夏热冬冷地区节能公共建筑墙体热桥效应影响研究——以嘉兴市为例

张 燕，罗义英，赵美红，徐丹妮，陈 骆，汤俊雁

(嘉兴学院 建筑工程学院，浙江 嘉兴 31400)

1 引言

墙体是建筑围护结构中占比最多的主要组成部分，其能耗占整个建筑能耗的近一半；而结构梁、柱、外墙转角等构造部位传热能力更强，热流较密集，故称为“热桥”或“冷桥”。如果保温措施不当，冬季内表面温度较低，夏季内表面温度较高，室内过热，致使建筑能源浪费[1～3]。所谓“热桥效应”，即热传导的物理效应，主体墙与钢筋混凝土梁、柱等传热能力相差较大，对建筑节能影响较大，所以目前墙体的保温性能一般用考虑热桥影响的平均传热系数表示，本文依据2016版《民用建筑热工设计规范》[4]推荐热桥线传热系数计算软件，选取当地典型墙体构造，计算比对热桥对公共建筑墙体保温性能的影响。

2 平均传热系数及热桥线传热系数计算方法

2.1 热桥线传热系数计算公式

文献[1]C.2规定，建筑外围护结构中，结构梁、柱、墙角等结构性热桥对墙体、屋面传热性能的影响用线传热系数描述，计算方法可采用公式(1)：

(1)

式(1)中：ψ为热桥线传热系数[W/(m·K)]；Q2D为二维传热计算得出的流过一块包含热桥的围护结构的传热量(W)；K为围护结构平壁的传热系数[W/(m2·K)]；A为计算Q2D的围护结构的面积(m2)；ti为围护结构室内侧的空气温度(℃)；te为围护结构室外侧的空气温度(℃)；l为计算Q2D的围护结构的长度，热桥沿这个长度均匀分布；C为计算Q2D的围护结构的宽度，即A=l·C。

2.2 热桥线传热系数计算软件

实际工程中，结构性热桥的线传热系数按(1)式计算太过繁琐，故文献[1]还配套了计算光盘，采用二维稳态传热原理的计算软件PTemp，本文就利用这个方法计算当地某商业中心等局部热桥对墙体传热性能影响。

2.3 墙体传热系数计算公式

在ψ已知的条件下就可以通过式(2)计算出墙体平均传热系数。

(2)

式(2)中：Km为围护结构单元的平均传热系数[W/(m2·K)]；K为围护结构平壁的传热系数[W/(m2·K)]；ψj为围护结构上的第j个结构性热桥的线传热系数[W/(m·K)]；lj为围护结构第j个结构性热桥的计算长度(m)；A为围护结构的面积(m2)。

3 某商业中心平均传热系数及热桥线传热系数计算方法

某办公建筑位于嘉兴(北纬=30.73°，东经=120.77°)，建筑类型为公建，建筑物周边无遮挡，建筑朝向为南偏西47.6°。建筑层高3.9 m,柱中心线距离3.9 m，窗高2.1 m。

3.1 墙体及热桥柱构造实例

取该建筑南向墙体的一个计算单元，外墙主体部分构造如图1a所示，该建筑中热桥柱构造如图1b所示。墙体基层材料分别选取当地主流材料钢筋混凝土、烧结保温砖、蒸压砂加气混凝土砌块(B06)作为3种类型墙体进行计算分析，保温层分别选取无机保温砂浆和PEX保温板进行计算分析。

图1 墙体构造

1-涂料饰面层；2-水泥砂浆；3-墙体基层；4-钢筋混凝土；5-保温层；6-抗裂砂浆(玻纤网)

3.1.1 外墙构造

外墙主体部分从外至内构造为饰面层+水泥砂浆(20.0 mm)+墙体基层(240.0 mm)+保温层(35.0 mm)+ 抗裂砂浆(玻纤网)(5.0 mm)，见表1。

3.2.1 热桥柱构造

结构性热桥取外墙的主要承重构件热桥柱分析，组成(从外至内)饰面层 +水泥砂浆(20.0 mm)+钢筋混凝土(240.0 mm)+保温层(35.0 mm)+抗裂砂浆(玻纤网)(5.0 mm)，见表2。

3.2 墙体及热桥柱传热系数计算

3.2.1 热工材料参数参考依据

根据当地建筑节能标准要求，热工材料参数参考依据表3。

表1 外墙主体部分构造

注：墙体基层及保温层的各项参数根据具体材料的选择来确定

注：保温层的各项参数根据具体材料的选择来确定

表3 热工材料参数参考依据

3.2.2 墙体温度分布

按上表构造在线传热系数计算软件Ptemp上绘得相应的墙体构造图，如图2；选取冬季室内外参数，通过软件计算可得相应的热桥线传热系数和墙体温度分布图，如图3。

4 传热系数计算结果比对

从温度分布图中我们可以发现热桥结构的存在会令墙体内部沿墙体方向温度分布不均匀，形成一定温差。由于温差的存在使主墙体与热桥结构之间形成热流，造成房间流量额外流失[5]，所以我们需要通过计算分析合理选择外墙构造，削减热桥效应，确定墙体的保温性能。

图2 Ptemp中绘得墙体结构

1-抗裂砂浆(玻纤网) 2-保温层 3-墙体基层 4-水泥砂浆 5-钢筋混凝土

4.1 外墙加权平均传热系数比对分析

《民用建筑热工设计规范》GB50176-2016外墙平均传热系数判定。

图3 不同材料墙体温度分布

(a)基层为混凝土，保温层为聚苯板；(b)基层为混凝土，保温层为YT保温砂浆；(c)基层为烧结保温砖，保温层为聚苯板；(d)基层为烧结保温砖，保温层为YT保温砂浆；(e)基层为蒸压砂加气混凝土砌块(B06)，保温层为聚苯板

4.2 结果分析

(1)通过计算结果可以看出，同种保温材料下不同墙体基层的外墙，主体墙和热桥部位传热系数越接近，温度分布较均匀，如图3中a和b。但其传热系数偏大，通过围护结构的热损失较大，沿厚度方向由内向外温度降较大。

(2)仅增加主体墙的保温性能，采用自保温加外保温，热桥柱和主体墙的连接部分温度不均匀，如图3中c、d、e、f，致使沿墙体水平方向的温度应力增大。由于温度热应力影响，有可能墙体外表面开裂等质量通病。所以在工程设计时，应对热桥采用较好的保温构造。

(3)当采用保温性能较好时，其传热系数较小，而热桥柱的线传热系数相对较大。但墙体平均传热系数较小，墙体保温性能较好。

(4)由表4可知，由于热桥柱线传热系数对墙体传热系数的影响，致使墙体传热系数增加0.13%～4.00%。在实际建筑中，即使一个墙体计算单元中往往存在多种多个热桥，所以，不能热桥线传热系数对墙体降低墙体保温性能的影响不容忽视。

表4 外墙平均传热系数计算分析

5 结语

当主体墙的传热系数与热桥构造传热系数相接近时，此时热桥的影响较小，温度分布较均匀；当只提高主体墙的保温性能，使主体墙与热桥柱的传热系数相差较大时，主体墙的连接部分温度不均匀，会造成墙体外表面开裂等质量通病。在节能建筑墙体构造设计时应引以重视。通过计算，可知一个热桥的线传热系数对墙体传热系数的影响可到达4%。所以，其对降低墙体保温性能的影响不容忽视，在实际设计时，不应只重视主体墙的保温，也应对热桥部位采用保温性能较好的构造措施比仅提高主体墙的保温性能更合理。