維水泥板之間采用彈性密封膠粘連，纖維水泥板與石膏板之間鋪設(shè)防水氣密膜，寬度不小于100 mm。

模擬得到梁節(jié)點溫度如圖6所示。梁節(jié)點的二維傳熱系數(shù)L2D為0.274 W/(m·K)，節(jié)點的最高溫度19.78 ℃，最低溫度-9.8 ℃，根據(jù)式(2)計算后得到的熱通量Φ為8.2 W/m，根據(jù)式(1)計算后得到熱橋系數(shù)0.004 7 W/(m·K)，此時的熱橋系數(shù)值滿足無熱橋的設(shè)計原則。

圖6 梁節(jié)點溫度模擬圖Fig.6Temperature Simulation of beam joints

2.4 外墻轉(zhuǎn)角陰陽角節(jié)點

外墻轉(zhuǎn)角處，內(nèi)墻和外墻接觸傳熱面積不同或因材料不同導(dǎo)致熱量傳遞增加形成熱橋。外墻轉(zhuǎn)角處很容易產(chǎn)生結(jié)露，此部位的保溫層必須連續(xù)。圖7為外墻轉(zhuǎn)角-陰陽角節(jié)點構(gòu)造。外墻外保溫中的縫隙都采用石墨聚苯板材料填充。C型鋼通過螺母連接在輕混凝土中，起到抗沖擊、抗震以及防火等作用。轉(zhuǎn)角點纖維水泥板必須采用彈性密封膠粘連，且混凝土柱與墻板通過角鋼連接。

模擬得外墻轉(zhuǎn)角的溫度(見圖8)，外墻陽角的整體二維傳熱系數(shù)L2D為0.31 W/(m·K)，最高溫度19.69 ℃，最低溫度為-9.9 ℃。計算后的熱通量為9.3 W/m，線性熱橋系數(shù)為-0.057 W/(m·K)。計算得到熱橋系數(shù)為負，證明陽角節(jié)點的傳熱不但不受熱橋影響甚至會比常規(guī)墻體傳熱更好。外墻陰角的二維傳熱系數(shù)L2D為0.132 W/(m·K)，最高溫度為19.9 ℃，最低溫度為-9.79 ℃。外墻陰角的溫度模擬圖，計算后的熱通量為3.95 W/m，線性熱橋系數(shù)為0.023 8 W/(m·K)。熱橋系數(shù)大于0.01 W/(m·K)，則陰角節(jié)點并不滿足無熱橋設(shè)計。

圖7 外墻轉(zhuǎn)角構(gòu)造圖Fig.7Structural drawing of external wall external corner

圖8 外墻轉(zhuǎn)角溫度模擬圖Fig.8Simulation diagram of external wall corner temperature

2.5 外墻勒腳節(jié)點

外墻勒腳熱橋是由于外墻與地梁相接觸，產(chǎn)生傳熱不均的現(xiàn)象，形成熱橋。在勒腳位置，從地基下方向上鋪設(shè)保溫板，鋪設(shè)高度約900 mm，保溫的材料為XPS。墻角處采用斷熱橋錨栓錨固保溫層，地面保溫材料選用XPS，厚度為300 mm，以降低熱橋的影響，外墻勒腳結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 外墻勒腳節(jié)點構(gòu)圖Fig.9Composition of external wall plinth node

模擬得到外墻勒腳溫度如圖10所示。外墻勒腳節(jié)點二維傳熱系數(shù)L2D為0.223 W/(m·K)，最高溫度19.72 ℃，最低溫度為-10.04℃。計算后的熱流量為6.68 W/m，線性熱橋系數(shù)為-0.002 6 W/(m·K)。此時熱橋系數(shù)為負則滿足近零能耗建筑設(shè)計標準的設(shè)計要求。

圖10 外墻勒腳節(jié)點溫度模擬圖Fig.10Simulation diagram of external wall plinth node temperature

2.6 女兒墻節(jié)點

女兒墻熱橋是典型的熱橋之一，屋面外側(cè)墻體的保溫往往容易被忽略，受外界溫度變化影響，室內(nèi)側(cè)溫度降低，容易結(jié)露，故屋面外側(cè)保溫必不可少[19]。圖11為女兒墻結(jié)構(gòu)圖，預(yù)制輕鋼骨架復(fù)合保溫墻體在屋面外側(cè)鋪設(shè)200 mm厚XPS保溫板，采用M12螺栓錨固在輕質(zhì)混凝土側(cè)。所有與室外接觸處都鋪設(shè)保溫板，采用全包裹的形式，保溫層完全包裹女兒墻，突出屋面的部位保溫層必須連續(xù)，鋪設(shè)巖棉作為防火隔離帶。

圖11 女兒墻節(jié)點構(gòu)造Fig.11Joint structure of parapet

模擬得到女兒墻溫度如圖12所示。女兒墻節(jié)點二維傳熱系數(shù)L2D為0.204 W/(m·K)，最高溫度19.68 ℃，最低溫度為-10.0 ℃。計算后的熱流量為6.12 W/m，熱橋系數(shù)為

圖12 女兒墻節(jié)點溫度模擬圖Fig.12Simulation diagram of parapet node temperature

-0.151 W/(m·K)。女兒墻處熱橋最小，此節(jié)點不但滿足無熱橋設(shè)計原則，不但沒有額外熱損失甚至保溫隔熱的效果優(yōu)于常規(guī)墻體。

3 模擬驗證

為證實筆者模擬結(jié)果的準確性，采用Therm模擬內(nèi)嵌式節(jié)點熱橋系數(shù)，與德國被動房研究所采用Flixo所模擬的內(nèi)嵌式節(jié)點熱橋系數(shù)對比。Flixo是瑞士一家公司開發(fā)的熱分析軟件，德國被動房研究所用其研究和計算熱橋[20-24]。選取框架柱節(jié)點作為對象，與外掛式柱節(jié)點不同的是，此節(jié)點柱與外墻的連接方式為內(nèi)嵌式，鋼柱全包裹于墻體內(nèi)，鋼柱周圍包裹著50 mm厚巖棉，保溫層采用石墨聚苯板，厚度200 mm，在防火漿料兩側(cè)鋪設(shè)10 mm厚的osb板。

圖13為Flixo模擬的柱節(jié)點溫度圖，筆者所做模擬與德國被動房研究所采用的邊界條件相同，室內(nèi)外溫度分別為20 ℃、-10 ℃，室內(nèi)外表面空氣熱阻分別為0.11(m2·K)/W和0.04(m2·K)/W。圖14為Therm模擬后的溫度圖。熱橋計算的方式與德國被動房采用的計算方式相同，計算采用式(1)，德國被動房研究所模擬后得到的柱熱橋節(jié)點熱通量為9.7 W/m，計算得到的熱橋系數(shù)為0.028 W/(m·K)。筆者通過模擬得到的柱熱橋節(jié)點熱流量為9.9 W/m，計算得到的熱橋系數(shù)為0.026 W/(m·K)，比對得到誤差7%，證明筆者模擬具有準確性。

圖13 Flixo模擬的柱節(jié)點溫度圖Fig.13Column node temperature diagram simulated by Flixo

圖14 Therm模擬的柱節(jié)點溫度圖Fig.14Column node temperature diagram simulated by Therm

4 結(jié) 論

(1)采用Therm模擬輕鋼骨架復(fù)合保溫墻板外掛式柱熱橋節(jié)點在不同保溫層厚度下的傳熱，計算保溫層厚度50 mm、100 mm、150 mm、200 mm時熱橋系數(shù)分別為0.017 3 W/(m·K)、0.007 2 W/(m·K)、0.006 5 W/(m·K)、0.002 W/(m·K)。隨著保溫層厚度的增加，節(jié)點二維傳熱系數(shù)和熱橋系數(shù)增加的趨勢逐漸減小。

(2)通過模擬預(yù)制輕鋼骨架復(fù)合外保溫墻板中的典型外掛式熱橋節(jié)點，計算保溫層厚度為150 mm時各節(jié)點的二維傳熱系數(shù)和熱橋系數(shù)。計算得到梁節(jié)點熱橋系數(shù)0.004 7 W/(m·K)、柱節(jié)點熱橋系數(shù)0.006 5 W/(m·K)、外墻勒腳熱橋系數(shù)-0.002 6 W/(m·K)、陽角熱橋系數(shù)-0.057 W/(m·K)、陰角熱橋系數(shù)0.023 8 W/(m·K)、女兒墻熱橋系數(shù)-0.151 W/(m·K)。除了陰角節(jié)點都可滿足無熱橋設(shè)計原則，甚至外墻陽角、勒腳和女兒墻的熱橋系數(shù)為負，證明這些節(jié)點的傳熱優(yōu)于常規(guī)墻體。

(3)德國被動房研究所采用的Flixo模擬后計算得到的熱橋系數(shù)為0.028 W/(m·K)，Therm模擬后計算得到熱橋系數(shù)為0.026 W/(m·K)，誤差為7%，驗證了模擬的準確性。