夏熱冬冷地區節能公共建筑墻體熱橋效應影響研究
——以嘉興市為例

張 燕，羅義英，趙美紅，徐丹妮，陳 駱，湯俊雁

(嘉興學院 建筑工程學院，浙江 嘉興 31400)

1 引言

墻體是建筑圍護結構中占比最多的主要組成部分，其能耗占整個建筑能耗的近一半；而結構梁、柱、外墻轉角等構造部位傳熱能力更強，熱流較密集，故稱為“熱橋”或“冷橋”。如果保溫措施不當，冬季內表面溫度較低，夏季內表面溫度較高，室內過熱，致使建筑能源浪費[1～3]。所謂“熱橋效應”，即熱傳導的物理效應，主體墻與鋼筋混凝土梁、柱等傳熱能力相差較大，對建筑節能影響較大，所以目前墻體的保溫性能一般用考慮熱橋影響的平均傳熱系數表示，本文依據2016版《民用建筑熱工設計規范》[4]推薦熱橋線傳熱系數計算軟件，選取當地典型墻體構造，計算比對熱橋對公共建筑墻體保溫性能的影響。

2 平均傳熱系數及熱橋線傳熱系數計算方法

2.1 熱橋線傳熱系數計算公式

文獻[1]C.2規定，建筑外圍護結構中，結構梁、柱、墻角等結構性熱橋對墻體、屋面傳熱性能的影響用線傳熱系數描述，計算方法可采用公式(1)：

(1)

式(1)中：ψ為熱橋線傳熱系數[W/(m·K)]；Q2D為二維傳熱計算得出的流過一塊包含熱橋的圍護結構的傳熱量(W)；K為圍護結構平壁的傳熱系數[W/(m2·K)]；A為計算Q2D的圍護結構的面積(m2)；ti為圍護結構室內側的空氣溫度(℃)；te為圍護結構室外側的空氣溫度(℃)；l為計算Q2D的圍護結構的長度，熱橋沿這個長度均勻分布；C為計算Q2D的圍護結構的寬度，即A=l·C。

2.2 熱橋線傳熱系數計算軟件

實際工程中，結構性熱橋的線傳熱系數按(1)式計算太過繁瑣，故文獻[1]還配套了計算光盤，采用二維穩態傳熱原理的計算軟件PTemp，本文就利用這個方法計算當地某商業中心等局部熱橋對墻體傳熱性能影響。

2.3 墻體傳熱系數計算公式

在ψ已知的條件下就可以通過式(2)計算出墻體平均傳熱系數。

(2)

式(2)中：Km為圍護結構單元的平均傳熱系數[W/(m2·K)]；K為圍護結構平壁的傳熱系數[W/(m2·K)]；ψj為圍護結構上的第j個結構性熱橋的線傳熱系數[W/(m·K)]；lj為圍護結構第j個結構性熱橋的計算長度(m)；A為圍護結構的面積(m2)。

3 某商業中心平均傳熱系數及熱橋線傳熱系數計算方法

某辦公建筑位于嘉興(北緯=30.73°，東經=120.77°)，建筑類型為公建，建筑物周邊無遮擋，建筑朝向為南偏西47.6°。建筑層高3.9 m,柱中心線距離3.9 m，窗高2.1 m。

3.1 墻體及熱橋柱構造實例

取該建筑南向墻體的一個計算單元，外墻主體部分構造如圖1a所示，該建筑中熱橋柱構造如圖1b所示。墻體基層材料分別選取當地主流材料鋼筋混凝土、燒結保溫磚、蒸壓砂加氣混凝土砌塊(B06)作為3種類型墻體進行計算分析，保溫層分別選取無機保溫砂漿和PEX保溫板進行計算分析。

圖1 墻體構造

1-涂料飾面層；2-水泥砂漿；3-墻體基層；4-鋼筋混凝土；5-保溫層；6-抗裂砂漿(玻纖網)

3.1.1 外墻構造

外墻主體部分從外至內構造為飾面層+水泥砂漿(20.0 mm)+墻體基層(240.0 mm)+保溫層(35.0 mm)+ 抗裂砂漿(玻纖網)(5.0 mm)，見表1。

3.2.1 熱橋柱構造

結構性熱橋取外墻的主要承重構件熱橋柱分析，組成(從外至內)飾面層 +水泥砂漿(20.0 mm)+鋼筋混凝土(240.0 mm)+保溫層(35.0 mm)+抗裂砂漿(玻纖網)(5.0 mm)，見表2。

3.2 墻體及熱橋柱傳熱系數計算

3.2.1 熱工材料參數參考依據

根據當地建筑節能標準要求，熱工材料參數參考依據表3。

表1 外墻主體部分構造

注：墻體基層及保溫層的各項參數根據具體材料的選擇來確定

注：保溫層的各項參數根據具體材料的選擇來確定

表3 熱工材料參數參考依據

3.2.2 墻體溫度分布

按上表構造在線傳熱系數計算軟件Ptemp上繪得相應的墻體構造圖，如圖2；選取冬季室內外參數，通過軟件計算可得相應的熱橋線傳熱系數和墻體溫度分布圖，如圖3。

4 傳熱系數計算結果比對

從溫度分布圖中我們可以發現熱橋結構的存在會令墻體內部沿墻體方向溫度分布不均勻，形成一定溫差。由于溫差的存在使主墻體與熱橋結構之間形成熱流，造成房間流量額外流失[5]，所以我們需要通過計算分析合理選擇外墻構造，削減熱橋效應，確定墻體的保溫性能。

圖2 Ptemp中繪得墻體結構

1-抗裂砂漿(玻纖網) 2-保溫層 3-墻體基層 4-水泥砂漿 5-鋼筋混凝土

4.1 外墻加權平均傳熱系數比對分析

《民用建筑熱工設計規范》GB50176-2016外墻平均傳熱系數判定。

圖3 不同材料墻體溫度分布

(a)基層為混凝土，保溫層為聚苯板；(b)基層為混凝土，保溫層為YT保溫砂漿；(c)基層為燒結保溫磚，保溫層為聚苯板；(d)基層為燒結保溫磚，保溫層為YT保溫砂漿；(e)基層為蒸壓砂加氣混凝土砌塊(B06)，保溫層為聚苯板

4.2 結果分析

(1)通過計算結果可以看出，同種保溫材料下不同墻體基層的外墻，主體墻和熱橋部位傳熱系數越接近，溫度分布較均勻，如圖3中a和b。但其傳熱系數偏大，通過圍護結構的熱損失較大，沿厚度方向由內向外溫度降較大。

(2)僅增加主體墻的保溫性能，采用自保溫加外保溫，熱橋柱和主體墻的連接部分溫度不均勻，如圖3中c、d、e、f，致使沿墻體水平方向的溫度應力增大。由于溫度熱應力影響，有可能墻體外表面開裂等質量通病。所以在工程設計時，應對熱橋采用較好的保溫構造。

(3)當采用保溫性能較好時，其傳熱系數較小，而熱橋柱的線傳熱系數相對較大。但墻體平均傳熱系數較小，墻體保溫性能較好。

(4)由表4可知，由于熱橋柱線傳熱系數對墻體傳熱系數的影響，致使墻體傳熱系數增加0.13%～4.00%。在實際建筑中，即使一個墻體計算單元中往往存在多種多個熱橋，所以，不能熱橋線傳熱系數對墻體降低墻體保溫性能的影響不容忽視。

表4 外墻平均傳熱系數計算分析

5 結語

當主體墻的傳熱系數與熱橋構造傳熱系數相接近時，此時熱橋的影響較小，溫度分布較均勻；當只提高主體墻的保溫性能，使主體墻與熱橋柱的傳熱系數相差較大時，主體墻的連接部分溫度不均勻，會造成墻體外表面開裂等質量通病。在節能建筑墻體構造設計時應引以重視。通過計算，可知一個熱橋的線傳熱系數對墻體傳熱系數的影響可到達4%。所以，其對降低墻體保溫性能的影響不容忽視，在實際設計時，不應只重視主體墻的保溫，也應對熱橋部位采用保溫性能較好的構造措施比僅提高主體墻的保溫性能更合理。