外墙外保温干挂系统典型构造的热桥分析

程海峰，　张　虎，　张　举

(安徽建筑大学节能研究院，安徽 合肥　230022)



外墙外保温干挂系统典型构造的热桥分析

程海峰，张虎，张举

(安徽建筑大学节能研究院，安徽 合肥230022)

摘要：对建筑物外墙外保温干挂系统典型构造中存在的“热桥”对系统热工性能的影响进行了分析。通过典型构造中“热桥”对系统传热系数影响的计算比较，指出外墙外保温装饰一体化板材构造中“热桥”所造成的热量损失很小, 与示范工程实测数据分析结果相吻合，并提出了降低“热桥”影响的构造措施。

关键词：外墙外保温；干挂系统；热桥

0引言

随着人类对居住环境要求日益提高，建筑能耗也随之有了很大增长。目前，我国建筑能耗占社会总能耗的30%，与工业能耗、交通能耗并称我国社会的三大能耗领域。因此，提倡建筑节能，对降低社会能耗具有重大的意义[1]。建筑节能的重点是围护结构的节能，外墙保温隔热是建筑节能的重点之一[2]。按照保温材料在外墙中的位置可分为外墙外保温、中间保温、内保温等三种保温方式，其中以外墙外保温最优，并且其技术已经发展到一定的程度[3]。外墙外保温干挂系统的典型构造主要有：有封闭空气间层和无封闭空气间层的保温隔热构造方式。本文选取其两种典型构造，分析存在的“热桥”对建筑物外墙保温性能的影响，并提出隔断“热桥”的措施。

1热桥危害

所谓热桥是指建筑围护结构中的一些部位(如梁、柱、门和窗)与主墙体材料存在传热性能的差异, 在室内外温差的作用下, 这些部位成为热流相对密集、内表面温度较低(或较高)的区域, 与主墙体传热相比, 成为热量流失的主要桥梁, 故称为热桥,有时又可称为冷桥[4][5]。

热桥在建筑中普遍存在，是不可避免的；同时，热桥有许多的危害，如[6]：增加围护结构局部传热量，降低围护结构的平均传热热阻，增加建筑能耗;因结露使墙体潮湿，破坏室内装修，墙皮脱落，破坏室内景观，助长病菌的滋生，破坏室内卫生环境；破坏结构安全。

热桥对建筑最大的影响就是增加了建筑的能源消耗。在传统建筑中, 热桥能耗占建筑总能耗的5% ～ 7%, 而在节能建筑中, 通过热桥的能耗则可达到20%以上[7]； 多层建筑中热桥占总能耗的比例为7% ～ 20%, 而在高层建筑中热桥能耗占总能耗的比例达到20% ～ 30%[8]。

2典型外墙外保温构造的分析

2.1　两种典型外墙外保温构造

2.1.1外墙外保温装饰一体化板材安装构造

外墙外保温装饰一体化板材(以下简称“一体化板材”)采用干挂法施工，现场组合式安装，其首先采用膨胀螺栓将龙骨固定在外墙上，再用自攻螺钉把一体化板材固定在龙骨上，两块板材之间采用榫槽拼接的方式，形成较好的保温节能装饰效果。

由于静止的空气导热系数很小，为了提高建筑物的热工性能，常在围护结构中设置封闭的空气间层，作为围护结构保温层。常见的有封闭空气间层的保温构造如集保温装饰一体化的外墙外保温构造。

一体化板材与建筑物外墙之间形成了25mm相对静止的空气层。因空气在常温常压条件下的导热系数为 0.024 W/( m·K) ,远远低于建筑上常用保温材料的导热系数。因此，该静止空气层与一体化板材共同组合达到双重保温的节能效果。一体化板材的安装构造见图1。

图1一体化板材安装构造图

2.1.2外墙干挂石材安装构造

外墙干挂石材施工安装构造：石材幕墙立柱与混凝土结构通过预埋件连接；横梁通过角码、螺钉或螺栓与立柱连接；挂件与横梁之间采用长圆孔螺栓固定进行的连接；挂件再与石材的连接。在石材面板背后开孔或开槽，用背栓或背夹连接[9]。外墙干挂石材安装由于构造的需要，常常空气间层的间距比较大，难以形成静止的空气层，外墙干挂石材构造属于常见的无封闭空气间层外墙装饰构造。石材干挂外墙保温系统主要由墙体结构层、保温层、饰面层三部分组成；保温层材料目前大多采用岩棉；饰面层主要为大理石、花岗岩等。安装程序：先进行幕墙立柱的固定安装，后进行横梁安装，再在基础墙面与石材饰面之间铺贴防火岩棉保温层，最后进行石材外装饰面的固定。干挂石材安装构造见图 2。

图2干挂石材安装构造图

2.2　两种典型构造的热桥分析

由图1可知一体化板材通过专用龙骨干挂在建筑外墙，板间采用特殊设计的榫槽结构拼接，形成较好的整体装饰效果。一体化板材与建筑物外墙之间形成了25mm相对静止的空气层。空气在常温常压条件下的导热系数为 0.024 W/( m·K) ,远远低于建筑上常用保温材料的导热系数,因而该静止空气层充当保温层与一体化板材一起，达到双重保温、隔热的效果，并能有效避免墙体发霉现象。在整个一体化板传热面上只有膨胀螺栓处存在热桥，而膨胀螺栓固定部位很小,其对整个一体化板传热热工性能影响极小。

从图2外墙干挂石材构造图可以看出，由于安装构造的需要留出150一300mm的距离设置幕墙立柱、横梁、挂件，因此在石材与基层墙体之间产生一定厚度的空气层。石材与基本墙体之间距离较大，同时幕墙立柱、横梁之间存在气流相互贯通，因此空气层存在比较强烈的对流运动，不能起到保温隔热的作用。在石材的固定中存在石材与幕墙立柱、横梁、挂件等金属材料的直接接触，其存在的热桥造成的耗能不可低估。

3数据比较

我们以平均传热系数来比较两种热桥对传热影响。平均传热系数Km(w/m2·k)是指外墙包括主体结构及其结构性热桥等部位在内的各部分传热系数平均值。平均传热系数的计算方法有很多种，下面我们采用常用的面积加权法来进行平均传热系数的计算。其基本计算思路是将外墙主体部位和周边热桥部位的一维传热系数按其对应的面积加权平均[10]，计算公式如下：

(1)

其中，Kp—外墙主体部位的传热系数(w/m2·k)；

Fp—外墙主体部位的传热系数(m2)；

K1—热桥部位的传热系数(w/m2·k)；

F1—热桥部位的传热系数(m2)。

3.1　膨胀螺栓对一体化板材综合传热系数 Km值的影响

不考虑热桥时，一体化板材系统的传热系数如下：以钢筋砼的基层墙体作为算例，系统构造参数见表1。

表1　钢筋砼墙体的保温装饰一体化系统的做法及性能参数

不考虑热桥的影响，钢筋砼墙体的保温装饰一体化系统的传热系数K值计算如下：

考虑到膨胀螺栓对系统传热的影响时，系统的传热系数计算如下：

根据《外墙外保温系统构造图集》(六)(图集号：皖2008J211)中板材竖向布板要求：复合龙骨水平向布置，间距@300～500mm；龙骨与基层墙体用膨胀螺栓锚固，间距@300～500mm；根据要求，龙骨间距和螺栓间距都取500mm。在面积为2000×2000mm的基层墙体上，龙骨间距取500mm，螺栓间距取500mm，则螺栓布置如图3。基层墙体、系统构造及材料各种参数与表2.1中各参数相同。

图3膨胀螺栓布置图

不考虑膨胀螺栓对传热的影响时，系统的传热系数为0.55w/m2·k；现在考虑到膨胀螺栓后，系统的传热系数按照面积加权法来计算,Kp=0.55w/m2·k； Fp=4m2；膨胀螺栓导热系数l=16.2w/m·k，螺栓尺寸为M8×80mm；经计算可得到系统的平均传热系数为0.557w/m2·k；与不考虑螺栓时系统的传热系数0.55w/m2·k相比，系统传热系数增大了1.27%。

3.2　石材挂件对石材综合传热系数 Km值的影响

选取厚30mm的外保温石材，面积尺寸为400mm×1000mm，则需要2个尺寸为5mm×40mm×100mm不锈钢石材挂件，挂件导热系数λ=60w/m·k；不考虑石材挂架时，系统传热系数已经计算，K=0.9w/m2·k；现在考虑石材挂件部分对热桥的影响，用公式(1)计算得考虑到系统平均传热系数Km为1.1w/m2·k；我们可以看出考虑到石材挂件后，石材传热系数增大了22%。石材挂件对石材幕墙的传热系数影响较大，这部分热桥的存在所造成的热量损失不可忽略。

4一体化板材示范工程实测

示范工程合肥尚泽国际写字楼为测试(试验)对象进行外墙外保温装饰一体化系统冬季热工性能(温度、热流密度)的检测。

4.1　测试设备

采用由北京世纪建通环境技术有限公司提供的JTDL-80温度与热流动态数据采集系统，可同步实施测量温度和热流密度，并能根据设定的存储时间间隔自动存储数据。热流密度传感器采用硬板式，主要是用来测试平面热流密度，其精度在正常时可小于±3﹪。测量温度在正常时精度±0.2℃。

4.2　测试方案

测量点设置：热流密度测量点位于一体化板材内壁表面处于两条横向龙骨的中心位置和靠近用膨胀螺栓固定龙骨的位置，每个测量点安装一个热流密度探头，分别用来测量一体化板材内壁热流密度，与热流密度探头相对应的一体化板材外表面以及墙体内表面的位置各安装一个温度探头。图4为方案布置图(A-一体化板材内表面热流密度测量点1，B-一体化板材内表面热流密度测量点2，C-墙体内表面温度测量点，D-一体化板材外表面温度测量点)，图5为安装现场图。

图4一体化板材示范工程实测方案

图5一体化板材示范工程实测现场

4.3　实验数据分析

选择2014年 12 月 5 日至8日连续96小时测试数据进行分析，通过对实测热流密度数据分析发现被测A、B两处热流密度相对变化很小仅为2.50%～3.13%。实测膨胀螺栓处热桥对系统传热性能的影响与3.1计算结论相吻合。

5热桥隔断办法

建筑物中“热桥”是不可避免的，必须采取相应的措施。热桥处理的基本原则是：对热桥部位加强保温;用热阻较大的材料替代热阻较小的材料;改变安装构造方式等。通过上述分析可知，幕墙干挂石材系统，挂件对传热的影响较大，对石材挂件可采取在挂件周围加贴保温材料的方式来降低其对传热的影响。通过上述措施可以使建筑物中的“热桥”耗能程度大幅度降低。

6结论

(1)一体化板材构造中，理论分析膨胀螺栓处热桥对系统传热性能的影响极小，传热系数仅增大1.27%,与示范工程实测数据分析结果相吻合。

(2)干挂石材构造中，金属挂件、龙骨对系统传热性能的影响较大，传热系数增大22%。

(3)保温装饰一体化板材与保温、装饰分设干挂系统比较，热桥对传热性能的影响差别90%以上。

(4)改变龙骨、挂件等构造型材材料，或采用绝热材料隔阻热流通道是进一步提高系统热工性能的有效方法。

参考文献

1傅树威. 既有建筑外围护结构节能改造技术分析.节能，2013，(5)：43-46.

2黄友生.“空气层”在湖南地区建筑外围护结构中的保温隔热作用研究.长沙：中南大学，2011.

3郭靓.浅谈外墙保温构造技术.科技信息，2011，(21)：311-313.

4王海燕.复合墙体热工特性与能耗分析 .哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2007.

5李玉梅.多层建筑围护结构窗口热桥 .哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2007.

6吴雪岭.热桥问题的产生与解决办法.吉林建筑设计，2006，(3)：37-49.

7郭俊, 赵立华, 马继涌，等.节能建筑中热桥对供暖负荷和能耗指标的影响 .暖通空调, 1995, 25(2):10-12.

8刘鹏飞.高层建筑混凝土柱热桥传热分析 .哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2007.

9吴尉.石材幕墙连接设计.施工技术，2010，39 (增刊)：547-550.

10杨丽萍.闫增峰等外保温钉粘部位对围护结构热工性能的影响.住宅科技，2010，(10)：42-45.

Analysis onThermal Bridge of Typical Structure

of Dry Hanging Exterior Insulation System

CHENG Haifeng,ZHANG Hu,ZHANG Ju

(Energy Research Institute of Anhui Jianzhu University, Hefei, 230022)

Abstract:In this paper, we analyzes the effect on the system’s thermal performance of the “thermal bridge”,which existing in the typical structure of the building exterior insulation dry hanging system. Through the calculation and comparison of the “thermal bridge” in the typical structure influence on the system's heat transfer coefficient, point out that the heat loss caused by the “thermal bridge” in the integration of exterior insulation decorative plank structure is quite small, which coincide with the analytical results of measured data of demonstration project, also puts forward structural measures to reducing the influence of “thermal bridge”.

Key words:exterior insulation; dry hanging system; thermal bridge

中图分类号：TU86

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)02-061-05

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150213

作者简介：程海峰(1966-) ，男 ，教授级高级工程师，主要研究方向为建筑与区域热湿环境实现技术；建筑与区域能源系统集成技术; 建筑HVAC系统的性能化设计。

基金项目：国家科技支撑计划课题(2011BAJ03B04)

收稿日期：2014-12-22