近零能耗居住建筑典型结构性热桥对围护结构传热系数影响模拟分析

康美华，邓琴琴，聂金哲，李德英

（1.北京建筑大学，供热、供燃气、通风及空调工程重点实验室，北京 100044；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

2019年，我国出台了GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》，以进一步规范近零能耗建筑的建设，其中明确建筑围护结构保温性能对建筑能耗有很大影响。随着保温层厚度的增加和低导热系数保温材料的应用，建筑围护结构主断面的保温性能提高，但建筑围护结构中一些非均匀部分由于热阻被明显改变，在室内外温差的作用下，形成了热流相对密集、内表面温度较低的区域，这些部位成为传热较多、热损失较大的桥梁，被称为热桥[1-2]。装配式建筑中常见的热桥部位包括：外墙的板材接缝以及墙角、屋顶檐口、墙体勒角、楼板与外墙、外挑楼板、内隔墙与外墙连接处等，这些热桥成为围护结构的保温薄弱环节。因此，近零能耗建筑节能设计和施工时对围护结构热桥的处理方法是目前研究的热点[3-6]。

在建筑能耗计算过程中，围护结构传热量是重要的环节之一。在围护结构传热量计算过程中，除了按照传统的一维传热理论计算传热量，还应该考虑墙体结构性热桥线传热系数产生的传热量。目前严寒及寒冷地区一般居住建筑广泛应用的外墙平均传热系数的计算方法是应用修正系数，修正系数取值在1.1～1.5。修正系数法应用简单方便，但其并不能完全准确反应热桥对于围护结构传热系数的影响，尤其是在建筑围护结构体系和保温做法相差较大的情况下，这种修正系数法与真实的传热系数差别较大。近零能耗居住建筑在不同地区选用不同种类保温材料及厚度时，其热桥部位所产生的线传热系数并不相同，为了更好地分析近零能耗居住建筑的外围护结构热桥节点部位引起的传热损失，需要准确计算建筑围护结构中的热桥节点处的线传热系数[7]。本文选取某既有近零能耗居住建筑为研究对象，选用常用外墙保温材料模塑聚苯板（EPS）、石墨聚苯板（SEPS）、发泡聚氨酯复合板（PU）、岩棉条（RW）4种保温材料，在严寒（哈尔滨）及寒冷（北京）地区典型城市气象条件下通过改变保温材料种类及厚度等参数对常见热桥节点部位进行传热损失的模拟分析。根据模拟结果对热桥数值进行分析，进而得出建筑围护结构传热量需考虑的热桥影响，为寒冷及严寒地区近零能耗居住建筑节能设计提供参考。

1 模型建立

选取的某近零能耗居住建筑坐北朝南共2层，每层层高为3.1 m，建筑面积为330.6 m2，体形系数为0.425，建筑东向、西向、南向、北向窗墙比分别为0.03、0.03、0.57、0.15。各层平面布局如图1所示。

图1 近零能耗居住建筑各层平面布局

对建筑可能存在热桥的部位进行分析，选取常见结构性热桥包括外墙与内墙、外墙角、外墙与屋檐、窗口、外挑楼板与外墙连接处、外角柱等[8]，分为8种模式进行热桥的二维非稳态传热分析计算，节点简化模型见图2。计算过程采用北京市、哈尔滨市典型气象年的气候参数作为计算条件。

模拟计算选取二维稳态传热模拟软件P-Temp，该软件在围护结构热桥线传热系数的计算以及围护结构热桥部位温度分布等问题的计算分析中广泛应用[9]。在软件中，将围护结构每一层材料用矩形区域表示，赋予相应的材质和热阻，通过建立一系列解决稳定热传导问题的结构化网格法，设置好各网格边界条件和温度后，可对各种节能墙体、窗户、屋面等不同部位的传热损失规律进行细化研究，包括热桥部位温度场和该节点处的热桥线传热系数数值的计算分析。

图2 外墙常见结构热桥节点简化模型

2 模拟方案

2.1 模拟工况

建筑热工和建筑节能计算中通常应用的传热理论是“稳态一维平壁传热”，其主断面传热系数按式（1）、式（2）计算：

式中：K——平壁的传热系数，W（/m2·K）；

αi、αe——围护结构内、外表面传热系数，W（/m2·K）；

λ——围护结构中各材料的导热系数，W（/m·K）；

d——围护结构中各材料的厚度，m。

依据GB/T 51350—2019对居住建筑围护结构技术参数的规定，严寒地区外墙平均传热系数为0.10～0.15W（/m2·K），寒冷地区外墙平均传热系数为0.15～0.20 W（/m2·K），当墙体基层材料为200mm厚钢筋混凝土时，4种保温材料在不同外墙传热系数下的材料厚度见表1。

表1 4种保温材料在不同外墙传热系数下的材料厚度

为模拟分析外墙不同保温材料及厚度对线传热系数的影响，EPS厚度设置为180～350 mm、SEPS厚度设置为150～300 mm、PU厚度设置为110～250 mm、RW厚度设置为240～450 mm，同时设定所有工况下外窗的传热系数为1.0W（/m2·K）的3层玻璃，屋面采用400 mm厚发泡聚氨酯复合板保温，进行综合模拟，围护结构材料的热工性能参数见表2。

表2 围护结构材料的热工性能参数

2.2 边界条件参数

根据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》，在各材料接触良好的条件下设定：（1）与室内外空间接触的墙面按第3类边界处理，其中与室内空间相邻的表面传热系数取8.7 W（/m·2K），与室外空间相邻的表面传热系数取23.0W（/m2·K）；（2）墙体内部垂直于热流方向的截面边界为第2类边界，热流密度取0；（3）其他材料层间的边界定义为内部边界；（4）近零能耗居住建筑房间，冬季室内计算温度取20℃，室外热工计算温度以典型城市气象条件进行取值，根据不同气候区外墙蓄热系数进行计算，得到哈尔滨市冬季室外热工计算温度为-28.4℃，北京市冬季室外热工计算温度为-10.4℃；（5）每个矩形在X、Y轴方向分别默认划分为等距离的10个单元；（6）计算结束条件：热流允许残差小于0.000 005 W/m2，最大迭代次数为800 000次。

3 结果分析

3.1 节点热桥分析

由于不同保温材料的热桥节点建模方式以及参数设置相差不大，此处暂以在寒冷地区（北京）气象条件下采用150mm厚SEPS外保温工况下的结构性热桥的线传热系数分析进行。

3.1.1 外墙与内墙（楼板）热桥节点

外墙与内墙交接处热桥节点模型建立及温度分布情况如图3所示。以卧室外墙与内墙节点处建立模型，假设该内墙结构简化为200mm厚钢筋混凝土，长度为1 m；外墙左侧长度为0.3 m，右侧长度为0.7 m，设置好材料属性，经计算，外墙主断面的线传热系数为0，即该处无明显热桥。

图3 外墙与内墙交接处热桥节点模型及温度分布

3.1.2 外墙角热桥节点

该建筑外墙角热桥节点存在外阳角和外阴角2种情况[10]。节点模型建立及温度分布情况如图4所示，对于外阳角节点模型，假设外墙内边界长度为1 m，计算得热桥线传热系数ψ=-0.03W（/m·K），是由于角部外保温材料相当于多出一个保温层厚度的矩形区域，使该处的实际热阻比邻近区域要大，所以线传热系数比一般直线型外墙的线传热系数要小；而对于外墙阴角处热桥线传热系数ψ=0.01 W（/m·K），说明存在一定的由线传热系数引起的热量流失。

图4 外墙角热桥节点模型及温度分布

3.1.3 外墙与屋顶热桥节点

外墙与屋顶热桥节点模型建立及温度分布情况如图5所示，采用既有建筑的屋顶保温做法，即屋顶基层材料为300mm厚钢筋混凝土与400 mm厚聚氨酯外保温。假设模型中屋檐高度为500 mm，其中左侧保温为200 mm厚聚氨酯，上部为200 mm厚聚氨酯与外墙保温材料拼接，右侧为外墙保温材料，经计算，该外墙与屋顶交接处，热桥线传热系数ψ=0.07 W（/m·K），这一结果说明屋面部位存在明显的结构性热桥。

图5 外檐热桥节点模型及温度分布

3.1.4 平窗口热桥节点

平窗口热桥节点模型建立及温度分布情况如图6所示，建筑中采用高效保温材料封闭外窗安装缝隙，使外窗位于钢筋混凝土墙体与保温层中部时，计算得到热桥线传热系数ψ=0.01 W（/m·K），依然存在一定的由线传热系数引起的热量流失，热工计算附加传热系数时需考虑该数值。

图6 外窗热桥节点模型及温度分布

3.1.5 外挑楼板热桥节点

外挑楼板热桥节点模型建立及温度分布情况如图7所示，根据严寒及寒冷地区对外挑楼板平均传热系数的要求，选择楼板材料为200 mm钢筋混凝土与80 mm厚保温材料进行模拟，经计算，水平外挑楼板与竖向外挑楼板节点的线传热系数均为ψ=0.17W（/m·K）。该结果说明建筑阳台以及室外空调机位等伸出外墙的构造，均有可能出现较大数值的线传热系数，即使采取了外保温措施，在热工计算热流时也不能忽略。

图7 外挑楼板热桥节点模型及温度分布

3.1.6 外角柱热桥节点

外角柱热桥节点模型建立及温度分布情况如图8所示，根据模型中外角柱的构造做法，假设外角柱向外延伸0.4 m，保温构造做法与外墙相同，经计算，该处热桥线传热系数ψ=0.13 W（/m·K），热桥数值较大。

图8 外角柱热桥节点模型及温度分布

3.2 线传热系数与保温材料及厚度关系分析

通过对不同气候区近零能耗居住建筑常见结构性热桥部位的模型分析，得到2个典型城市采用4种不同厚度保温材料的热桥线传热系数，结果如图9、图10所示。

图9 严寒地区（哈尔滨）常见典型热桥节点线传热系数

图10 寒冷地区（北京）常见典型热桥节点线传热系数

从图9、图10可以看出，严寒及寒冷地区不同保温材料及厚度外墙阴角处线传热系数均保持不变；严寒地区外檐节点处热桥线传热系数在保温材料及厚度变化下基本保持不变，而寒冷地区稍有变化，随保温材料厚度的增加呈增大的趋势；外平窗处热桥线传热系数变化趋势较小；外挑楼板及外角柱节点处线传热系数均较大，且随着保温厚度的增加呈减小的趋势，但并不能完全消除。

4 热桥对传热系数影响分析

4.1 外墙平均传热系数计算方法

如前所述，由于通常的保温措施不能完全杜绝结构性热桥的线传热系数，在建筑围护结构传热量计算过程中，除了考虑按照传统一维传热理论计算出的墙体传热量，还应考虑墙体结构性热桥线传热系数产生的传热量，根据GB 50176—2016对一维传热平均传热系数的修正按式（3）计算：

式中：ψj——第j个结构性热桥的线传热系数，W（/m·K）；

Lj——第j个结构性热桥的长度，m；

A——计算对象单元的墙体面积，m2；

K——按照一维传热理论计算出的对象单元墙体主断面的平均传热系数，W（/m2·K）。

在实际工程计算中，计算一栋建筑的全部结构性热桥的线传热系数需要耗费很多设计工时。因此在JGJ26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》中给出了常见的一般节能建筑外墙平均传热系数按照简化式（4）进行计算，其中修正系数常见取值为1.1～1.5。

式中：Km——外墙平均传热系数，W（/m2·K）；

φ——修正系数。

式（4）对于外墙平均传热系数的范围为0.25～0.60 W（/m2·K），且随着传热系数的减小，修正系数逐渐增大，而近零能耗居住建筑外墙平均传热系数要求更小，修正系数的选取必须依据热桥线传热系数带来的影响。对此，仍选取前述近零能耗居住建筑为分析案例，以模型中热桥长度为参考，通过数据对比，来判断对于常见的钢筋混凝土结构的近零能耗建筑中结构性热桥引起的平均传热系数的变化情况，进而计算修正系数。

4.2 案例计算

该建筑模型外墙结构中，外平窗部位、外阴角部位、外檐部位、外墙竖向外挑楼板、外墙水平外挑楼板、外角柱的热桥长度依次为216.8、12.4、72.6，25.6、27.6、25.6 m，外墙总面积为327.96 m2。将模型数据代入式（1）～式（3），且相同厚度保温材料在不同地区的结构热桥线传热系数相同，通过计算4种保温材料在不同厚度下的主断面传热系数、平均传热系数分项和修正系数如图11所示，其中修正系数是由热桥影响的传热系数与主断面传热系数的比值。

图11 保温材料及厚度对外墙热桥及平均传热系数的影响

由图11可见，哈尔滨、北京地区4种保温材料不同热桥部位的线传热系数大小虽然有所差异，但是由线传热系数引起的平均传热系数分项基本不随保温材料厚度的变化而变化。近零能耗居住建筑保温层厚度在限值范围内，热桥引起的传热系数分项对主断面传热系数和一维稳态传热系数的影响随着保温层厚度的增加呈增加的趋势，且严寒和寒冷地区变化趋势均成线性关系。

随着EPS保温材料厚度由180 mm增加到350 mm，热桥引起的主断面传热系数由0.34 W（/m2·K）增大到0.65 W（/m2·K）；随着SEPS保温材料厚度由150 mm增加到300 mm，热桥热桥引起的主断面传热系数由0.25W（/m2·K）增大到0.62W/（m2·K）；随着PU保温材料厚度由110 mm增加到230 mm，热桥热桥引起的主断面传热系数由0.27 W（/m2·K）增大到0.55 W（/m2·K）；随着RW保温材料厚度由210 mm增加到420 mm，热桥热桥引起的主断面传热系数由0.38 W（/m2·K）增大到0.76 W（/m2·K），4种保温材料由热桥引起的传热系数分项对一维稳态传热系数影响稍有减小，但趋势相同。

根据对严寒及寒冷地区典型结构性热桥对主断面传热系数的影响曲线进行拟合，计算出在相同主断面传热系数下，4种保温材料由热桥引起的平均传热系数修正系数如图12所示。

图12 热桥修正系数与保温材料种类及主断面传热系数的关系

由图12可以看出，4种保温材料由结构性热桥线传热系数计算的外墙平均传热系数对主体传热系数的修正系数在1.2～1.8，对围护结构热工性能影响较大。

5 结 论

（1）围护结构外墙与内墙联接处、外墙与楼板联接处形成的线传热系数近于0；外墙阳角处由于角部外保温材料相当于多出一个保温层厚度的矩形区域，导致该处的线传热系数为负数，但对外墙阴角处的热桥数值需进行考虑；不同工况下外保温墙上的平窗口节点热桥线传热系数这一数据虽然不大，但存在一定的热量流失；所有伸出外墙的构造，如：挑板、屋檐、外角柱等，均存在较大线传热系数的结构性热桥。

（2）对于近零能耗居住建筑，其结构热桥对外墙平均传热系数影响较大。从总体上看，在严寒和寒冷地区外墙平均传热系数限值内，随着保温材料厚度的增加，由热桥线传热系数引起的平均传热系数分项基本保持不变，但对主体传热系数的影响程度明显增加，其中修正系数可达1.2～1.8。

（3）对EPS、SEPS、PU、RW外墙保温材料而言，在严寒及寒冷地区的材料传热系数修正系数不同，其中影响程度大小为RW＞EPS＞SEPS＞PU。

（4）对于一般建筑，围护结构的平均传热系数可应用修正系数进行简化计算，而当围护结构出现明显的结构性热桥时，可依据典型热桥线传热系数以及对应的热桥长度进行累加计算。在近零能耗建筑节能设计过程中，应在评估设计建筑可能产生的结构热桥的线传热系数状况之后，再决定使用修正系数或考虑线传热系数引起的平均传热系数分项的平均传热系数，以兼顾建筑节能与节材的要求。