嚴(yán)寒寒冷地區(qū)既有居住建筑超低能耗綠色低碳改造無熱橋節(jié)點(diǎn)研究

【摘要】既有居住建筑的碳排放是建筑領(lǐng)域碳排放的重要構(gòu)成部分，文章針對(duì)既有居住建筑超低能耗綠色低碳化改造中的易產(chǎn)生熱橋部位進(jìn)行無熱橋、氣密性及防火性能的優(yōu)化研究，確定不同部位無熱橋改造技術(shù)；利用有限元計(jì)算各節(jié)點(diǎn)部位線熱橋密度，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)是否滿足無熱橋要求。文章確定了既有居住建筑超低能耗綠色低碳化無熱橋改造技術(shù)，形成了優(yōu)化改造措施，對(duì)超低能耗綠色低碳化改造具有一定的意義。

【關(guān)鍵詞】既有居住建筑；綠色低碳；超低能耗；無熱橋

【中圖分類號(hào)】TU201.5 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）10-0007-05

0 引言

《中國(guó)建筑能耗與碳排放研究報(bào)告（2023年）》顯示，2021年全國(guó)房屋建筑全過程（不含基礎(chǔ)設(shè)施建造）能耗總量為19.1億 tce，占全國(guó)能源消費(fèi)的36.3%。其中，建筑運(yùn)行階段碳排放23.0億 tCO2，占全國(guó)比重的21.6%，占全過程碳排放的56.6%[1]。既有居住建筑的碳排放是建筑領(lǐng)域碳排放的重要構(gòu)成部分，只有精準(zhǔn)識(shí)別碳排放足跡、明確降碳目標(biāo)，才能將既有居住建筑節(jié)能減排落到實(shí)處，提出適宜的綠色低碳改造實(shí)施路徑[2]。在進(jìn)行既有居住建筑超低能耗綠色低碳化改造過程中，不僅要關(guān)注主體部位的改造，還應(yīng)關(guān)注易產(chǎn)生熱橋節(jié)點(diǎn)的部位，確保超低能耗綠色低碳化改造效果[3-4]。

1 既有居住建筑超低能耗綠色低碳無熱橋改造節(jié)點(diǎn)

考慮到需要進(jìn)行綠色低碳改造的既有居住建筑，多數(shù)為2000年前磚混結(jié)構(gòu)，沒有保溫層或保溫脫落、門窗保溫效果差。在既有居住建筑超低能耗綠色低碳改造時(shí)，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)需滿足超低能耗建筑熱工要求，需要增加保溫。與外貼超厚保溫層相比，外墻保溫裝飾一體化板具有自動(dòng)化生產(chǎn)、便捷式安裝、強(qiáng)度高、防火性能好的優(yōu)勢(shì)。因此，可將其應(yīng)用到既有居住建筑超低能耗綠色低碳外圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造中。

保溫裝飾一體化板由飾面層、保溫層、背板層構(gòu)成，如圖1所示。飾面層可選擇真石漆、仿石漆、天然石材等多種形式，保溫層一般采用石墨聚苯板、擠塑板、巖棉等。研究選用仿石漆飾面層、石墨聚苯板220 mm厚組成的保溫裝飾一體化板。

外墻保溫裝飾一體化板在具體應(yīng)用時(shí)，若采用普通的建筑改造做法，外門處、外窗處、陽臺(tái)及空調(diào)板等部位不能滿足超低能耗要求的熱工計(jì)算，為易產(chǎn)生熱橋部位。為了減少熱橋效應(yīng)，改造中應(yīng)避免熱橋的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)無熱橋要求建筑物必須無疏漏地包裹在保溫層里，避免穿透保溫隔熱平面的構(gòu)件，避免結(jié)構(gòu)件外突的建筑部件。因此，對(duì)易產(chǎn)生熱橋部位進(jìn)行無熱橋、氣密性及防火性能優(yōu)化處理研究，并開展無熱橋優(yōu)化分析。

2 既有建筑超低能耗綠色低碳無熱橋改造技術(shù)

2.1 外門無熱橋改造技術(shù)

通過對(duì)既有居住建筑與超低能耗外門連接方式的分析，在普通的連接節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上，形成一種通用型既有居住建筑超低能耗外門改造無熱橋的連接節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

1）節(jié)點(diǎn)無熱橋優(yōu)化。外門與既有外墻采用角鋼外掛式安裝固定，再用A級(jí)保溫條替代原有的保溫砂漿進(jìn)行填充固定，確保門框處的無熱橋優(yōu)化連接。保溫裝飾一體化板與A級(jí)保溫材料、外門及既有外墻進(jìn)行可靠連接。

2）節(jié)點(diǎn)氣密性優(yōu)化。室外側(cè)，在門框外側(cè)、角鋼、既有外墻不同的建材交接部位，粘貼防水透汽膜，防止保溫砂漿中的水蒸氣滲入保溫材料及墻板中；室內(nèi)側(cè)，門框內(nèi)側(cè)與既有外墻板交接處擠壓預(yù)壓密封帶、填充密封膠、粘貼防水隔汽膜阻斷水蒸氣的進(jìn)程。雙層防水膜可以阻斷水蒸氣通過縫隙進(jìn)入既有外墻板中，保證連接部位的氣密性。

3）節(jié)點(diǎn)防火性能優(yōu)化。為了保證超厚保溫層的防火性能，填塞的保溫條選用A級(jí)防火材料，形成防火隔離帶，從而優(yōu)化節(jié)點(diǎn)防火性能，保證建筑整體的防火要求。

2.2 外窗無熱橋改造技術(shù)

通過對(duì)不同的既有外墻洞口與外窗連接節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行對(duì)比分析，綜合考慮既有居住建筑外窗承載能力，形成一種通用型既有建筑外墻與窗戶的連接節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

1）節(jié)點(diǎn)無熱橋優(yōu)化。窗框選擇嵌入式安裝，與既有外墻通過節(jié)能附框連接固定，室外側(cè)再采用A級(jí)保溫條固定。成品窗臺(tái)板通過無熱橋錨栓及硬質(zhì)保溫條與窗框連接，窗臺(tái)板與A級(jí)保溫條間采用保溫砂漿粘貼固定，形成三級(jí)互相關(guān)聯(lián)的無熱橋優(yōu)化連接方式。

2）節(jié)點(diǎn)氣密性優(yōu)化。室外側(cè)，在窗框外側(cè)、墊片、A級(jí)保溫條、保溫砂漿四種不同的建材交接部位，粘貼防水透汽膜，防止保溫砂漿中的水蒸氣滲入保溫材料及墻板中，阻斷水蒸氣的進(jìn)程；室內(nèi)側(cè)，在窗框內(nèi)側(cè)、鋼墊片、膨脹螺栓、飾面層材料四種不同材料交接部位，粘貼防水隔汽膜，防止飾面層材料及空氣中的水分滲入墻板中，阻斷水蒸氣的進(jìn)程。雙層防水膜阻斷水蒸氣通過不同材料連接部位的縫隙進(jìn)入墻板中，保證了窗框與既有外墻板連接部位的氣密性。

3）節(jié)點(diǎn)防火性能優(yōu)化。連接處填塞的保溫條選用A級(jí)防火材料。

2.3 陽臺(tái)處無熱橋改造技術(shù)

針對(duì)無熱橋處理難點(diǎn)，對(duì)陽臺(tái)處連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化做法見圖4。

1）節(jié)點(diǎn)無熱橋優(yōu)化。將陽臺(tái)作為采暖空間考慮時(shí)，陽臺(tái)外墻板可作為建筑的外圍護(hù)墻板，保溫厚度與建筑主體部位一致，能夠滿足建筑節(jié)點(diǎn)無熱橋的要求。建筑主體墻板保溫層厚度相應(yīng)降低，保溫厚度選擇60～100 mm，滿足普通節(jié)能要求即可，陽臺(tái)頂板下部噴涂60 mm的無機(jī)保溫材料。將陽臺(tái)作為非采暖空間考慮時(shí)，建筑主體墻板為建筑的外圍護(hù)墻板，陽臺(tái)外墻板保溫厚度選擇60～100 mm，滿足基本的無熱橋要求即可，陽臺(tái)頂板下部噴涂相同厚度的無機(jī)保溫材料，保證陽臺(tái)部位的無熱橋連接。

2）節(jié)點(diǎn)氣密性優(yōu)化。將陽臺(tái)作為采暖空間考慮時(shí)，在陽臺(tái)板墻板與樓板側(cè)、陽臺(tái)樓板與主體墻板側(cè)填補(bǔ)建筑密封膠、粘貼防水隔汽膜，形成氣密層。將陽臺(tái)作為非采暖空間考慮時(shí)，陽臺(tái)墻板與陽臺(tái)樓板交接處填補(bǔ)建筑密封膠，陽臺(tái)樓板與主體墻板連接處的室外側(cè)，填補(bǔ)建筑密封膠、粘貼防水透汽膜，形成氣密層，保證節(jié)點(diǎn)的防水及氣密性。

3）節(jié)點(diǎn)防火性能優(yōu)化。連接處填塞的保溫條選用A級(jí)防火材料，陽臺(tái)樓板噴涂無機(jī)防火保溫材料。

2.4 空調(diào)板處無熱橋改造技術(shù)

針對(duì)無熱橋處理難點(diǎn)，對(duì)空調(diào)板處連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化做法見圖5。

1）節(jié)點(diǎn)無熱橋優(yōu)化?？照{(diào)板全包保溫時(shí)，保溫層厚度不小于60 mm，滿足無熱橋要求；空調(diào)板斷熱橋連接時(shí)，將斷熱橋構(gòu)件既有建筑外墻連接，再安裝空調(diào)板，為了保證空調(diào)板連接部位的保溫連續(xù)性，建議空調(diào)板上下兩側(cè)粘貼30 mm厚的保溫材料。

2）節(jié)點(diǎn)氣密性優(yōu)化。兩種連接方式在氣密性優(yōu)化做法上比較相似，室內(nèi)側(cè)、室外側(cè)空調(diào)板與既有外墻交接處采用建筑密封膠密封，粘貼防水隔汽膜，形成兩層專用氣密層，保證空調(diào)板處的防水及氣密性。

3）節(jié)點(diǎn)防火性能優(yōu)化。空調(diào)板安裝時(shí)，板表面包覆的保溫材料選用A級(jí)防火材料。

3 既有建筑超低能耗綠色低碳無熱橋節(jié)點(diǎn)優(yōu)化驗(yàn)證

根據(jù)外門、外窗、陽臺(tái)、空調(diào)板等部位的尺寸，結(jié)合優(yōu)化后的連接節(jié)點(diǎn)形式，建立三維模擬模型，根據(jù)DB13（J）/T 436—2021《既有建筑超低能耗節(jié)能改造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，室內(nèi)溫度設(shè)置為20 ℃ ，室外溫度設(shè)置為-10 ℃ ，開展溫度及熱流密度的模擬分析。

3.1 外門處無熱橋處優(yōu)化驗(yàn)證

根據(jù)外門連接的尺寸，結(jié)合既有外墻與外門連接優(yōu)化節(jié)點(diǎn)形式，利用有限元模擬軟件建立連接節(jié)點(diǎn)的三維模型，溫度及熱流密度分布模擬結(jié)果如圖6所示。

由于門洞口處為不可避免熱橋處，因此在模擬計(jì)算時(shí)重點(diǎn)考慮墻板與門框交接部位的溫度分布及熱流密度情況。根據(jù)溫度場(chǎng)與熱流密度的模擬結(jié)果，室內(nèi)側(cè)墻板表面溫度分布均勻，溫度為17.38～19.49 ℃ 。既有外墻與門框連接部位沒有明顯的溫度不均勻現(xiàn)象，熱流分布集中在既有外墻板與門框交接部位。該部位墻板處流出的最大熱流密度為27.81 W/m2，最大熱流密度與主斷面熱流密度相近，門框處無明顯的熱流不均勻現(xiàn)象出現(xiàn)。因此認(rèn)為優(yōu)化后的外門外掛式通用型安裝節(jié)點(diǎn)滿足超低能耗無熱橋要求。

3.2 外窗處無熱橋處優(yōu)化驗(yàn)證

根據(jù)外窗連接的尺寸，結(jié)合既有外墻與外窗連接優(yōu)化節(jié)點(diǎn)形式，利用有限元模擬軟件建立該連接節(jié)點(diǎn)的三維模型，溫度及熱流密度分布模擬結(jié)果如圖7所示。

由于窗洞口處為不可避免熱橋處，因此在模擬計(jì)算時(shí)重點(diǎn)考慮墻板與窗框交接部位的溫度分布及熱流密度情況。根據(jù)溫度場(chǎng)與熱流密度的模擬結(jié)果，室內(nèi)側(cè)墻板表面溫度分布均勻，溫度為17.39～19.50 ℃ 。既有外墻與窗框連接部位沒有明顯的溫度不均勻現(xiàn)象，熱流分布集中在既有外墻與窗框交接部位。該部位墻板處流出的最大熱流密度為15.01 W/m2，最大熱流密度與主斷面熱流密度相近，窗框處流出的最大熱流密度為29.92 W/m2，該部位無明顯的熱流不均勻現(xiàn)象出現(xiàn)。因此優(yōu)化后的外窗嵌入式通用型安裝節(jié)點(diǎn)滿足超低能耗無熱橋要求。

3.3 陽臺(tái)處無熱橋處優(yōu)化驗(yàn)證

根據(jù)陽臺(tái)板連接的尺寸，結(jié)合既有外墻與陽臺(tái)連接優(yōu)化節(jié)點(diǎn)形式，利用有限元模擬軟件建立該連接節(jié)點(diǎn)的三維模型，溫度及熱流密度分布模擬結(jié)果如圖8、圖9所示。

根據(jù)溫度場(chǎng)與熱流密度的模擬結(jié)果，室內(nèi)側(cè)墻板表面溫度分布均勻，將陽臺(tái)視為采暖空間時(shí)溫度為17.86～20.00 ℃ ，視為非采暖空間時(shí)溫度為17.86～19.98 ℃，預(yù)陽臺(tái)板部位和陽臺(tái)板部位均沒有明顯的溫度不均勻現(xiàn)象，熱流分布集中在既有墻板與樓板連接部位。將陽臺(tái)視為采暖空間時(shí)，該部位主斷面流出熱流密度為3.92 W/m2，流出的最大熱流密度為7.81 W/m2，計(jì)算線熱橋系數(shù)為-0.18 W/（m .K）；將陽臺(tái)視為非采暖空間時(shí)，該部位主斷面流出熱流密度為7.32 W/m2，流出的最大熱流密度為7.34 W/m2，計(jì)算線熱橋系數(shù)為-0.20 W/（m .K），均滿足線熱橋系數(shù)≤0.01 W/（m .K）的要求。因此優(yōu)化后的連接節(jié)點(diǎn)滿足無熱橋要求。

3.4 空調(diào)板處無熱橋處優(yōu)化驗(yàn)證

根據(jù)空調(diào)板連接的尺寸，結(jié)合既有外墻與空調(diào)板連接優(yōu)化節(jié)點(diǎn)形式，利用有限元模擬軟件建立該連接節(jié)點(diǎn)的三維模型溫度及熱流密度分布模擬結(jié)果如圖10、圖11所示。

根據(jù)溫度場(chǎng)與熱流密度的模擬結(jié)果，室內(nèi)側(cè)墻板表面溫度分布均勻，空調(diào)板全包保溫時(shí)，溫度為16.67～20.00 ℃；空調(diào)板斷熱橋連接時(shí)，溫度為17.86～20.00 ℃ ，預(yù)空調(diào)板部位和空調(diào)板部位均沒有明顯的溫度不均勻現(xiàn)象，熱流分布集中在既有外墻與空調(diào)板連接部位?？照{(diào)板全包保溫時(shí)，該部位流出的最大熱流密度8.96 W/m2，計(jì)算線熱橋系數(shù)-0.14 W/（m .K）；空調(diào)板斷熱橋連接時(shí)，則該部位流出的最大熱流密度為5.47 W/m2，計(jì)算線熱橋系數(shù)為-0.25 W/（m .K），均滿足線熱橋系數(shù)要求。因此優(yōu)化后空調(diào)板連接節(jié)點(diǎn)（斷熱橋）滿足無熱橋要求。

4 結(jié)語

本文針對(duì)既有居住建筑超低能耗綠色低碳化改造中采用保溫裝飾一體化板易產(chǎn)生熱橋的部位進(jìn)行無熱橋、氣密性及防火性能的優(yōu)化研究，確定不同部位無熱橋改造技術(shù)，利用有限元計(jì)算線熱橋密度，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)是否滿足無熱橋要求，主要得到以下結(jié)論。

1）確定了既有居住建筑超低能耗綠色低碳化無熱橋改造技術(shù)，形成了外門、外窗、陽臺(tái)和空調(diào)板的無熱橋、氣密性及防火優(yōu)化改造措施。

2）驗(yàn)證了外門、外窗、陽臺(tái)和空調(diào)板的無熱橋改造措施均滿足無熱橋要求，計(jì)算結(jié)果顯示外門、外窗、陽臺(tái)和空調(diào)板的線熱橋系數(shù)均不超過0.01 W/（m .K）。

參考文獻(xiàn)

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[作者簡(jiǎn)介]時(shí)元元（1992—），女，河北望都人，碩士，工程師，研究方向：綠色低碳、建筑節(jié)能、裝配式及超低能耗建筑。

[基金項(xiàng)目] 中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金項(xiàng)目（236Z4506G）；河北省建設(shè)科技研究項(xiàng)目（2022-2069）