模塊化輕鋼結構超低能耗建筑的熱橋分析

葛釗岐 李祥立

大連理工大學建設工程學部

0 前言

輕鋼結構模塊化建筑是一種新型的建筑結構形式，可以把復雜的系統分解為單一的子系統，便于管理[1]。由于自身體積較小，可隨時移動并拆卸，鋼框架和圍護結構部位都可在工廠預制，只需現場拼接即可，簡化了施工程序，對環境無污染。近年來，實現這種模塊化輕鋼結構建筑的超低能耗是一個研究熱點，如果突破了兩者技術結合的矛盾點，那么這種建筑是真正意義上的綠色節能建筑。在推進超低能耗建筑的進程中，圍護結構起著決定性的作用，所以有很多對于圍護結構的傳熱研究[2-6]。

本文將太陽輻射照度、風速等動態變化因素考慮在內，利用ANSYS 有限元軟件進行瞬態模擬[7]，并以最大化減小熱橋附加耗熱量為計算目標，給出各圍護結構的傳熱系數在寒冷地區的合理值。

1 建筑模型信息

如圖1、2 所示，對于單模塊建筑來說，南北外墻設置為3 m×3 m，東西外墻設置為6 m×3 m，為減小外門冷風侵入耗熱量，此模塊建筑單獨設置門斗，兩層門之間的距離為1.5 m，總建筑面積為22.5 m2。表1 為單模塊房屋各圍護結構的具體做法，各個圍護結構的保溫層厚度均選擇下文中最佳的保溫層厚度。需要注意的是，保溫層在鋪設時，一定要進行錯縫搭接，這樣不僅避免了保溫板拼接縫隙大的問題，還可以保證保溫板的縫隙不再貫通，進一步阻止了熱量的傳遞，提高了建筑氣密性的同時，也提高了建筑物的保溫性能。

圖1 單模塊立體圖

圖2 單模塊平面圖

表1 各圍護結構材料構成

對于門窗，外門和內門尺寸為0.9 m×2 m；東西窗尺寸為0.76 m×1.4 m，南窗尺寸為1.0 m×1.6 m，窗戶附框均取0.1 m 寬。

2 圍護結構的傳熱模擬

2.1 外墻體龍骨熱橋

為研究不同保溫層厚度下的能耗水平，同時充分考慮熱橋傳熱對外墻能耗影響，本文以應用最多的石墨聚苯板（導熱系數0.032 W/(m2·K)）為輕鋼結構的外保溫，用ANSYS 有限元瞬態模擬的方法來計算不同保溫層厚度下的熱橋部位的能耗。

通過數值模擬得到的外墻熱橋部位全年能耗與保溫層厚度的關系，如圖4 所示：

圖3 外墻傳熱模型

圖4 熱橋附加耗熱量隨著保溫層厚度的變化關系圖像

由圖4 可知輕鋼結構外墻的熱橋附加耗熱量隨保溫層厚度的增加而減小，但隨著厚度的繼續增加，熱橋附加耗熱量減小的幅度越來越小，當保溫層厚度取0.14m 和無保溫時，此時外墻體的外壁面熱流密度圖像如圖5：

圖5 不同保溫層厚度下的外墻外表面熱流密度

由圖5 可知，當輕鋼結構外墻的保溫層厚度達到0.14 m 左右時，熱橋的全年附加耗熱量已經達到了1 kW·h/m2以下，并且由圖3 可知此時外墻外表面的熱流密度相對比較均勻，已經基本消除了熱橋效應，繼續增加保溫層對于熱橋效應的減弱不僅效果很小，而且還會使其成本相應增加，所以本文推薦寒冷地區裝配式輕鋼結構外墻的傳熱系數的推薦值為0.152 W/(m2·K)。

2.2 L 型墻體熱橋

輕鋼結構建筑中常見的L 型墻角（圖6），此處為幾何熱橋，并且由于墻角處還存在輕鋼龍骨、自攻釘等鋼構件，會產生很大的熱橋效應。

圖6 L 型墻體傳熱模型

為了更直觀地比較熱橋部位與正常墻體傳熱的差異，選取外墻內表面水平方向為橫坐標，取最左端（本文長度取1 m）為坐標原點位置，內表面溫度和熱流密度數據為縱坐標，得到整個墻體橫向的熱流密度與溫度曲線，如圖7：

圖7 內表面各節點熱流密度變化曲線

通過數值模擬得到的L 型墻體的全年熱橋附加能耗與保溫層厚度的關系，如圖8 所示：

圖8 熱橋附加耗熱量隨著保溫層厚度的變化關系圖像

從圖8 中可以看出，對于L 型墻角的熱橋，當外保溫層的厚度取0.14 m 左右時，熱橋效應減小的幅度幾乎為零，這表明繼續增加外保溫厚度不僅沒能有效地緩解L 型墻角的熱橋效應，更增加了施工難度。此時雖然墻角處的熱橋附加耗熱量單位面積還是很大，但是經過前面的計算，此L 型墻角的熱橋影響范圍總長度為0.147 m×2=0.294 m，說明L 型墻體的熱橋面積很小，即使單位面積的熱損失很大，全年經過此熱橋部位的能耗在總能耗的占比也是不高的，所以建議裝配式鋼結構的L 型墻體不需加過厚的EPS 保溫層，推薦值為0.14 m。

2.3 屋面龍骨熱橋

通過數值模擬得到的屋面熱橋（圖9）部位全年能耗與保溫層厚度的關系，如圖10、11 所示：

圖9 屋面傳熱模型

圖10 熱橋附加耗熱量隨著保溫層厚度的變化關系圖像

圖11 不同保溫層厚度下的外墻外表面熱流密度

由圖10、11 可知，當輕鋼結構屋面的保溫層厚度達到0.13 m 左右時，熱橋的全年附加耗熱量已經達到了1 kW·h/m2以下，并且此時屋頂外表面的熱流密度相對比較均勻，已經基本消除了熱橋效應，繼續增加保溫層對于熱橋效應的減弱已經微乎其微，而且還會使其成本相應增加，所以本文推薦寒冷地區裝配式輕鋼結構屋面的圍護結構傳熱系數的推薦值為0.143 W/(m2·K)。

2.4 地角龍骨熱橋

基礎上方為輕鋼結構墻體，與其相連的基礎是由鋼插入到混凝土立柱中形成的，由于基礎部位的混凝土導熱系數和蓄熱性與土壤接近，因此基礎位置的深度對計算結果影響不大，本文取1.5 m，其中鋼構件深度為0.32 m，寬0.24 m，混凝土立柱寬0.3 m，右側為室內的地面保溫，室外側取1 m，室內取4 m，基礎下方計算域設定為9.5 m，假定基礎內并無發熱體，即無內熱源形式，現有兩種地面保溫的方式（圖12、13）：

圖12 地角周邊無保溫

圖13 地角周邊設置保溫

分別對兩種保溫方式的內地面進行熱流密度隨距離變化的圖像繪制，可以得到：

從圖14、15 可以看出，如果不對周邊地面進行保溫，在該體系中，正常地面的熱流密度為2.59 W/m2，而鋼結構墻與地面基礎交接的位置，熱流密度最高可達176 W/m2，遠遠高于其他位置的熱流密度，熱橋現象明顯。此時，通過對內地面熱橋部位的熱流密度進行積分，得到周邊未設置保溫地面的熱損失是47.36 W，其中，熱橋部位的熱損失為36 W，可以看出，此時熱量大部分都是從墻角的熱橋部位散失的。而對地面周邊進行保溫設置后，正常地面的熱流密度是3.15 W/m2，而鋼結構墻與地面基礎交接的位置，熱流密度最高可達36 W/m2，雖然也高于正常地面的熱流密度值，但是熱橋效果已經很好的減小了。此時，通過對內地面熱橋部位的熱流密度進行積分，得到周邊設置保溫地面的熱損失是20.07 W，其中，熱橋部位熱損失為8.15 W。

圖14 地角周邊無保溫時熱流密度隨內地面距離的變化曲線

圖15 地角周邊有保溫時熱流密度隨內地面距離的變化曲線

結果表明，當地面周邊未設置保溫時，鋼結構基礎的熱橋效果很明顯，熱量大多從熱橋處流走，導致熱橋處的熱損失很大，而正常地面的熱流密度相對較低，而當地面周邊設置保溫時，雖然會使整個地面抬高224 mm 的距離，但是可以有效的減小熱橋效應，在很大程度上減少了地面的熱損失，所以提倡使用第二種地面保溫的方式。

基于第二種地面保溫的方式，通過數值模擬得到的地面的熱橋部位全年能耗與保溫層厚度的關系，如圖16 所示：

圖16 基礎熱橋全年附加耗熱量隨保溫層厚度變化

通過對不同厚度保溫層熱橋部位的能耗計算，發現當保溫層厚度增加到0.1 m 時，繼續增加保溫層厚度對減緩熱橋效應意義不大，所以推薦寒冷地區超低能耗裝配式輕鋼結構建筑的地面保溫的傳熱系數推薦值為0.268 W/(m2·K)，此時整個供暖季通過內地角的熱橋部位附加耗熱量為9.806 kW·h/m2。

3 模塊化輕鋼結構建筑能耗計算

3.1 能耗計算理論基礎

能耗計算公式如下：

式中：QH為供暖需求，kW·h；QT為圍護結構傳熱損失，kW·h；QV為通風熱損失（通風設備及氣密性），kW·h；Qi為內部得熱（人員設備等），kW·h；QS為太陽輻射得熱，kW·h；

3.2 單模塊房屋的熱橋部位占比分析

各熱橋部位能耗占比分析如表2 所示：

表2 各熱橋部位能耗占比分析

單模塊輕鋼結構房屋的全年總熱橋附加能耗為149.69 kW·h，從表2 中可以看出，在裝配式輕鋼結構各熱橋部位中，L 型墻體單位面積的附加耗熱量最大，為9.38 kW·h/m2，遠超其他部位。而屋面龍骨單位面積的熱橋附加耗熱量為最小為0.996 kW·h/m2。由于主墻體的面積最大，雖然墻體的單位面積附加耗熱量很小，僅為1.03 kW·h/m2，但墻體的總熱橋附加耗熱量比重最大，為34.94%。

3.3 不同數量的模塊化房屋供暖需求分析

本文裝配式模塊化房屋的尺寸為6 m×3 m，上述計算的建筑是單模塊化建筑，多了一個門斗，總建筑面積為22.5 m2。經計算此建筑的年供暖需求為29.487 kW·h/(m2·a)，遠遠高于寒冷地區超低能耗標準。這是由于單層模塊化建筑的建筑體型系數過大，通過計算，得到不同模塊數量建筑的單位建筑面積的年供暖需求如表3 所示：

表3 不同數量模塊的輕鋼建筑的供暖需求

4 結論

1）為實現寒冷地區模塊化輕鋼結構建筑的超低能耗，各圍護結構推薦的傳熱系數分別為外墻傳熱系數的推薦值為0.152 W/(m2·K)、屋面傳熱系數推薦值為0.143 W/(m2·K)，地面傳熱系數推薦值為0.268 W/(m2·K)。

2）單模塊化輕鋼結構建筑總全年熱橋附加能耗為149.69 kW·h。其中，在裝配式輕鋼結構各部位熱橋中，L 型墻體單位面積的熱橋附加耗熱量最大，為9.38 kW·h/m2，遠超其他部位；屋面龍骨單位面積的熱橋附加耗熱量最小為0.996 kW·h/m2。由于裝配式輕鋼結構中輕鋼龍骨數目較多這一特點，造成了輕鋼結構建筑比一般的超低能耗建筑的熱橋附加能耗占比大，達到了9.51%。

3）單模塊裝配式輕鋼結構超低能耗建筑的年供暖需求為29.487 kW·h/m2，遠超過寒冷地區超低能耗建筑的年供暖需求15 kW·h/(m2·a)；不同數量的模塊拼接在一起時，由于建筑體型系數的減小，當模塊數取8時便可達到寒冷地區超低能耗建筑單位面積的年供暖需求。