超低能耗建筑系統(tǒng)性熱橋阻斷技術(shù)探討與創(chuàng)新

殷玉兵，方 坤，吳偉田，戚慧卉

（1.中建中原建筑設(shè)計院有限公司，鄭州 450000；2.中國建筑第七工程局有限公司，鄭州 450000）

在全世界應(yīng)對氣候變化，積極推進(jìn)綠色低碳發(fā)展的大背景下，中國制定了2030 年前實現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060 年前實現(xiàn)“碳中和”的發(fā)展目標(biāo)。國家對建筑行業(yè)的節(jié)能低碳提出了更高的要求，制定了一系列規(guī)范和舉措。超低能耗建筑的研究與推廣更加迫在眉睫。超低能耗建筑關(guān)鍵技術(shù)研究與推廣也成為一個熱點。雖然近10 年以來，超低能耗建筑技術(shù)已從探索走向成熟，經(jīng)歷了政策體系、標(biāo)準(zhǔn)體系、技術(shù)體系、產(chǎn)品體系、工藝工法和工程實踐等全方位的發(fā)展，但是在具體工程項目、具體阻斷熱橋技術(shù)等方面還存在很多盲點、技術(shù)難題。目前，大多數(shù)阻斷熱橋技術(shù)的研究放在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱橋方面，對于外部懸挑、凸出部件、設(shè)備基礎(chǔ)等細(xì)部斷橋技術(shù)的研究尚不夠重視。研究這些看似不影響大局的盲點、缺陷從我國這種大規(guī)模建筑量的整體節(jié)能率來看也會對實現(xiàn)建筑碳排放目標(biāo)產(chǎn)生巨大影響。

1 相關(guān)概念

1.1 超低能耗建筑的概念

適應(yīng)氣候特征和場地條件，通過被動式建筑設(shè)計最大幅度降低建筑供暖、空調(diào)、照明需求，通過主動式技術(shù)措施最大幅度提高能源設(shè)備與系統(tǒng)效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒適室內(nèi)環(huán)境，且其室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和能效指標(biāo)，符合國家及地方相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建筑，其建筑能耗水平應(yīng)較現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)降低50%以上[1]。

1.2 熱橋

熱橋是圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱流強度顯著增大的部位[2]。具體指處在外墻和屋面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的鋼筋混凝土或金屬梁、柱、肋等部位。因這些部位傳熱能力強，熱流較密集，內(nèi)表面溫度較低，故稱為熱橋。

1.3 系統(tǒng)性熱橋

系統(tǒng)性熱橋是固定外保溫系統(tǒng)的錨栓、金屬連接件，以及固定各類設(shè)備、下水管的支架等[3]。本文主要研究內(nèi)容是系統(tǒng)性熱橋阻斷技術(shù)的探討與創(chuàng)新。

1.4 系統(tǒng)性熱橋的部位和危害

本文分析研究的系統(tǒng)性熱橋的部位主要是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外部豎向懸挑構(gòu)件、平面外部構(gòu)件和設(shè)備基礎(chǔ)等。外部豎向懸挑構(gòu)件包括玻璃（金屬、石材等）幕墻、外挑鋼結(jié)構(gòu)雨棚、廣告牌、空調(diào)支架、外遮陽、欄桿扶手、管道支架及小型金屬構(gòu)件設(shè)施等；平面外部構(gòu)件和設(shè)備基礎(chǔ)包括屋面（斜屋面）太陽能光伏板、太陽能熱水器、室外中央空調(diào)機(jī)組、風(fēng)機(jī)、廣告牌、擦窗機(jī)軌道及屋面管道等設(shè)備、構(gòu)件。

熱橋除了會造成熱量損失、浪費能源，在嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)，室內(nèi)外溫差大，熱橋部位對應(yīng)的內(nèi)墻面或屋頂內(nèi)表面低于露點溫度時，會形成水蒸氣凝結(jié)在內(nèi)表面，形成結(jié)露。結(jié)露沾染灰塵、吸附有毒氣體，一是墻體或頂棚形成霉斑、滋生細(xì)菌，對人體產(chǎn)生危害；二是會對吊頂或室內(nèi)電氣造成損壞，造成財產(chǎn)損失。熱橋密集、嚴(yán)重的地方甚至?xí)a(chǎn)生淌水，對使用者造成更大的麻煩，嚴(yán)重影響建筑物的使用[4]。

2 超低能耗建筑系統(tǒng)性熱橋阻斷技術(shù)分析

2.1 幕墻

由于玻璃幕墻通常為金屬預(yù)埋件埋設(shè)到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，通過外部金屬構(gòu)件形成骨架，進(jìn)而安裝玻璃形成圍護(hù)結(jié)構(gòu)。石材、鋁板等裝飾性幕墻，同樣也需要金屬預(yù)埋件埋設(shè)到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，外挑金屬受力構(gòu)件從而形成幕墻。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與金屬構(gòu)件之間直接連接，金屬構(gòu)件向外部傳導(dǎo)熱量形成熱橋。

目前，相關(guān)研究技術(shù)改進(jìn)后，玻璃幕墻采用金屬鉚件（預(yù)埋件）鋼板與鋼筋混凝土之間、干掛連接件與鋼板之間、豎龍骨與干掛連接件之間增加高強度隔熱層等措施基本消除熱橋，如圖1 所示。石材（金屬板材）幕墻采用金屬鉚件（預(yù)埋件）鋼板與鋼筋混凝土之間、干掛連接件（彎板）與鋼板之間增加高強度隔熱層等措施基本消除熱橋，如圖2 所示。

圖1 玻璃幕墻阻斷熱橋設(shè)計示意圖

圖2 石材幕墻阻斷熱橋設(shè)計示意圖

存在問題：熱傳導(dǎo)路徑未徹底阻斷。從鋼筋混凝土構(gòu)件，膨脹螺栓（預(yù)埋件拉結(jié)筋），鋼板，干掛連接件，金屬連結(jié)螺栓，豎龍骨到幕墻框或玻璃（金屬、石材等），形成少量熱橋。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)雨棚

鋼結(jié)構(gòu)外挑雨棚阻斷熱橋做法一般有以下2 種。

做法一（普通節(jié)能建筑做法）：外挑鋼梁直接穿過保溫層，鋼梁與預(yù)埋件鋼板直接與結(jié)構(gòu)主體連接，形成熱橋，熱量損失嚴(yán)重，沒有有效阻斷熱橋。此做法優(yōu)點是結(jié)構(gòu)牢靠，施工便捷，如圖3 所示。

圖3 鋼雨棚阻斷熱橋設(shè)計示意圖一

做法二（超低能耗建筑做法）：采用金屬預(yù)埋件，預(yù)埋件加地腳螺栓，地腳螺栓與外接鋼板之間增加高強度保溫材料，鋼板與雨棚鋼梁焊接，如圖4 所示。此做法通過兩層連接鋼板之間增加高強度保溫材料阻斷了主要熱橋，但是存在地腳螺栓這些小構(gòu)件熱橋，依然沒有實現(xiàn)徹底阻斷的目標(biāo)。

圖4 鋼雨棚阻斷熱橋設(shè)計示意圖二

對于類似雨棚、廣告牌、空調(diào)支架和外遮陽設(shè)施等建筑外墻面外挑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件都存在類似問題。

2.3 屋面太陽能板（設(shè)備基礎(chǔ)等）

屋面太陽能板的安裝有多種方案。具體做法在國標(biāo)圖集16J908-5《建筑太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)計與安裝》中有詳細(xì)做法，本文參考該圖集選取平屋面常規(guī)做法增加阻斷熱橋措施進(jìn)行分析如下[5]。

1）預(yù)埋鋼板直接焊接支架。預(yù)埋件直接埋在屋面板中，通過預(yù)埋件鋼板和外部連接鋼板焊接。采取屋面保溫層加厚隔熱措施，如圖5 所示。優(yōu)點是直接連接屋面結(jié)構(gòu)，連接牢固。缺點是金屬支架與預(yù)埋鋼板形成嚴(yán)重?zé)針?，屋面保溫層要加厚，防水層難以處理，造成滲漏隱患。

圖5 屋面太陽能板阻斷熱橋設(shè)計示意圖一

2）金屬預(yù)埋件加地腳螺栓。預(yù)埋件直接埋在屋面板中，通過預(yù)埋件鋼板和外部連接鋼板之間增加高強度保溫層實現(xiàn)阻斷熱橋，如圖6 所示。優(yōu)點是連接比較牢固，比圖1 阻斷了大截面金屬斷面主要熱橋。缺點是存在地腳螺栓熱橋現(xiàn)象，屋面保溫層要加厚，防水層在太陽能板支架結(jié)合處難以處理，造成滲漏隱患。

圖6 屋面太陽能板阻斷熱橋設(shè)計示意圖二

3）屋面鋼筋混凝土基礎(chǔ)上翻。屋面結(jié)構(gòu)板與上翻混凝土基礎(chǔ)為一體，上部預(yù)埋地腳螺栓，混凝土基礎(chǔ)與外部連接鋼板之間增加高強度保溫層阻斷熱橋，如圖7 所示。優(yōu)點是連接牢固，阻斷主要熱橋，防水層可靠。缺點是存在地腳螺栓熱橋現(xiàn)象。

圖7 屋面太陽能板阻斷熱橋設(shè)計示意圖三

4）屋面面層上做基礎(chǔ)支座。在屋面保溫層、防水層、保護(hù)層之上做混凝土支座基礎(chǔ)，通過預(yù)埋件連接太陽能支架等，如圖8 所示。優(yōu)點是基礎(chǔ)與鋼筋混凝土屋面通過屋面保溫層完全阻斷熱橋。缺點是需要大面積高強度保溫層，不能承載大重量設(shè)備，牢固性較差，不能抵抗較大風(fēng)力、地震力等，存在安全隱患。

圖8 屋面太陽能板阻斷熱橋設(shè)計示意圖四

對于屋面上安裝的太陽能光伏板、太陽能熱水器、室外中央空調(diào)機(jī)組、風(fēng)機(jī)、廣告牌和擦窗機(jī)軌道等設(shè)備的安裝做法都有類似情況存在。

2.4 墻身小型金屬支架

建筑外墻常常需要安裝一些小型金屬支架，如外排式雨水管支架、室外應(yīng)急照明燈支座、建筑物質(zhì)量責(zé)任標(biāo)牌、指示牌、扶手及欄桿等。這些金屬支架與墻體連接時，常常采用金屬錨栓、膨脹螺栓等與墻體連接，直接穿透保溫層，形成熱橋。每個連接點熱橋熱量損失雖小，但是數(shù)量龐大，不可忽視[6]。下面就以下3 種做法進(jìn)行分析對比。

1）常規(guī)做法是連接螺栓穿透外墻保溫層，直接破壞保溫層，形成熱橋。

2）國標(biāo)圖集16J908-8《被動式低能耗建筑——嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑》做法，如圖9 所示。不銹鋼掛件與墻體之間增加隔熱墊塊，阻斷了大部分熱橋，仍有螺栓存在熱橋。

圖9 雨水管阻斷熱橋做法一

3）參考《墻材革新與建筑節(jié)能》2016.8 期《被動房外墻外保溫系統(tǒng)節(jié)點處理》中相關(guān)做法，如圖10 所示。該做法采用一種高密度（170 kg/m3）EPS 或PU 保溫塊，解決熱橋問題。其優(yōu)點是徹底阻斷了雨水管支架與外墻墻體之間的熱橋[6]。缺點是雨水管受力依靠夾在外墻保溫層中的高強度保溫塊與外墻保溫層的黏接力，與墻體沒有可靠的連接。如果外墻高度大、遇到大風(fēng)或者雨水管流通不暢造成雨水管重量異常增大，會造成松動或雨水管掉落的情況，留下安全隱患。

圖10 雨水管阻斷熱橋做法二

因此，此種做法雖然有一定的科學(xué)性，目前并未達(dá)到廣泛推廣應(yīng)用。

3 系統(tǒng)性熱橋阻斷熱橋技術(shù)創(chuàng)新

通過對以上系統(tǒng)性熱橋阻斷技術(shù)的分析可知，不管是豎向外挑構(gòu)件還是屋面水平設(shè)備基礎(chǔ)，大部分阻斷技術(shù)都存在不能徹底阻斷熱橋的現(xiàn)象或者存在安全性問題，大部分只是削弱了熱橋而并非阻斷。其熱橋盲點是預(yù)埋件之間的連接螺栓、錨筋等，主要原因為預(yù)埋件是主體結(jié)構(gòu)與外部構(gòu)件受力傳導(dǎo)的關(guān)鍵部件，鋼筋與混凝土、鋼筋與金屬的直接受力傳遞才能保證受力安全。這是一直不能實現(xiàn)突破、徹底阻斷熱橋的主要原因。

那么通過以上分析解決方法有3 種，一是減少連接螺栓、錨筋的數(shù)量，增加隔熱墊塊避免預(yù)埋鋼板與結(jié)構(gòu)主體的直接接觸，更大程度削弱熱橋的存在；二是采用新材料、新技術(shù)改進(jìn)連接螺栓、錨筋的導(dǎo)熱性，如高強塑料或者高強塑料套筒等；三是采用斷熱型錨件，保溫層徹底包裹螺栓、錨筋、預(yù)埋鋼板，阻斷熱橋。

顯然，方法一仍然只是削弱，不能徹底阻斷熱橋。方法二有待進(jìn)一步研究，目前仍不能解決受力安全問題。方法三就是本文要研究的創(chuàng)新型阻斷熱橋錨件，且已獲得專利授權(quán)。

本文通過對預(yù)埋件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，實現(xiàn)了預(yù)埋件與建筑主體結(jié)構(gòu)的徹底分離，徹底阻斷了熱橋，其關(guān)鍵因素是將預(yù)埋鋼筋變成預(yù)埋鋼板加鋼筋，整個預(yù)埋件被保溫材料包裹，既能保證受力安全，又能徹底阻斷熱橋。實現(xiàn)真正意義的阻斷熱橋，同時由于采用高強度玻纖聚氨酯保溫材料，也不會增加預(yù)埋件與結(jié)構(gòu)主體的受力可靠度。此預(yù)埋件為斷橋式預(yù)埋件，如圖11 所示。

圖11 預(yù)埋件阻斷熱橋創(chuàng)新設(shè)計示意圖

圖11 中1，可采用金屬方鋼、圓鋼或者地腳螺栓。

圖11 中2，根據(jù)建筑單體的設(shè)計采用EPS、XPS、巖棉板等保溫材料。

圖11 中3，外部連接件鋼板，根據(jù)外部荷載確定厚度，一般在10~20 mm，與結(jié)構(gòu)主體內(nèi)預(yù)埋件對焊。

圖11 中4，斷橋式預(yù)埋件上層鋼板（厚10~20 mm），與外部連接鋼板焊接。

圖11 中5，高強度玻纖聚氨酯保溫層（最少20 mm），包裹整個斷橋式預(yù)埋件。

圖11 中6，斷橋式預(yù)埋件拉結(jié)筋，根據(jù)外部受力情況確定直徑大?。ㄒ话?0~30 mm），與上下層鋼板穿孔塞焊。

圖11 中7，斷橋式預(yù)埋件下層鋼板（厚10~20 mm），與拉結(jié)筋穿孔塞焊。

圖11 中8，屋面或外墻鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

斷橋式預(yù)埋件可用于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件如幕墻、雨棚、廣告牌、空調(diào)支架和外遮陽設(shè)施等外挑鋼結(jié)構(gòu)的熱橋阻斷，也可用于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平面屋面太陽能光伏板、太陽能熱水器、室外中央空調(diào)機(jī)組、風(fēng)機(jī)、廣告牌和擦窗機(jī)軌道等設(shè)備的安裝，甚至可用于外墻、屋面的欄桿扶手、小型金屬構(gòu)件等處的熱橋阻斷。

根據(jù)斷橋式預(yù)埋件的原理，可根據(jù)實際情況結(jié)合外部構(gòu)件或設(shè)備基礎(chǔ)的受力特點、結(jié)構(gòu)主體材料、厚度等確定具體形狀、尺寸、錨筋數(shù)量等?？梢宰儞Q為類似以下形式預(yù)埋件，如圖12 所示，但是一定要保證預(yù)埋件完全被高強度保溫層包裹，不能存在空隙形成熱橋，否則不能完全阻斷熱橋。

圖12 其他形式預(yù)埋件阻斷熱橋創(chuàng)新設(shè)計示意圖

4 計算機(jī)模擬計算分析

現(xiàn)結(jié)合外墻外掛雨棚的常規(guī)做法、改進(jìn)做法及預(yù)埋件阻斷熱橋創(chuàng)新做法進(jìn)行熱量損失模擬計算分析。3種不同構(gòu)造做法如圖3、圖4、圖11 所示。

圖3，建筑外挑構(gòu)件與主體直接連接，鋼構(gòu)件直接穿透保溫層，形成熱橋，造成大量熱量損失。圖4，采用金屬預(yù)埋件，預(yù)埋件加地腳螺栓，地腳螺栓與外接鋼板之間增加高強度保溫材料，鋼板與雨棚鋼梁焊接。圖11，采用斷橋式預(yù)埋，完全阻斷主體與外掛構(gòu)件熱橋。

通過模擬計算形成對應(yīng)計算結(jié)果：鋼梁直接穿保溫層（圖13（a））、通過鋼板之間增加隔熱墊塊加金屬預(yù)埋件螺栓連接（圖13（b））、采用斷橋式預(yù)埋件連接（圖13（c））。其中計算數(shù)據(jù)選用：主體結(jié)構(gòu)采用100 mm 厚半硬質(zhì)巖（礦）棉板+200 mm 鋼筋混凝土，斷橋式預(yù)埋件保溫采用20 mm 厚高強度玻纖聚氨酯，鋼梁和地腳螺栓采用冷軋型鋼。半硬質(zhì)巖（礦）棉板導(dǎo)熱系數(shù)為0.048 W/（m2·K），高強度玻纖聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)為0.025 W/（m2·K）。

圖13 模擬計算溫度分布圖

通過以上模擬計算分析可以看出，3 種不同構(gòu)造做法情況下，采用斷橋式預(yù)埋件連接的方式熱橋效應(yīng)最小，對主體結(jié)構(gòu)整體保溫性能影響最低，對熱橋的阻斷效應(yīng)最強，見表1。

表1 計算結(jié)果對比表

通過分析可知，看似很細(xì)小的連接螺栓、鉚接鋼筋，其形成的熱橋效應(yīng)、對建筑的熱量損失、內(nèi)表面溫度等的影響也不容忽視。對于我國目前的建筑業(yè)態(tài)來講，外掛玻璃幕墻、鋼雨棚、廣告牌、屋面太陽能及空調(diào)設(shè)備等現(xiàn)象非常普遍，從單體到項目，再到全國巨大的建筑量，積少成多，這個熱量損失，能耗流失將是一個龐大的數(shù)據(jù)，不得不引起人們的重視。尤其是對于超低能耗、近零能耗、零能耗建筑這種節(jié)能要求較高的建筑，更是應(yīng)該精益求精，不能放過任何細(xì)小的漏洞。

5 結(jié)束語

目前，大家對節(jié)能建筑熱阻斷橋技術(shù)的關(guān)注點主要在建筑外維護(hù)的外墻、門窗、屋面、地面和陽臺等大的部位，對于系統(tǒng)性熱橋的阻斷技術(shù)關(guān)注度不高，采取的技術(shù)手段不強。基于受力方面的限制，目前系統(tǒng)性熱橋阻斷方法主要是削弱熱橋，沒有實現(xiàn)真正的阻斷。大多數(shù)研究者只是關(guān)注節(jié)能指標(biāo)達(dá)到超低能耗的總體要求，沒有從全國建筑總量考慮能量的損耗是多么龐大的數(shù)據(jù)，造成巨大的浪費和經(jīng)濟(jì)損失。人們應(yīng)該認(rèn)識到，系統(tǒng)性熱橋的阻斷技術(shù)不僅關(guān)乎節(jié)能率，也是實現(xiàn)超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑的不容忽視的必要手段。因此，系統(tǒng)性熱橋阻斷技術(shù)的研究創(chuàng)新對于提高超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑的節(jié)能效率也起到了非常關(guān)鍵的作用，對我國實現(xiàn)節(jié)能降碳總目標(biāo)作出的貢獻(xiàn)不可小覷。