热桥系统

热桥系统（精选五篇）

热桥系统 篇1

当采用外墙自保温时,会有热桥现象,墙柱、墙梁板、门窗、阳台等使得热桥数量急剧增加,这部分热桥所占围护结构的比例相当大,因热桥而造成的建筑能耗达到了20%以上[1]。

玻化微珠保温砂浆具有很好的保温隔热性能,已经被大量应用到到建筑物的外围护结构的保温施工中,因此对该保温系统在热桥部位的研究非常有意义[2]。

本文运用ANSYS分析软件对外墙中柱、外墙角柱节点热桥部位进行数值模拟分析,通过改变热桥局部玻化微珠保温层厚度,分析不同玻化微珠保温层厚度条件下的温度场和热流密度分布,确定热桥的影响区域,进而得出玻化微珠保温层的最佳厚度。将两者热桥部位的结果进行对比,分析热桥对于两者的影响程度,为后续该系列保温系统的设计和优化提供一定的依据。

1 热桥的传热理论

1.1 自保温外墙围护结构的传热分析

自保温外墙围护结构有界面砂浆、保温砂浆、抗裂砂浆、饰面砂浆等多种材料组成。室外冷空气通过墙体以空气对流等形式传递到围护结构外表面,通过导热方式,这部分能量经多个界面层逐步传递到内表面,最后,降低了室内环境温度[3]。

1.2 传热模型的基本假定

(1)混凝土各向介质同性;(2)所用材料的性能不随温度改变;(3)结构内部没有热源和质量源;(4)各材料层与层之间不考虑辐射传热。

1.3 利用ANSYS软件进行二维稳态传热分析的原理

利用ANSYS进行热分析,对于稳态的热传递,其热平衡方程表示如下[4]:

式中:△Q——内部热。

相对应的有限元平衡方程为:

式中:K———传导矩阵,包含导热系数、对流密度、辐射率和形状系数;

T——节点温度向量;

Q———节点热流率向量,包含热生成。

2 热桥影响区域的定义

外墙和屋面等建筑围护结构中,由于其组成材料性能以及结构的不同形式,在室内外温差的作用下,墙柱、墙梁板、门窗、阳台等处的传热能力强,容易造成热流密集,散失大量的热量,且热桥处的内表面温度较低。由于热桥的存在,其周围部位也在被热桥影响,这部分受热桥影响的区域,其热流密度和温度分布均发生了变化,所以,将一定区域内受热桥影响的部分称之为热桥影响区域[5]。

3 模型的建立

按照GB/T 8239—2014《普通混凝土小型空心砌块》的要求,本文选取加气混凝土砌块墙体长度为1000 mm,厚度为200 mm,混凝土柱的截面尺寸为500 mm×500 mm。

运用ANSYS分析软件对外墙中柱、外墙角柱节点热桥部位有无局部保温进行有限元分析,将墙柱处的柱向墙体内部退,热桥柱外表面与墙体外表面不在同一个水平面上,形成凹形状,将柱向内退的范围内添加玻化微珠保温砂浆,对其进行局部保温处理。不进行局部保温处理是指热桥柱外表面与墙体外表面处于同一水平面[6]。分别对外墙中柱和外墙角柱进行传热分析,最后对两者的结果进行对比分析。通过改变热桥局部玻化微珠保温砂浆层的厚度,将外墙中柱和外墙角柱热桥柱局部的玻化微珠保温层的厚度h分别取:0、10、20、30、40、50 mm,其中h=0时表示热桥柱外表面与墙体外表面处于同一水平面,即热桥处不做保温处理。分析不同玻化微珠保温层厚度条件下的温度场和热流密度分布,确定热桥的影响区域,进而得出玻化微珠保温层的最佳厚度。本文以北方寒冷地区冬季采暖情况进行分析,严格按照规范取室内温度为20℃,空气湿度取60%,查室内露点温度表可知,此时空气露点温度为12℃,室内热表面换热系数取8.7 W/(m2·K);取室外温度为-16℃,室外热表面换热系数取23 W/(m2·K)。为了保证热桥影响区域的准确性以及便于ANSYS模拟分析,将墙体的2个端面进行绝热处理[7],其ANSYS分析模型如图1所示,各层材料的热工性能参数见表1。

4 外墙中柱热桥的数值模拟及结果分析

根据图1(a)外墙中柱构造的模型,利用ANSYS对柱热桥处进行模拟分析,得到局部不同保温层厚度下的热流密度和温度分布,如图2和图3所示。

由图2、图3可知,当外墙中柱不采取局部保温措施(h=0)时,热桥中柱与墙体的交界处其热流密度最大,为100.73W/m2。由于加气混凝土砌块自保温墙体的导热系数大大小于钢筋混凝土的导热系数,所以交界处的热流量相对较大。随着局部玻化微珠保温砂浆的保温层厚度的增大,热桥柱区域内的热流密度减小,同时热桥柱的影响区域内的整体温度增大,在向墙体扩展,且热流流向逐渐变的均匀,这是由于随着局部保温厚度的增加,热桥柱的导热系数和加气混凝土墙体的导热系数越来越接近导致的。

根据热桥影响区域的定义以及图2和图3的温度和热流密度,分别取交界处、距墙角100、150、200、500 mm处进行研究,得到不同局部保温层厚度下的温度和热流密度,如表2、表3所示。

由表2可以看出,热桥柱与加气混凝土墙体的交界处相对于其它位置温度最低,且保温层厚度分别为0和10 mm时,其对应的温度为8.02℃和11.66℃,均低于空气露点温度12℃,所以,交界处比较容易发生结露现象。随着局部保温层厚度的增大,交界处的温度逐渐升高,当局部保温层厚度大于20 mm时,交界处温度均高于露点温度,且和墙体其它位置的温度差越来越小。

由表3可以看出,局部保温层厚度从0增大到50 mm时,交界处的热流密度越来越小,且和墙体其它位置的热流密度越来越接近。

由表2、表3可以看出,当距墙角距离大于200 mm时,不同局部保温层厚度下的温度、热流密度非常接近,所以,结合热桥影响区域的定义可知,外墙中柱热桥的影响区域为200 mm。

5 外墙角柱热桥的数值模拟结果分析

根据图1(b)外墙角柱的模型,利用ANSYS对柱热桥处进行模拟分析,得到局部不同保温层厚度下的热流密度和温度分布,如图4、图5所示。

由图4可以看出,当外墙角柱不做局部保温措施时,热桥角柱与加气混凝土墙体的交界处其热流密度最大,为123.21W/m2。随着玻化微珠保温砂浆层厚度从0增大到50 mm,交界处的热流密度减小到47.54 W/m2,流经热桥柱的热流逐渐减少,一定程度上降低了墙体的内外热量交换,进而避免了结露的风险。

由图5可以看出,不同局部保温层下的外墙角柱的温度场分布大致相同,由于加气混凝土自保温墙体的导热系数大大低于钢筋混凝土柱,所以钢筋混凝土柱和墙体交界处的温度最低。由于热量在墙体处传递速度较快,所以构造中温度最大值出现在墙体和钢筋混凝土柱内表面。

不同保温层厚度下墙体内表面不同位置处的温度和热流密度见表4、表5。

由表4可以看出,热桥柱与加气混凝土墙体的交界处相对于其它位置温度最低,且保温层厚度分别为0、10、20、30mm时,其对应的温度为4.14、7.65、9.66、11.01℃,均低于空气露点温度12℃,所以当局部保温层厚度小于30 mm时,交界处比较容易发生结露现象。当局部保温层厚度大于40 mm时,交界处温度高于露点温度,所以为了避免结露现象的发生,外墙角柱的局部保温层厚度应大于40 mm,此时,交界处与墙体的温度差值比较接近。根据热桥的定义以及图4、图5可知,当局部保温层厚度为0时,外墙角柱热桥的影响区域为100 mm,当采取局部保温处理时,其影响区域为150 mm。

6 2种热桥数值模拟结果比较分析

当局部保温层厚度为0时,外墙中柱热桥柱区域内的热流较大,外墙角柱靠近墙体的区域热流较大,且热流随着距墙角距离的增大而迅速减小。当热桥柱采用局部保温措施时,外墙中柱的热桥的影响区域比外墙角柱的大,且热桥部位的影响也较为明显,其散热也较大。所以,在相同条件下,外墙中柱比外墙角柱更应该加强保温处理。

7 结论

根据北方寒冷地区冬季采暖的情况,研究了外墙中柱和外墙角柱2种热桥部位的稳态数值传热模拟。通过对2种构造热桥部位进行局部保温处理,分析其温度分布和热流密度,得出如下结论:

(1)对于外墙中柱,当保温层厚度为0和10 mm时,其对应的温度为8.02℃和11.66℃,均低于空气露点温度12℃,容易发生结露现象。当局部保温层厚度大于20 mm时,交界处温度均高于露点温度,所以,为了避免结露现象,外墙中柱的局部保温层厚度应大于20 mm。

(2)对于外墙角柱,当保温层厚度分别为0、10、20、30 mm时,其对应的温度为4.14、7.65、9.66、11.01℃,均低于空气露点温度12℃,容易发生结露现象。当局部保温层厚度大于40mm时,交界处温度大于露点温度,所以,为了避免结露现象,外墙角柱的局部保温层厚度应大于40 mm。

(3)外墙中柱的热桥影响区域为200 mm,外墙角柱的影响区域为150 mm。当采取局部保温处理时,相同条件下,外墙中柱比外墙角柱的热桥影响区域大,散热大,实际工程中应重视热桥影响区域的散热问题,同时应注意外墙中柱比外墙角柱更应该加强保温处理。

摘要：基于ANSYS有限元分析和温度场理论,针对外墙中柱和外墙角柱热桥部位进行数值模拟分析,通过改变热桥局部玻化微珠保温砂浆层厚度,分析研究不同保温层厚度条件下的温度场和热流密度分布。结果表明:局部玻化微珠保温层厚度对热桥部位的温度和热流密度影响比较明显。为了避免结露现象,外墙中柱的局部保温层厚度应大于20 mm,外墙角柱的局部保温层厚度应大于40mm。采取局部保温处理时,外墙中柱的热桥影响区域为200 mm,外墙角柱的热桥影响区域为150 mm,热桥影响区域内损失的热量较多,所以应重视热桥影响区域的散热问题。相同条件下,外墙中柱比外墙角柱的热桥影响区域大,散热多,更应该加强保温处理。

关键词：ANSYS有限元分析,玻化微珠保温砂浆,温度场,热流密度,外墙中柱,外墙角柱,热桥

参考文献

[1]汪越.夏热冬冷地区新型玻璃轻石外墙保温体系热桥传热分析[D].武汉:武汉理工大学,2012.

[2]岳俊峰.玻化微珠保温砂浆基本性能试验研究及在整体式保温隔热建筑中的应用[D].太原:太原理工大学,2010.

[3]刘学来.建筑热桥内表面温度的确定及外保温措施的研究[D].西安:西安建筑科技大学,2004.

[4]DéquéF,Ollivier F,Roux J J.Effect of 2D modelling of thermal bridges on the energy performance of buildings:Numerical application on the Matisse apartment[J].Energy and buildings,2001,33(6):583-587.

[5]任俊.热桥的影响区域[J].暖通空调,2001,31(6):109-111.

[6]Al-Anzi A,Krarti M.Local/global analysis of transient heat transfer from building foundations[J].Building and environment,2004,39(5):495-504.

自保温墙体热桥部位保温措施研究 篇2

墙体自保温是一种依靠墙体材料自身的热阻满足传热系数和热惰性指标要求的节能技术,墙体自身的热阻和热惰性较高,不需要在外侧或内侧粘贴复合保温层。该技术由于施工简单、保温效果好等优点在夏热冬冷地区应用较广,但是在自保温墙体中人们往往只关注外墙主体部位的热工性能,而对于一些特殊部位,比如建筑窗户、外门、室内地面、围护结构交角处以及热桥等热流密度集中的地方,设计人员和施工人员往往容易忽视。据有关文献[1]指出,这些部位的热损失占建筑外围护结构耗热量的40%~60%,而在这些特殊部位中热桥处的附加能耗可以占到总能耗的25%~50%(在砖混结构中一般占到5%左右)。因此,对建筑热桥部位进行分析,全面准确地反映热桥部位的热工状况,以及在热桥部位采用何种保温措施,是摆在我们面前迫切需要解决的问题。

1 热桥的概念及危害

1.1 热桥的概念及形式

热桥是指处在外墙和屋面等围护结构中的钢筋混凝土或金属梁、柱、肋等部位,因这些部位传热能力强,在室内外温差的作用下,热流较密集,内表面温度较低,故称为热桥。常见的热桥有处在外墙周边的钢筋混凝土抗震柱、圈梁、门窗过梁,钢筋混凝土或钢框架梁、柱,钢筋混凝土或金属屋面板中的边肋或小肋,以及金属玻璃窗墙中和金属窗中的金属框和框料等。在GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》给出了常见的5种形式的热桥。

1.2 热桥的危害

建筑热桥不仅增加了墙体局部传热量,降低了墙体平均传热热阻,还恶化了围护结构内表面的温度环境。这主要是由于热桥部位内表面温度较低,寒冬期间,该处温度有可能低于露点温度,此时,水蒸气就会凝结在其表面上,形成结露。此后,空气中的灰尘容易沾上,使热桥部位表面逐渐变黑,从而长菌、发霉。热桥严重的部位,在寒冬时甚至会淌水,对生活和健康影响很大。在节能建筑中,建筑热桥对能耗及室内热环境质量影响很大,既增大了建筑能耗,又降低了室内热环境的质量。

张淑红[2]对不同结构组合外墙测试结果表明,外墙热桥部位的热流密度大幅度高于外墙主体部分,其中以过梁的传热最多,由于热桥部位传热系数过大,导致了外墙平均传热系数的增加,其中490 mm厚黏土砖墙增加10%、砌块夹心墙体增加45.4%、砌块外保温墙体增加20.0%,可见热桥导致外墙主体部位传热系数增加的幅度非常大,外墙主体的保温效果越好,热桥影响越应引起重视。

2 热桥部位保温措施

2.1 政策性措施

由于热桥部位的特殊结构,热流密度较大,很容易使内表面温度低于露点温度而结露,因此JGJ 26—95《民用建筑节能设计标准》中规定:热桥部位应采取必要的保温措施,以防止热桥部位内表面结露。另外,热桥部位采取保温措施也有利于减少传热热损失。

建筑热桥部位所增加的传热损失如不采取措施,或者在计算建筑耗热量时不加以考虑,则耗热量的计算结果将会偏小,或是所设计的建筑物将达不到预期的节能效果。近年来,国外一些国家已经开始考虑这一影响,具体做法主要有2种:一是考虑周边热桥的影响,用外墙的平均传热系数来代替主体部位的传热系数;二是将周边热桥部位与主体部位分开考虑,周边热桥部位另行确定其传热系数。JGJ 134—2001《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中在确定建筑热桥对采暖住宅围护结构传热计算时,采用的是第1种方法,外墙因受周边热桥影响,其平均传热系数按面积加权平均计算,如图1所示。

外墙在周边热桥的影响条件下,其平均传热系数按式(1)计算:

式中:Km——外墙的平均传热系数,W/(m2·K);

Kp——外墙主体部位的传热系数,取计算值或检测值,W/(m2·K);

Fp——外墙主体部位的面积,m2;

KB1、KB2、KB3——外墙周边热桥部位的传热系数,W/(m2·K);

FB1、FB2、FB3——外墙周边热桥部位的面积,m2。

GB 50176—93中有关热桥部位内表而温度验算的方法采用了第2种方法。

2.2 技术性措施

2.2.1 设计原则

热桥保温处理,就是将某种导热系数很小的保温材料附加到热桥的适当部位。但实际做起来则要受到使用、构造等各方面的限制。例如,钢筋混凝土夹心保温板的肋条,实际上无法进行有效的保温处理。再如,聚苯乙烯泡沫塑料虽是很适合局部保温处理的好材料,但它又怕碰撞,又怕火烧,裸露在外面使用不合适[3]。

加强保温是处理热桥的有效办法,采用外墙内保温可以提高外墙内表面温度,但外墙与隔墙、外墙与楼板等连接处的热桥比较明显。采用外保温则由于保温层覆盖住整个外墙面,有利于避免热桥的产生,但对于门窗四周侧壁也应注意妥善保温,避免此处热量过多散失。构造方式也会影响保温效果,因此设计时需遵循下列原则:

(1)尽量避免出现贯通式热桥。贯通式热桥以钢筋混凝土框架的填充墙中的梁、柱最为典型。这类热桥即使其宽度a远小于主体部分的厚度δ,也能引起内表面温度明显下降。因此,在必须使用贯通式热桥时,可在热桥部位采取局部保温措施,根据法国建筑科学技术研究所的试验研究,这类热桥最好以硬质泡沫塑料结合墙壁内粉刷综合处理。图2为贯通式热桥的处理原则,热桥处用聚苯乙烯泡沫塑料附贴,其内侧及墙壁其它部分为普通灰浆粉刷。

保温层的厚度由式(2)确定:

式中:d——热桥保温层的厚度,m;

R0——主体部分的传热阻,m2·K/W;

R′0——热桥部分的传热阻,m2·K/W;

λ——热桥保温材料的导热系数,W/(m·K)。

试验表明,仅在热桥宽度a范围内保温是不行的,因为热桥两侧一定范围内的表面温度仍比主体部分低得多。为此建议保温层的宽度l为:当a<δ时,l>1.5δ;a>δ时,l>2.0δ。

(2)在围护结构构造设计时,首先要尽可能将非贯通热桥布置在靠室外一侧。因为此时的内表面温度要比热桥靠室内一侧时高得多。然后,再按前面贯通式热桥的处理方法,在室内一侧,去掉l宽范围内厚度为d的原主体材料,代之以保温性能更好的材料(加气混凝土板、水泥膨胀珍珠岩板、膨胀蛭石砂浆等)。当然,这些保温材料的使用,仍然要与主体部分的内粉刷以及隔汽层等统一考虑。

(3)尽量减小热桥断面面积。热桥断面面积越小,通过热桥的热损失越小,因此,在不影响结构功能的前提下应尽量减小断面面积。

2.2.2 一般热桥节点保温处理措施

(1)一般采用在热桥两侧增加足够长度附加保温的做法,如在周边热桥部位粘贴一定厚度的聚苯板或贴砌一定厚度的加气混凝土砌块等高效保温材料,或在热桥部位内侧抹一定厚度和长度的保温带等保温措施。

(2)采用膨胀矿渣珠、火山渣、浮石、陶粒等导热系数小的混凝土结构材料,其热阻为同等传热厚度普通混凝土的2~3倍。这就大大地提高了热桥本身的热阻,减轻了热桥结露的危害。对于一般的钢筋混凝土圈梁、过梁、砌块外墙的钢筋混凝土现浇带、窗台板、外墙上的挑出板、伸出屋顶及外墙上的钢筋混凝土装饰架来说,采用上述材料保温较容易做到。

(3)窗口是外围护结构的复杂部位,对于保温建筑来说更是如此。具有保温层墙体的内层或外层遇到窗口与墙体联接时,即会出现热桥,如窗上、下侧节点热桥、窗侧面节点热桥等。外保温情况比内保温好一些,由于外保温在楼板处保温层连续施工时一定要把墙体保温层从下延伸,与窗台板下部相接。当这些部位用陶粒混凝土空心砌块自保温时也需要做好局部加强保温,在实际调研中发现,很多施工队伍忽略了侧壁保温,只用普通的水泥砂浆抹平。特别是一些做外飘窗的建筑,侧板为保温性能很差的混凝土板,造成非常严重的热桥,可能产生内表面结露、发霉。因此,如果在外墙上的门、窗洞口侧壁的内侧再贴以20~30 mm的聚苯板,保温效果会更好。

2.2.3 房屋结构性热桥保温处理措施

多层混合建筑的圈梁、构造柱、砂浆灰缝,框架或框剪建筑的框架梁、柱、钢筋混凝土剪力墙、底部架空楼板、砂浆灰缝均会构成房屋结构冷热桥。目前国内针对房屋结构性冷热桥的办法不多,除了用各种绝热材料将其包裹起来之外,其它并无好的办法。但轻质低强的绝热材料粘贴在高层房屋的外墙后,给建筑物外墙面粘贴瓷砖及防裂、防渗带来不少问题。

(1)砂浆灰缝冷热桥的解决方案

近几年,随着建筑节能的推进,国内在采用有机保温隔热材料研制保温隔热砌筑砂浆和抹面砂浆方面取得了一些进展。但由于有机材料随着使用年限的增长和受潮影响,出现强度衰减等老化现象。因此,保温隔热砂浆应更多采用陶砂、玻化微珠等无机材料。谭建军[4]给出了普通砂浆和保温砂浆热物理参数的对比,水泥砂浆的导热系数为0.93 W/(m·K),石灰水泥砂浆的为0.87 W/(m·K),无机保温隔热砌筑砂浆的为0.2357 W/(m·K),无机保温隔热抹面砂浆的为0.12 W/(m·K)。可见,无机保温砂浆的热工性能已比普通水泥砂浆和石灰水泥砂浆提高了很多,逐步将砂浆灰缝改为无机保温隔热砂浆将使房屋砂浆结构性冷热桥问题得到解决。

(2)梁、柱、剪力墙、底部架空楼板结构性冷热桥的解决方案主要采取轻骨料混凝土现浇圈梁、构造柱、框架梁、柱、剪力墙、楼板,用膨胀聚苯板代替木模板进行钢筋混凝土现浇。目前湖北宜昌滨江国际花城33层高层商住楼建筑中成功使用页岩结构陶粒泵送混凝土现浇,黏土陶粒混凝土空心砌块作围护结构填充墙,此项目目前已竣工验收;哈尔滨某企业近几年自主研究开发并拥有自主知识产权的采用系列膨胀聚苯板作模板的房屋结构性热桥全遮断的复合保温墙体成套技术成功应用于节能小区建设;湖南长沙市新型墙体材料开发总公司在平塘分公司兴建的2栋轻骨料混凝土的建筑,都是成功解决房屋结构性热桥及提高钢筋混凝土剪力墙、底部架空楼板等重点建筑部位热工性能的有效方式。

3 结语

无论是局部热桥部位还是结构性热桥,都有必要加强保温处理,越是保温效果好的墙体,热桥影响越值得重视。首先,从计算上保证外墙的传热系数要考虑热桥的平均传热系数;其次从设计上保证避免热桥的产生;最后,对于已经出现的一般热桥节点进行局部处理,对于结构性热桥也可从改用保温隔热砂浆或轻骨料混凝土现浇梁、板、柱等方法实现节能目标,这些措施对于热桥部位的处理值得借鉴和推广。

摘要：墙体自保温技术目前在夏热冬冷地区应用较为广泛,外墙主体材料一般能满足节能要求,但对于耗能高的热桥部位,往往没有引起设计人员和施工人员的重视,导致平均传热系数达不到要求。提出了针对一般热桥节点和结构性热桥的保温措施,这些措施值得在自保温墙体中借鉴和推广。

关键词：热桥部位,平均传热系数,保温措施

参考文献

[1]董孟能.夏热冬冷地区热桥对建筑能耗影响的定量分析[J].重庆建筑大学学报.2008(1):

[2]张淑红.热桥对寒区砌体结构建筑节能效果影响[J].低温建筑技术,2004(5):89-90.

[3]武志东.寒冷地区建筑外墙保温技术性能评价[D].西安:西安建筑科技大学,2005.

热桥系统 篇3

外保温复合外墙是寒冷地区节能建筑外围护结构优先采用的一种保温形式, 一般由基底内墙、保温层、饰面抹灰3层构成。此类外保温既可用于新建墙体, 也可用于既有建筑外墙的改造。该保温层对于外墙的保温效能增加明显[1]。由于建筑结构和建筑构造的要求, 常用钢筋混凝土楼板、钢筋混凝土过梁、钢筋混凝土圈梁及其挑耳来加强外保温复合外墙上的内、外层的连系, 以提高复合外墙的整体性。这些几乎无保温层的钢筋混凝土梁、板等就在节能建筑的外墙上形成了传热通道, 即热桥。由于冬季室内的热能很快地通过该部位传至室外, 其内表面的温度较低, 甚至在露点温度之下, 这些温度低的表面与室内的湿空气接触, 从而在这些部位的内表面上产生结露现象。结露严重时, 将导致墙体的保温层受潮, 降低原设计的保温节能效果。随时间延长, 结露面积会逐渐扩大到非热桥区, 使外墙的内表面出现较大面积的黑斑、长毛、发霉等现象, 影响居住卫生和房屋的正常使用, 给住户造成经济损失[2]。因而采取有效措施避免结露的发生和蔓延对建筑物的正常使用非常重要。

1. 热桥结露原因分析

结露是空气中的水分子在温度低时附着在物体表面上的液态水。这种结露 (冷凝水) 不仅造成室内潮湿, 长时间影响下还会引起墙面发霉变黑, 或装饰材料发霉、翘曲变形。建筑单元入口处上方的钢筋混凝土雨蓬、钢筋混凝土阳台板, 以及窗台板和窗边墙, 都会在外保温复合外墙上形成热桥。这些热桥部位的传热阻远远达不到GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》对外围护结构的最小传热阻的要求, 这些热桥部位的内表面出现结露是必然的。其结露的问题比寒冷地区传统外墙上的热桥结露更严重的原因有两方面。

1.1 热桥部位热阻小

寒冷地区传统建筑的外墙一般都为370 mm厚的砖外墙, 其圈梁一般都为240 mm厚。圈梁外侧砌有120 mm厚的砖砌体, 该部位的热阻为0.436 m2·K/W。而节能建筑外保温复合外墙上的圈梁挑耳, 该部位的传热阻仅为0.391m2·K/W, 比传统砖外墙圈梁的传热阻小10.3%。这是外保温复合外墙热桥结露现象比传统砖外墙的热桥结露严重的一个重要因素。

1.2 节能建筑室内湿度大

节能建筑都采用了节能门、节能窗, 它们的缝隙小、气密性好, 且墙上或窗上几乎都没有设置通风换气窗孔。没有良好的通风、换气、排湿设施, 室内空气中的湿气不能很好地排除, 使室内空气的湿度居高不下。另外节能建筑的冬季室温一般都比传统建筑的冬季室温高, 室内空气的绝对湿度也比传统建筑的室内空气绝对湿度大。这是外保温复合外墙上的热桥比传统建筑外墙上的热桥的内表面结露严重的另一重要因素。

2. 防治热桥结露的措施

2.1 采用轻集料混凝土

在外保温复合外墙上, 过梁、圈梁及其挑耳、以及封闭阳台压顶的混凝土, 应尽可能地采用火山渣、浮石、陶粒等作粗细集料的轻质混凝土。其首选的轻集料应该是火山渣和浮石这类天然轻集料。这类天然轻集料的孔隙率大, 孔小而均匀, 且封闭孔多, 又有玻璃质的岩相组成。热能在该类多孔材料中的传递, 要经过一个复杂而曲折的传热路径, 这就相当于增加了材料的厚度;热能在玻璃质每个孔壁的气、固相界面处传递, 热波都要经过一次折射和反射, 这相当于一部分热能在传热方向上进行着逆向传递。数量极多的孔壁界面的折射和反射作用, 就在宏观上表现出该材料的热传递阻碍增大即热阻增大。这就是相同密度的火山渣混凝土、浮石混凝土的导热系数比其它混凝土小的本质[3]。粉煤灰陶粒、页岩陶粒等轻集料混凝土, 虽然导热系数也较小, 但由于其生产能耗较高, 售价也较贵, 故要视具体的技术经济分析后采用。

2.2 采用外贴EPS技术

在外保温复合外墙上将钢筋混凝土的过梁、圈梁及其挑耳等的宽度减少30mm, 并用30mm厚的发泡聚苯板 (密度不小于18 kg/m3) 代替。其工艺是按EPS的施工技术作法, 将该聚苯板牢固地粘贴在过梁、圈梁及挑耳上。聚苯板的外表面处理也按粘贴E P S技术要求进行。这种作法的保温最薄弱的部位, 其钢筋混凝土的宽度 (即在外墙上垂直于墙面的厚度) 为390mm, 聚苯板的保温厚度为30 mm, 该部位的热阻为0.938m2·K/W, 高于对寒冷地区要求的最小传热阻。

2.3 采用保温砂浆或保温粉

在外保温复合外墙上的混凝土过梁、圈梁等部位的内、外两个表面上, 各抹25mm厚的保温砂浆或保温粉拌制的浆料。这种保温砂浆或保温粉制品的密度一般为400 kg/m3, 导热系数小于0.12 W/ (m·K) 。该施工简便、造价低, 是改善热桥结露的简易方法。此作法最薄弱的热桥部位, 其热阻也能达到0.505m2·K/W, 优于370 mm厚砖墙 (热阻0.459 m2·K/W) 的保温性能。

2.4 采用钢丝网架保温板

在外保温复合外墙的混凝土过梁、圈梁等热桥部位视工程的实际情况, 可采用双面钢丝网架聚苯乙烯板、面钢丝网聚苯乙烯发泡板或阻推块型单面钢丝网架聚烯发泡自挂板等, 进行外保温、内保温[4]。这种措施简便且经济实用, 应用灵活, 防治结露效果好。

2.5 室内采取适当通风排湿措施

热桥内表面结露问题不仅与热桥部位的热阻有直接关系, 与建筑物内湿度也有直接关系。目前一个不良倾向是房屋外围护结构的保温和门窗的密封较多, 而对室内换气和排湿关注很少。室内湿度大、温度高、排湿不好, 在墙面产生结露。因而室内通风换气和排湿是必要的, 是居住卫生的要求。

3. 结语

外保温复合外墙的热桥结露问不但具有普遍性, 还有特殊性。实践证明, 只要认真分析发生的原因, 根据建筑物的具体情况选取合适的防治措施, 可以极大地减少结露对建筑物造成的危害, 满足节能建筑使用要求。

摘要：外保温复合外墙是寒冷地区节能建筑优良的外围护结构, 由于建筑构造的要求, 钢筋混凝土构件在外墙上形成热桥。文章分析热桥结露产生的原因, 从保温材料选择、施工工艺和建筑室内维护方面提出目前应用成功的防治热桥结露的方法。

关键词：外保温复合外墙,热桥,结露

参考文献

[1]刘宗仁.土木工程施工[M].北京:高等教育出版社, 2009.

[2]朱盈豹.保温材料在建筑墙体节能中的应用[M].北京:中国建材业出版社, 2003.

[3]王甲春, 阎培渝, 韩建国.外墙外保温系统对墙体结露的影响[J].新型建筑材料, 2004 (1) :51-53.

热桥系统 篇4

2007年10月1日实施的《建筑节能工程施工质量验收规范》(GB50411-2007)明确规定,把通过建筑节能分部工程专项验收作为单位工程验收的先决条件。外墙传热造成的能量损耗占整幢建筑热负荷的比例相当大。如何减少外墙传热进而实现节能是建筑节能研究和实践的一个重要课题。近年来,墙体节能工程技术得到了长足的发展,并成为我国一项重要的建筑节能内容。

外墙保温技术主要包括内保温、外保温、自保温、夹芯保温以及其它的保温体系。作为一种重要的外墙保温技术,外墙内保温比较适合气候条件不太恶劣的非采暖地区使用。其优点:①技术成熟,施工方便,造价低;②对材料、施工技术的要求较低,操作简便,不受室外气候的影响。然而外墙内保温系统也存在一定的缺陷和不足,热桥效应就是其中的一个主要问题,是导致外墙内保温系统保温性能较差的重要因素。对热桥问题应引起足够重视,积极采取有效措施进行防治。

2 外墙内保温构造

外墙内保温是指将保温材料安装在外墙内表面,赋予建筑物保温隔热性能的建筑节能措施。它由保温层、保护层及固定材料等构成,具体构造如图-1。

1-室内装饰面层 2-保温层 3-界面砂浆 4-主体结构层 5-室外饰面层

①室内装饰面层。保护保温层免受刮伤、撞击破坏,同时可有效阻止室内水汽渗入到保温层,防止保温层受潮导致保温性能降低,并作为室内房间装饰饰面层。

②保温层。外墙围护结构主要起节能功能的部位,在福建地区一般采用聚苯颗粒、无机保温砂浆层等高效保温材料,也有采用聚苯乙烯板等保温板材。

③界面砂浆。用以提高墙体材料或保温层基层表面粘结性能的各类聚合物砂浆。

④外墙体。建筑物的外墙围护结构墙体,当前主要形式有混凝土、水泥多孔砖外墙、现浇或预制混凝土外墙等。

⑤室外装饰面层:起保护、装饰外墙作用。

3 外墙内保温热桥原因及危害

3.1 热桥成因

热桥以往又称冷桥,现统一定名为热桥。热桥是指处在外墙和屋面等围护结构中导热系数较大、传热能力强、热流较密集的构件,如钢筋混凝土或金属梁、柱、肋等部位,以及外墙与外墙、外墙与内墙、外墙与屋顶等交角部位,一般广义上称为热桥,热桥包括贯通式和非贯通式等典型情况,具体如图-2。

目前我省工业民用建筑工程基本采用混凝土结构或钢结构作为结构受力体系,用砌体材料作为建筑的围护结构。建筑外围必然存在钢筋混凝土或钢框架柱、梁以及混凝土剪力墙、构造柱、圈梁、楼板等热传导性好的构件。当采用外墙内保温方法作为建筑物外墙围护结构保温体系时,在内墙与外墙、楼板与外墙、被向内偏位的框架柱隔开的外墙等部位保温层不可避免地被断开,无法形成一个封闭、连续的建筑物保温层;这些保温层被断开的部位没有保温层,同时又是热传导性能良好的混凝土或钢构件,因此加剧了能量的向内或向外传导(我省主要是夏天室外热量向室内传导),造成保温效果变差,进而需消耗更多的能量用以保证建筑本身的宜居性。这是形成热桥的最重要因素。

热桥主要有二维、三维传热形式,常见形成热桥的部位有:①建筑外侧梁板、柱、剪力墙与外墙交接处。②外墙之间交接处。③内、外墙交接处。④外墙与外门窗交接处。⑤外墙结构外挑空调板处。⑥外墙结构外挑装饰构件处。⑦屋面外挑天沟处。⑧屋面女儿墙与屋面交接处。

3.2 热桥危害

“建筑是凝固的音乐”。建筑工程在建筑设计时,往往更多的考虑建筑外形组合、视觉观感效果以及建筑艺术表现等方面的要求;为追求立面层次的丰富、美感,建筑物外墙围护结构又采用较多的凹凸进退、局部镂空、创意造型的设计形式,楼层局部位置挑空、架空,突出外立面、屋顶的装饰构件多;同时建筑外飘窗设计也越来越广泛。建筑艺术的不断丰富和多样化,使得当前建筑比以往更容易形成热桥,给建筑工程的保温节能方面带来更大的挑战。

热桥危害主要形式有:①在形成热桥的部位内表面温度在夏天升高,冬天降低。由于室内通风不畅,寒冷、严寒地区冬天室内外温差较大,冷热空气频繁接触,造成房屋内墙结露、发霉甚至滴水,严重影响室内的使用环境和美观;南方温暖地区,夏天室内外也存在温差较大,热桥使室内空调的降温效果大为折减,增大了能量的消耗和损失,节能效果大为折减。②增大了保温材料湿度,导热性提高,能量交换更趋频繁。严寒地区热桥在秋冬季引起室内空气温度降低,从而增大了室内环境相对湿度,导致内保温材料湿度跟着增大,进一步增大其导热系数,造成恶性循环。

外墙内保温系统与不做保温构造的外墙相比较,存在的热桥危害性可能更明显。由于外墙采用内保温系统,建筑外墙厚度一般会减小,其热阻也跟着变小;冬季时热桥内表面温度与室内空气温差更大,这时热损失多,室内环境结露可能性进一步增大。外墙热桥处与外墙围护结构其他部位的温差较大,其他部位会向热桥处传热,由热桥再传至室外,造成建筑物能耗增加。

4 热桥处理措施

2010年,某中心大楼工程施工中外墙围护结构采用外墙内保温系统,主要采取了以下几项设计、施工技术措施。

4.1 设计方面

建筑工程屋面采用外保温,其热桥影响小;当外墙围护结构采用内保温时,如不考虑热桥存在的影响,则耗热量计算结果往往偏小,所设计的建筑工程节能目标达不到预期效果。存在的问题,通常有以下两种解决方法:

①将周边的热桥(KB1、KB2、…、KBn—外墙热桥传热系数)与外墙围护结构(Kp外墙围护结构传热系数)分别单独考虑;

undefined—材料层热阻[(m2·K)/ W];δ—材料层厚度;λ—材料导热系数[W/(m·K)])

R=R1+R2+…+Rn (R1、R2、Rn—各层材料热阻)

Ro=Ri+R+Re(Ro—传热阻;Ri—内表面换热阻;Re—外表面换热阻)

undefined—传热系数[W/(m2·K)])

②考虑热桥影响,采用外墙的平均传热系数。

undefined

备注:Km—外墙平均传热系数[W/(m2·K)];

Kp,KB1、KB2、…、KBn—外墙围护结构、外墙热桥部位的传热系数;

Fp,FB1、FB2、…、FBn—外墙围护结构、外墙热桥部位的面积。

根据《民用建筑节能设计标准》(JGJ26-95)规定,本工程采用以上第二种方法,具体做法如下。

①热桥是客观存在的。

(a)计算外墙的传热系数时,考虑建筑物外侧边的钢筋混凝土梁、柱、剪力墙等热桥存在的影响,按面积加权平均法计算外墙传热系数,其值不超过标准规定的上限值。(b)对于建筑物外侧边的钢筋混凝土梁、柱、剪力墙等热桥,我们积极采取必要的保温措施,确保热桥的内表面的温度不低过室内的露点温度,从而提高外墙整体的保温性能,减少建筑物的传热损失。

②热桥影响应引起重视。

外墙的平均传热系数与外墙围护结构传热系数比值越大,则热桥的影响程度越大。具体来说:(a)热桥的影响程度,与热桥部位的保温水平、面积大小关系密切,保温差、面积大的热桥大大影响外墙保温效果;须对热桥部位进行保温处理,反之外墙体保温层将大大加厚,严重影响建筑物使用功能。本工程中均对所有热桥部位进行合适的保温处理。(b)按统一公式计算出外墙的平均传热系数不超过限值时,不能认为已经达到了节能标准,应重视对建筑物外侧边的钢筋混凝土梁、柱、剪力墙等热桥部位的保温;特别是当前,不少建筑为追求建筑效果,采用大开间、大开洞,在超宽的门、窗洞口两侧设置构造柱,并设置压顶梁等做法,要重视这些部位的保温措施,保证热桥部位的保温满足设计规定,杜绝出现结露、发霉。本工程中17樘大开间门窗洞的热桥部位均进行保温处理。

③认识到平均传热系数法的适用性。

建筑工程中一般按照平均传热系数法进行设计计算,在实际工程应用中热桥影响区内表面基本上达到不结露,有效节约能源,同时考虑到了设计师们的方便;然该方法不能保证所有热桥部位都满足要求,对于重要的热桥影响区,还需对其传热系数进行单独核算。本工程对正立面九层的较大外装饰构件处采取传热系数单独核算,其他部位采用平均传热系数法,经实践证明,取得了较好的效果。

4.2 施工方面

①做好热桥保温的一般做法。

在热桥两侧粘铺足够长度的保温材料,可在热桥周边部位粘贴适当厚度的聚苯乙烯板,也可砌筑恰当厚度的加气混凝土砌块、陶粒混凝土砌块等高效保温材料,还可在热桥部位内侧粉刷合适长、宽的保温砂浆等措施进行保温。本工程的热桥部位采用粉刷无机保温砂浆进行保温。

②采用导热系数小的混凝土粗骨料,以减小热桥效应。

使用陶粒做为混凝土粗骨料,其热阻为普通混凝土的2～3倍,使得热桥本身的热阻大大提高,减少结露。本工程中,一般的钢筋混凝土圈梁、窗台板、空调板、伸出外墙、屋顶的钢筋混凝土装饰条、块,采用陶粒做为混凝土粗骨料进行浇筑,经检测有效降低了构件导热系数。

③外门、窗洞口侧壁的保温要施工到位。

在实际工程中,外门、窗洞口,特别是外飘窗两侧壁,常为保温性能很差的混凝土薄墙,热桥非常严重,很多施工队伍通常采用普通水泥砂浆进行粉刷,忽视了采取保温措施。本工程中,对以上部位的保温工作非常重视,均采取合理的保温措施。

④外墙交角处的处理应认真细致。

外墙交角热工性能的改善,理论上有许多办法可以解决,在具体实施时则经常受到施工周边环境等一系列条件的限制,如外墙与屋顶交角处的处理问题;针对该问题,本工程采用内、外层保温相结合的做法,取得较好成效。

⑤封闭阳台保温不可忽视。

实际工程中,为达到增加建筑面积的目的,一些住宅建筑中建筑商往往要求将悬挑外露式阳台更改为封闭式,其窗下围护墙或栏板通常较薄,而在设计时往往没有作为外围护墙体考虑,忽视了保温层的设置,而且一般封闭式阳台与原设计外围护墙体之间不设置门窗等围护设施;此时封闭式阳台成为一个“大热桥”,建筑工程中必须避免出现这种问题。这提醒了我们,与外界、外部环境直接接触的墙面、管道井等部位必须做保温层,如内阳台、内采光井等部位以及可能出现在住户二次装修中的变更。

5 结束语

目前我省所施工商品用房的保温工程中,主要采用外墙内保温系统,由于本地缺少成熟的理论、实践经验,往往忽视了热桥的存在,或对热桥产生的危害认识不够,或缺乏对热桥的处理手段和措施。本文针对这些问题进行了有针对性的探讨、分析,提出了一些消除热桥的设计、施工技术措施,对同类工程施工有一定借鉴作用。

摘要：本文对近年来外墙内保温系统中热桥的成因、危害进行探讨、分析,并结合工程实例,提出一些热桥处理措施。

关键词：外墙内保温,热桥,处理措施

参考文献

[1]中国建筑科学研究院.GB50411-2007建筑节能工程施工质量验收规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[2]全国民用建筑工程设计技术措施-节能专篇(建筑).建设部工程质量安全监督与行业发展司、中国建筑标准设计研究院.[M].北京:中国计划出版社.2007.

热桥系统 篇5

热桥对围护结构有两大影响,以冬季工况为例,一是降低室内建筑表面温度,引起不舒适以及导致表面霉菌的产生;二是造成额外的热损失,从而增加冬季的采暖能耗[1]。一般认为,热桥是围护结构保温系统中的薄弱部分,相比较非热桥部位,更多的热量在此聚集和通过,因此,在冬季,热桥部位的内表面温度较其他位置低,围护结构整体的热损失由于热桥的存在而局部增大。

1 对节能计算的影响

关于热桥对建筑能耗增量影响的相关研究很多。董孟能等通过计算机模拟,论证建筑能耗的增加与热桥面积的增加呈线性关系。我国的GB50176—93《民用建筑热工设计规范》中针对各种热桥形式,通过修正系数η计算确定热桥对围护结构内表面温度的影响。而我国的节能规范中关于热桥对建筑能耗的影响尚无明确规定。英国暖通设计手册CIBSE Guide A认为,普通的挑出构件(fin construction),如外挑的阳台板,对整体围护结构的热损失存在影响,但当挑出构件的材料导热系数小于2 W/m·K时,这个影响是可以忽略不计的[4]。德国建筑节能规范Energieeinsparverordnung (EnEV)采用修正值△UTB对热桥的影响进行定量计算。△UTB可以根据公式1计算[5]。

式中,HTB表示热桥产生的热损失,Aj为围护结构各组成部分的面积。

在进行能耗计算时,围护结构由于热桥的影响而增加的传热系数(△UTB)根据实际情况和需求,有三种计算方法[6],①△UTB取近似值0.1 W/(m2·K);②如果热桥部位的构造符合规范(DIN 4108—6)中所给出的建造方式,△UTB可取近似值0.05 W/(m2·K);③基于软件或者根据图集,各个热桥单独计算,然后综合考虑他们对整个围护结构的影响△UTB。

从微观层面分析,热桥的存在实际上是导致了从一维层面计算热损失这种方式的不精确性。当建筑围护结构的尺寸以及构造均为已知时,由于室内外温度差引起的房间的热损失可以通过公式2计算得出。

H表示热损失,U和A分别为墙体的传热系数和计算面积。

假设一个平面净尺寸为4 m×4 m,净高2.7 m的室内空间(图1),其两面外墙的构造如表1所示。另两面墙体及房间上下楼板均为绝热,没有热量流动。

注:(内表面、外表面换热阻分别为0.11 (m2·K)/W,0.04 (m2·K)/W)。

墙体的基础传热系数U0为0.572 W/(m2·K),由于墙体具有300 mm的厚度,根据公式2计算热损失时,墙体面积A则有两种选择,内表面面积和外表面面积。

①外墙的内表面面积A1为21.6 m2,因此根据内表面面积和公式2,房间的热损失H1为12.4 W/K。

②外墙的外表面面积A2为23.2 m2,因此根据外表面面积,房间的热负荷H2为13.3 W/K。

对比选择①和选择②,在计算方法一致的情况下,由于计算对象的选择不同,计算结果出现0.9 W/K的误差,原因则在于对转角这一热桥的忽视。

2 热桥的数值计算方法

在不受热桥影响的部位,稳定的热传导状态下,围护结构内表面温度以及墙体的热损失可以通过公式计算得出,但是由于热桥部位构造的不规则,导致热流量分布不均匀,两者都不能通过一维计算得出结果。谢晓娜等提出了等效平板法进行计算,将二维热桥分解为多个一维等效平板,通过求解多个一维等效平板,计算整体的传热[7]。

数值计算则提供了另一种热桥计算的方法,其通过计算机模拟,对热桥的传热进行近似于理论值的求解。目前,市场上所有的热桥计算软件都是根据有限差分法(FDM),有限元法(FEM)和有限体积法(FVM)编制的[8]。

谭伟等通过计算坡屋顶热桥部位的线性传热系数,对比了基于有限元法的ANSYS和基于有限体积法的PIDA两款软件的功能特点,结果表明,ANSYS能够弥补PIDA计算异形围护结构时的不足[9]。ChristianÜbelhör对比分析了三种二维计算软件[10],Flixo,Therm,Winiso,综合考虑他们的精确性,功能性和操作性等特点,分析表明,基于有限元法的Flixo优于采用有限差分法的Winiso。作为一款免费软件,本文选用的Therm同样采用有限元法,其缺陷在于不能直接给出热桥的线性传热系数,以及不能结合当地规范进行判断。笔者曾用Therm计算并比较分析上海地区阳台夏季的遮阳作用与冬季热桥影响的大小[11]。

3 计算方法

3.1 平均传热系数

要计算热桥的面积首先要确定热桥的计算范围。陈利群运用ANSYS软件模拟并计算了多种热桥形式,得出结论,热桥影响范围大约等于其宽度[12]。根据DIN EN 10211,热桥的计算长度不得小于结构厚度的3倍,且必须大于1 m[13](图2)。

热桥部位的传热不均匀,有限元法将待计算的热桥分割为多个矩形,每一个矩形的传热系数为Un,它可以通过公式(3)计算[5]。

式中,Un为矩形的传热系数;θi和θe分别表示室内温度和室外温度;θn为矩形内表面温度;hi为内表面换热系数。

从而,热桥部位的热流量可以通过公式(4)计算[5]。

式中,ΦTB表示热桥部位的热流量;An为矩形的面积。

Therm将热桥部位划分由四边形和三角形组成的网格,通过模拟每一个四边形或三角形的节点传热,得到每一个单元的传热系数Un,从而得到热桥部位的传热系数UTB。热桥部位的传热系数与非热桥部位的传热系数不同,墙体的平均传热系数通过公式5计算得出。

其中,Uavg为墙体的平均系数;U0和A0分别表示围护结构中非热桥部位的传热系数和面积;UTB和ATR则对应热桥部位的情况。

3.2 线性传热系数

线性传热系数Ψ用以描述线性热桥所引起的额外热传递[1]。它可由公式6计算[5]。

式中,Ψ表示线性传热系数;d和w分别表示计算区域的数量和宽度;wTB表示热桥的宽度。

在围护结构表面,单位长度的热桥中的热流量用LTB表示。L0表示不考虑热桥影响下的情况。

因此,线性传热系数Ψ的计算可以用公式9表达

从而,热桥产生的额外热损失由公式10计算得出。

式中,Ψi和li分别表示热桥的线性传热系数和在表皮中的长度。

因此,围护结构总的热损失为:

式中,Ui和Ai分别表示围护结构中各组成部分的传热系数和面积。

3.3 基于有限元法对L形墙角传热系数的校正

利用Therm对上文所述的L形墙角传热系数进行校正,其边界条件设定和模拟结果如图3所示。室外温度-5℃,外表面换热阻为0.04 (m2·K)/W,室内温度18℃,内表面换热阻为0.11 (m2·K)/W。

由于几何形状的不规则,墙角部位的U值受构件尺寸大小的影响。根据Therm的计算,当以墙体内表面为计算对象,其UTB1为0.669W/(m2·K),当以外表面为计算对象,其传热系数UTB2为0.514W/(m2·K)。

①当以内表面为计算对象,热桥的面积ATB1为5.4m2,非热桥面积1 6.2m2,因此,由公式2可知,外墙的热损失为12.88W/K,根据公式5,外墙的Uavg1为0.595W/(m2·K);

②当以外表面为计算对象,其热桥面积ATB2为7.0m2,非热桥面积16.2m2,因此,由公式2可知,外墙的热损失为12.86W/K,根据公式5,外墙的Uavg2为0.553W/(m2.K)。

可以看出,无论是以内表面或是外表面为计算对象,外墙的热损失应是一定的。由于受转角的影响,墙体的平均传热系数并不是0.572 W/(m2·K),若按U0计算,当以内墙面为计算面,热损失值偏小,当以外墙面为计算面,情况则相反。

根据Therm的模拟计算结果,两种情况下的线性传热系数也可以分别得出。

①计算对象为墙体的内表面时,热桥部位的传热系数为0.669W/(m2·K),其长度为2m,根据公式7,8,9,LTB1=1.34W/(m·K),L01=1.14W/(m·K),因此,Ψ1=0.19W/(m·K)。

②计算对象为墙体的外表面时,热桥部位的传热系数为0.514 W/(m2·K),其长度为2.6m,可知LTB2=1.34 W/(m·K),L02=1.49 W/(m·K),因此,Ψ2=-0.15 W/(m.K)。

可以发现,以热桥部位的内表面和外表面为计算对象时,其线性传热系数是不一样的,且一个是正值,一个是负值。他们分别表示热桥考虑之前,对热损失的过低和过高计算。

因此,根据公式10和公式11,两种情况的热损失分别计算如下:

①H1=0.572x21.6+0.19x2.7=12.88 W/K;

②2=0.572x23.2-0.15x2.7=12.86 W/K。

4 热桥阳台和热桥女儿墙

本节采用线性传热系数的方法,计算阳台和女儿墙的热桥大小。以某四层公寓楼为例,平面如图4所示,标准层轴线面积192 m2,层高2.8 m。除一层外,二、三、四层的起居室设有南向阳台。

1—起居室;2一卧室;3—餐厅;4一厨房;5—卫生间;6—阳台

以外表面为计算对象,围护结构的组成如表2所示。若不计算热桥的影响,围护结构的平均传热系数为0.867 W/(m2·K),总热损失为717.71 W/K。

墙身剖面A-A和剖面B-B如图5所示,除墙脚及门窗与墙体交接处外,需要考虑的热桥有三种,分别是阳台,女儿墙和L形墙角。

1—砂浆抹面;2—240mm砖墙;3—EPS;4—混凝土;5—XPS

通过上文的计算可知,当以外表面为计算对象,墙角的线性传热系数为-0.15 W/(m·K),阳台、女儿墙的计算过程和结果如图6,7和表3所示。

因此,本例中,因阳台,女儿墙及墙角所产生的额外的热损失为42.78 W/K,根据公式11,围护结构总的热损失为760.49 W/K,其由于这三种热桥增加了约6%;此外,根据公式1,由于这三种热桥产生的△UTB为:

5 结束语

本文从热桥对围护结构能耗计算中存在的问题出发,讨论了热桥对能耗计算的影响,并且基于计算机软件Therm的模拟,计算分析L形墙角,阳台和女儿墙三种热桥形式。

(1)线性传热系数Ψ是用以表达对围护结构的综合传热系数的校正值。以L形墙角为例,利用墙体的U值,墙角相垂直的两个方向发生的热传导可以分别计算得出,而转角处的热量流动对整体围护结构的影响则需要通过热桥这一概念加以修正。一般情况下,热桥对围护结构的能耗影响是负面的,但是校正值Ψ值可以是正值,也会是负值。正值意味着更多的热传导需要考虑,负值则说明修正之前围护结构的传热系数的计算值偏高。

(2)通过实例计算,阳台,女儿墙及墙角使得围护结构的热损失增加了约6%,其平均传热系数增加了约0.05 W/(m2·K)。

6 讨论

(1)数值计算为热桥部位的传热提供了更为精确的计算方法,但是,由于计算机模拟耗时长的特点,其尚未融合到实践中[8]。以本文中的公寓楼为例,由于阳台和女儿墙所产生的热桥有数十处之多,假若每一处热桥均用Therm详细计算,得出热桥部位的传热系数后再计算整体的平均传热系数,工作量将非常巨大。用线性传热系数的方法可以将相同的热桥归类分析,文中公寓楼的热桥被分为三类,从而大大缩减了工作量。此外,线性传热系数还可以根据各种图集查阅得出,如居住建筑节能设计标准(征求意见稿)给出了某些热桥构造的线性传热系数[14],模拟过程的省略将会进一步缩减计算量。

因此,丰富热桥的线性传热系数图集具有很大的意义,除本文所述三种热桥外,如墙脚热桥,门窗框体与墙体交接热桥,以及各种形式的热桥在不同保温层厚度条件下的情况等等。由计算过程可知,尽管热量流动是由于温差的存在,但是热桥部位传热系数的计算值与温度无关,它描述的是围护结构客观具有的物理性能,只与材料特性和尺寸有关。因此,国外各种热桥图集具有直接借鉴意义。

(2)三维热桥模型需要进一步研究,并与二维热桥模型的比较。李魁山等已经运用FLUENT软件建立三维热桥模型,从热桥的角度证明在上海地区外保温比内保温更具有适应性[15]。本文计算基于二维传热,在文中所示公寓楼的屋顶四角的部位,热桥女儿墙以三维传热的形式存在,若采用三维计算的方法和软件,可能可以更精确的计算此热桥对传热的影响。