艙室熱橋效應(yīng)及其優(yōu)化技術(shù)研究概述

摘" 要：根據(jù)實測數(shù)據(jù)及運行經(jīng)驗反饋，艙室內(nèi)基座和支承存在著較多熱橋，而熱橋又是傳熱的密集區(qū)，影響艙室熱環(huán)境。該文從熱橋的基本概念出發(fā)，結(jié)合目前國內(nèi)外對熱橋效應(yīng)的傳熱模型、數(shù)值模擬和試驗測試等不同研究方法，對不同構(gòu)造形式、不同保溫位置、不同保溫參數(shù)時熱橋效應(yīng)的變化規(guī)律進行總結(jié)，并基于總結(jié)規(guī)律明確削弱艙室熱橋效應(yīng)的措施。相關(guān)研究得出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和局部保溫等措施可以大幅減小熱橋效應(yīng)，為艙室熱環(huán)境的控制和研究奠定良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：熱橋效應(yīng)；隔熱保溫；斷熱橋；優(yōu)化技術(shù)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：TK124" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）01-0013-04

Abstract： According to measured data and operating experience feedback， there are many thermal bridges on the bases and supports in the cabin， and the thermal bridges are dense areas of heat transfer， affecting the thermal environment of the cabin. Starting from the basic concept of thermal bridge， and combining different research methods such as heat transfer models， numerical simulations and experimental tests on the thermal bridge effect at home and abroad， this paper summarizes the change laws of the thermal bridge effect under different structural forms， different insulation positions， and different insulation parameters. Based on the summary laws， measures to weaken the thermal bridge effect of the cabin are clarified. Relevant research has concluded that measures such as structural optimization design and local insulation can greatly reduce the thermal bridge effect， laying a good foundation for the control and research of the cabin thermal environment.

Keywords： thermal bridge effect; thermal insulation; thermal bridge; optimization technology; structural optimization

熱橋部位因其熱阻較小、傳熱系數(shù)較高，在面臨相同溫差時，會成為熱量傳遞的“快車道”。這導(dǎo)致局部熱流密度顯著上升，遠高于其他部位，從而加劇了熱橋部位的熱損失。熱量或冷量通過這些熱橋部位迅速流失，使得在達到穩(wěn)態(tài)時，熱橋部位的溫差相對較小，其熱環(huán)境更容易受到外部環(huán)境的影響。熱橋效應(yīng)實質(zhì)上是空間內(nèi)某些特定位置的傳熱系數(shù)遠高于其他位置，進而引發(fā)熱短路現(xiàn)象。這不僅改變了空間的熱負荷分布，還深刻影響了整體溫度場，使得溫度分布變得不均勻[1]。

熱橋影響遠不止于自身所在的結(jié)構(gòu)部位。熱橋會導(dǎo)致熱量在其周邊區(qū)域產(chǎn)生不均勻的流動，進而對周圍其他部件產(chǎn)生顯著的熱流密度和溫度變化。這種影響使得受影響區(qū)域的表面特征發(fā)生明顯的改變，如溫度梯度增大、冷凝現(xiàn)象加劇等。在計算熱橋影響區(qū)域時，主要依據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面的溫差比這一關(guān)鍵參數(shù)，溫差比的大小直接反映了熱橋?qū)е碌臒崃總鬟f差異，是確定熱橋影響區(qū)域范圍的重要依據(jù)。除了熱橋影響區(qū)域外，熱橋影響區(qū)域內(nèi)的熱損失也是一個需要著重考慮的參數(shù)，分析熱橋影響區(qū)域內(nèi)的熱損失時需要綜合考慮多種因素。首先，總熱量傳遞是熱損失的主要來源之一，其代表了熱量通過結(jié)構(gòu)傳遞的總量。其次，熱橋?qū)е碌母郊訜崃髁恳彩遣豢珊鲆暤囊蛩?，其代表了由于熱橋存在而額外產(chǎn)生的熱量流動。此外，熱橋影響區(qū)域的附加熱流量以及該區(qū)域內(nèi)的熱損失程度也是需要重點關(guān)注的方面。通過對這些因素的全面考慮和分析，可以更準(zhǔn)確地評估熱橋?qū)Y(jié)構(gòu)熱工性能的影響。熱橋部位的熱橋影響區(qū)域以及其熱損失程度，是評估熱橋?qū)Y(jié)構(gòu)影響大小的重要指標(biāo)。通過對這些指標(biāo)的定性和定量分析，可以更全面地了解熱橋在結(jié)構(gòu)中的作用機制，為優(yōu)化熱工設(shè)計提供有力的支持。

對于艙室而言，設(shè)備和艙室結(jié)構(gòu)之間通常通過金屬基座焊接或螺栓連接。這種連接方式在提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時，也導(dǎo)致了艙室內(nèi)部存在眾多金屬熱橋。這些熱橋不僅增加了艙室的空調(diào)能耗，還擾亂了艙室內(nèi)的熱管理系統(tǒng)，使得溫度控制變得更為復(fù)雜和困難。

因此，深入研究熱橋的變化規(guī)律，探索有效的優(yōu)化措施，對于艙室熱環(huán)境的精準(zhǔn)控制具有重要意義。通過優(yōu)化熱橋設(shè)計、改進連接方式或采用新型隔熱材料，可以降低熱橋部位的熱損失，提高艙室熱環(huán)境的穩(wěn)定性和舒適性，為艙室內(nèi)部的設(shè)備運行和人員活動創(chuàng)造更加良好的環(huán)境條件。

1" 熱橋效應(yīng)研究方法

1.1" 熱橋部位傳熱模型研究

熱橋的傳熱模型研究通常指的是使用理論分析手段對熱橋影響進行分析，以及采用計算公式對熱橋進行相關(guān)計算。在理論分析方面，研究者通常根據(jù)熱傳導(dǎo)的基本原理，建立熱橋的傳熱模型，這些模型能夠描述熱量在熱橋部位的傳遞過程，以及由此引發(fā)的熱流密度和溫度變化，通過對比和分析不同模型的預(yù)測結(jié)果，可以更全面地了解熱橋的傳熱特性及其對結(jié)構(gòu)熱工性能的影響。國內(nèi)外相關(guān)研究見表1。

國內(nèi)外學(xué)者采用不同的方法對不同的類型熱橋問題進行了相對全面的傳熱模型研究，但傳熱模型研究一般會有較多的假設(shè)前提，可利用相關(guān)方法開展艙室熱橋傳熱的定性分析，具體定量分析一般采用數(shù)值模擬或試驗測試的方法。

1.2" 熱橋部位傳熱數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬是一種基于計算機輔助的分析方法，通過構(gòu)建熱橋傳熱的數(shù)學(xué)模型，并利用計算機強大的計算能力進行求解，數(shù)值模擬能夠精確地模擬熱橋在特定條件下的傳熱過程。這種方法不僅可以預(yù)測熱橋部位的溫度分布、熱流密度等關(guān)鍵參數(shù)，還可以分析熱橋?qū)χ車h(huán)境的影響，從而更全面地了解熱橋的傳熱特性及其對艙室熱環(huán)境的影響。國內(nèi)外相關(guān)研究見表2。

國內(nèi)外學(xué)者利用不同數(shù)值模擬的方法對不同的類型熱橋問題進行了模擬研究，分析了熱橋?qū)τ谀芎募盁岘h(huán)境的影響。對于艙室熱橋而言，利用ANSYS開展有限元分析是獲取其影響范圍最便捷的方法。

1.3" 熱橋部位傳熱試驗測試研究

熱橋傳熱試驗包括熱箱法、紅外熱成像法以及熱流計法等方法。利用熱橋傳熱試驗可直接得到熱橋的影響范圍，對于艙室熱橋而言，直接利用紅外熱成像法（包括紅外探測、光電探測和圖像識別等方法）可直觀得到熱橋的影響結(jié)果。

2" 熱橋效應(yīng)變化規(guī)律探究

2.1" 不同構(gòu)造形式

傳熱結(jié)構(gòu)的連接方式、連接件的選擇，以及熱橋縫隙的寬度和數(shù)量等因素，均會對熱橋效應(yīng)產(chǎn)生顯著影響。

為了增強救生艙殼體的隔熱性能并降低環(huán)控系統(tǒng)的能耗，魯懷敏等[3]通過數(shù)值分析法對比了直接和間接連接的內(nèi)外層殼體的傳熱性能，并與無連接的情況進行了對比，結(jié)果表明直接和間接連接方式導(dǎo)致的熱橋效應(yīng)較無連接時平均熱流分別增加了629%和27%，其中直接連接方式的影響范圍更廣。為分析連接件對熱橋的影響，王立學(xué)等[4]對不同墊片形式開展了模擬計算，結(jié)果表明使用復(fù)合材料墊片可使其外墻傳熱系數(shù)降低57%，使用聚氨酯墊片可使其外墻傳熱系數(shù)降低65.5%，2種使用墊片的方式均可大幅降低導(dǎo)熱系數(shù)，減少熱橋的影響。同時熱橋縫隙寬度和縫隙數(shù)量也是影響熱橋的主要因素，解維華等[5]針對金屬熱防護系統(tǒng)中的縫隙輻射及支架熱短路問題進行了深入研究，結(jié)果表明支架處存在明顯的熱橋現(xiàn)象，支架引發(fā)的熱短路溫差高達50 K，且在773 K以下隨著熱橋縫隙寬度的增加，溫升也相應(yīng)增加。俞文勝等[6]利用ANSYS軟件，對冷藏集裝箱側(cè)壁進行了仿真模擬，結(jié)果表明當(dāng)側(cè)壁采用的真空絕熱板數(shù)量減少時，其邊界熱橋的長度會相應(yīng)縮短，并且為了優(yōu)化隔熱性能，建議避免在加強筋附近進行真空絕熱板的拼接。

2.2" 不同保溫位置

熱橋效應(yīng)主要是由于建筑物外圍結(jié)構(gòu)層中不同材料或構(gòu)造導(dǎo)致的導(dǎo)熱系數(shù)不一致，進而造成熱傳導(dǎo)不一致的現(xiàn)象。因此，保溫位置的選擇對于減少熱橋效應(yīng)至關(guān)重要。為比較不同保溫位置對熱橋的影響，黃俊等[7]利用ANSYS軟件對不同保溫形式下的熱橋能耗進行了模擬分析，結(jié)果表明外保溫體系的保溫效果最好，而內(nèi)保溫體系的效果最差。柳笛[8]利用FLUNET軟件對柱角熱橋、柱熱橋以及交叉斜桿熱橋在不同保溫形式下的表面溫度進行了模擬分析，結(jié)果表明，外保溫形式可大幅減少熱橋影響區(qū)域，并降低熱損失。李相[9]通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，在不同的保溫方式中，外保溫方式表現(xiàn)最為優(yōu)越。郁文紅等[10-11]利用ANSYS軟件，通過有限元分析對圍護結(jié)構(gòu)改造前后的熱橋效應(yīng)開展研究，研究表明相對于內(nèi)保溫方式，外保溫方式可使其傳熱系數(shù)降低50%左右。

2.3" 不同保溫參數(shù)

不僅保溫位置影響熱橋，保溫材料的物理參數(shù)和傳熱特性也對熱橋效應(yīng)有不同的影響。

為分析保溫材料物理參數(shù)的影響，Marincioni等[12]分析了連接件保溫厚度對墻體熱橋的影響，研究表明單純增加保溫厚度對熱橋的優(yōu)化效果有限，采用絕緣斷開可大幅減小熱橋的影響。為分析保溫材料傳熱特性的影響，Schwab[13]分析了真空絕熱板氣體間隙和填充材料對其熱橋效應(yīng)的影響。研究表明，減小板間的氣體間隙、降低材料的導(dǎo)熱系數(shù)都可以有效地降低熱橋損失。張婷婷等[14]對真空絕熱板的熱橋效應(yīng)進行了深入的數(shù)值分析，研究表明減小隔氣結(jié)構(gòu)間隙、降低導(dǎo)熱系數(shù)、減少板件連接尺寸、優(yōu)化安裝工藝等，均能提高真空絕熱板的保溫效果。

2.4" 小結(jié)

通過對熱橋效應(yīng)變化規(guī)律的研究，可以得到熱橋效應(yīng)優(yōu)化規(guī)律如下。

針對構(gòu)造形式，間接連接、連接節(jié)點采用絕熱墊片、減小熱橋縫隙寬度和縫隙數(shù)量均能有效削弱熱橋效應(yīng)；針對保溫形式，外保溫形式最優(yōu)；針對不同保溫材料，更低導(dǎo)熱系數(shù)、更小氣體間隙的保溫材料更優(yōu)；針對保溫厚度，當(dāng)增高保溫厚度，熱橋系數(shù)減小，由熱橋效應(yīng)帶來的熱損失減小，但其優(yōu)化效果存在極限。

3" 熱橋效應(yīng)優(yōu)化措施

從傳熱原理的角度出發(fā)，優(yōu)化熱橋的關(guān)鍵在于降低其傳熱系數(shù)并增加熱阻，以使其與其他部位的傳熱系數(shù)相當(dāng)。這一目標(biāo)的實現(xiàn)，可以通過2個主要的方法來實現(xiàn)。

首先，可以通過優(yōu)化熱橋的結(jié)構(gòu)來增大其本身的熱阻。具體而言，采用間接連接方式可以減少熱量在連接處的直接傳遞；在連接節(jié)點處使用絕熱墊片，能夠阻斷熱量通過節(jié)點的傳遞路徑；減小熱橋縫隙的寬度和數(shù)量，則能降低熱量通過縫隙的泄漏。這些措施共同作用，可以有效降低熱橋的傳熱系數(shù)，提高其熱阻性能。

其次，另一種方法是在熱橋處增加高熱阻材料，以增大總體熱阻。這通常通過在熱橋外部添加外保溫層來實現(xiàn)，外保溫層使用高熱阻材料能夠有效隔絕外部環(huán)境與熱橋之間的熱量交換。同時，優(yōu)化保溫材料的選擇也是關(guān)鍵，應(yīng)選擇導(dǎo)熱系數(shù)低、保溫性能好的材料，以進一步提高熱橋的熱阻性能。

3.1" 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

在民用建筑領(lǐng)域，門窗斷橋鋁采用了典型的斷熱橋處理措施，其通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，內(nèi)外兩面為鋁材，中間用塑料作為斷熱材料，實現(xiàn)斷熱橋，相對一般鋁合金型材，同等規(guī)模下斷橋鋁傳熱系數(shù)可降低98%左右。對于幕墻的連接件也是如此，幕墻與墻體的連接件會穿透保溫層形成熱橋，在工程中一般通過在連接件中增加高強度保溫材料來實現(xiàn)其斷熱橋。對于艙室而言，可借鑒這種斷熱橋的設(shè)計理念，在金屬基座或連接件中插入熱斷路器，在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下，增大設(shè)備與結(jié)構(gòu)連接的熱阻。如管道的支吊架，一般會在其與管道連接處纏繞一層隔熱墊，通過隔熱的方法來削弱連接處的熱橋效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化也可借鑒其他技術(shù)，例如在金屬熱邊界處延長熱傳導(dǎo)路徑，類似Kalebrink[15]提出的Serpentine封邊方法，如圖1所示，增大設(shè)備與結(jié)構(gòu)連接的熱阻，削弱邊界可能存在的金屬熱橋。

3.2" 局部保溫

在實際應(yīng)用中，若熱橋無法通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來避免，則一般采用局部保溫來降低熱橋的影響，例如在多級冷藏室中，一般在低溫冷藏室立柱上纏繞保溫材料，該優(yōu)化方法可使得熱流量降低54.8%左右[16]。但保溫不連續(xù)或間斷時則會出現(xiàn)更為明顯的熱橋，因此對于熱橋采用的局部保溫應(yīng)連續(xù)完整，以此削弱熱橋效應(yīng)可能產(chǎn)生的影響。

圖1" 改進的Serpentine封邊設(shè)計

對于艙室而言，其基座和支吊架本體是熱橋效應(yīng)較為明顯的部位，因此采用局部保溫的方法可以有效減少散熱，并削弱其對艙室熱環(huán)境的影響。在基座部位，可以采用專用的保溫材料或結(jié)構(gòu)進行覆蓋，確保其與外部環(huán)境之間的熱交換得到有效阻隔。這種局部保溫措施不僅可以降低基座的散熱量，還能提高艙室整體的保溫性能。對于支吊架本體，同樣可以采取類似的局部保溫措施。通過在支吊架的關(guān)鍵部位加裝保溫材料或保溫層，可以減少熱量通過支吊架的傳遞，從而降低其對艙室內(nèi)部溫度的影響。此外，在實施局部保溫的同時，還需要注意保溫材料的選擇和安裝工藝。應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)低、耐候性好的保溫材料，并確保其安裝牢固、密封性好，以避免熱量通過保溫材料的縫隙或破損處泄漏。

4" 結(jié)束語

本文對國內(nèi)外民用領(lǐng)域熱橋效應(yīng)及其優(yōu)化技術(shù)的現(xiàn)狀進行了充分調(diào)研，明確了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和局部保溫等措施可以減小熱橋效應(yīng)，為艙室熱橋的優(yōu)化研究提供了方向。主要結(jié)論如下。

1）為提高結(jié)構(gòu)的隔熱能力，應(yīng)盡量避免內(nèi)外層結(jié)構(gòu)的直接連接。

2）在金屬結(jié)構(gòu)中，由于金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)較高，熱橋效應(yīng)往往更加明顯。因此，應(yīng)盡量采用斷熱橋措施，如設(shè)置熱橋隔斷、使用絕熱材料等，來阻斷熱量在金屬結(jié)構(gòu)中的傳遞路徑，降低熱橋效應(yīng)的影響。

3）在對艙室進行熱橋優(yōu)化時，應(yīng)采用合理的斷熱橋結(jié)構(gòu)及恰當(dāng)?shù)谋卮胧?，并對不同的方案進行計算模擬，分析各個方案的優(yōu)劣，從而選取適用性最高的方案，最大限度地減小熱橋效應(yīng)對艙室熱管理的影響。

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