寒冷地区装配式超低能耗建筑外墙板拼缝断热桥技术研究

郝雨杭，付素娟，王萌，时元元，罗景辉

（1.河北建研科技有限公司，河北 石家庄 050227；2.河北省建筑科学研究院有限公司，河北 石家庄 050227；3.河北建研工程技术有限公司，河北 石家庄 050227；4.河北工程大学，河北 邯郸 056038）

0 前言

随着建筑耗能在国内能源总消耗量中的占比逐年提升，通过节能手段，在保证舒适度的前提下有效降低建筑能耗成为如今建筑业的发展趋势。超低能耗建筑能源利用效率高，居住舒适性好，是发展较为迅速的新型节能建筑。近年来，装配式建筑逐步兴起，在政府大力提倡发展超低能耗建筑和装配式建筑的背景下，如何更好地融合装配式技术和超低能耗技术是巨大的挑战。

采用装配式建造方式，围护结构预制构件在安装后会存在一系列规则的缝隙，这些缝隙打破了超低能耗建筑保温的连续性，未经处理的接缝将形成热桥[1]，大幅降低建筑节能效率[2]，因此有必要开展外墙板间拼缝断热桥技术的研究。

外墙板间缝隙可以采用聚氨酯现场发泡进行填补，目前普遍采用发泡聚氨酯满填的方式处理板缝。但由于超低能耗建筑围护结构的保温层厚度较大，保温材料厚度增大时热桥的影响程度也会有所提高[3]，是否一定要满填才能满足断热桥要求有待研究。发泡聚氨酯的填充厚度及填充位置对断热桥效果的影响成为本文探究的主要问题。

本文针对寒冷地区装配式建筑，采用有限元二维传热模拟，计算预制混凝土夹芯保温墙板用发泡聚氨酯在不同填充厚度、填充位置下的温度分布、热流量及拼缝线传热系数，从热工性能的角度对比分析不同处理措施的断热桥效果。

1 组合墙体二维传热计算方法

在装配式建筑围护结构中，墙板与墙板连接的部位易形成结构性热桥。GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》规定利用热桥线传热系数ψ描述结构性热桥对传热的影响，式（1）为热桥线传热系数的计算公式[4]。超低能耗建筑要求热桥线传热系数ψ≤0.01 W/（m·K）。

式中：Q2D——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——围护结构平壁的传热系数，W/（m2·K）；

A——计算Q2D的围护结构的面积，m2；

ti、te——围护结构室内、外侧的空气温度，℃；

l——计算Q2D的围护结构的长度，m。

C——热桥另一条边的长度，m。

热桥节点的热桥线传热系数ψ结合其长度l，可以通过式（2）求得考虑了热桥影响后单元墙体的平均传热系数Km：

式中：Km——单元墙体的平均传热系数，W/（m2·K）；

K——单元墙体的主断面传热系数，W/（m2·K）；

ψj——单元墙体上第j个结构性热桥的线传热系数，W/（m·K）；

lj——单元墙体第j个结构性热桥的计算长度，m；

A——单元墙体的面积，m2。

工程领域中可以通过有限差分法对二维稳态温度场进行迭代求解，但是计算较为复杂。通过有限元模拟软件内部的导热微分方程结合热力学第一定律和傅里叶定律，建立温度的通用微分方式，可以快速准确地求解物体内的温度场和热流密度场。因此，本文采用有限元二维传热模拟计算，对寒冷地区装配式超低能耗建筑中外墙板板间竖缝的热桥处理措施进行研究。

2 发泡聚氨酯填充方式模拟分析

郭娟利等[5]证明了装配式建筑采用二维传热计算方法的可靠性。本文设置了基础模型，对比了填充厚度为110、70、50、40 mm，填充位置分别为保温层中央以及靠近室内、外侧的优化模型，通过计算不同处理措施下热桥区的温度场分布、热流以及线传热系数，探究发泡聚氨酯填充厚度与填充位置对拼缝处热桥的影响。

2.1 基础模型

2.1.1 基础模型参数

研究对象选定为装配式建筑中常见的预制混凝土夹芯保温墙板。寒冷地区超低能耗居住建筑外墙的传热系数应不大于0.15W/（m2·K）。JGJ1—2014《装配式混凝土结构技术规程》规定装配式建筑外挂墙板间的接缝宽度不应小于15 mm。

基础模型选用220 mm挤塑聚苯板作为夹芯保温层。基础模型的外叶板和内叶板均为钢筋混凝土，厚度分别为60、150 mm，墙板拼接预留缝隙为20 mm。基础模型中板缝满填发泡聚氨酯保证竖向拼缝保温的连续性，并通过填充PE棒、建筑密封胶等手段保证防水密封性能，最后用砂浆对竖向板缝进行找平，基础模型如图1所示。

模拟计算前处理阶段，需要输入构造各层材料的热工参数，用于计算外围护结构的传热系数。根据GB 50176—2016附录B，各材料的性能参数见表1。

表1 外墙板构造材料的性能参数

2.1.2 边界条件设置

初始条件需输入建筑室内外空气温度，超低能耗建筑要求墙体具备良好的保温性能和密封性能，本文以寒冷地区石家庄为例，根据DB13（J）/T 273—2018《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》，设置室内温度为22℃，室外温度为-8℃。围护结构与室内外空间接触的边界条件采用第三类边界条件，根据GB 50176—2016，室内、外侧对流换热系数分别设置为8.7、23.0 W/（m2·K），墙体断面设置为绝热边界条件。

2.1.3 基础模型温度分布（见图2）

由图2可以看出，通过在缝隙处满填发泡聚氨酯，能实现保温层的连续性，可以有效断热桥，不同材质层间温度分布均匀。本研究中，冬季室内空气相对湿度取60%，室内计算温度为22℃，室内露点温度为13.89℃。拼缝处内表面最低温度不低于露点温度，无结露风险。目前普遍采用的聚氨酯发泡满填的处理形式能够有效地阻断热桥、避免结露。

2.2 优化模型

将发泡聚氨酯分别填充于保温夹芯层的中央、靠近室外一侧以及靠近室内一侧，分别记为优化模型A、B、C。在不同优化模型中，发泡聚氨酯的填充厚度分别取110、70、50、40 mm，分别记为（A/B/C）-1、（A/B/C）-2、（A/B/C）-3、（A/B/C）-4，然后模拟墙板的温度分布，计算热流量及线传热系数。优化模型建模示意如图3所示。

2.2.1 优化模型温度场分析（见图4~图6）

由图4可知，当发泡聚氨酯填充于保温层中央、填充厚度为110 mm时，拼缝对墙板室内侧温度场的影响较小；当填充厚度降到50mm时，可以看出靠近室内侧拼缝处温度明显波动；而当发泡聚氨酯的填充厚度从50 mm降到40mm时，对墙板内部温度场分布影响不大。

由图5可知，当发泡聚氨酯填充于保温层靠近室外一侧时，拼缝对于靠近室外侧温度场的影响较靠近室内侧要小，体现在室外侧拼缝处的温度场波动较小。当填充厚度降到50 mm时，靠近室外侧拼缝处温度明显波动，而当填充厚度从50 mm降到40 mm时，对墙板温度场的影响加剧。

由图6可知，当发泡聚氨酯填充于保温层靠近室内一侧时，拼缝对靠近室内侧温度场的影响较靠近室外侧要小，体现在室内侧拼缝处的温度场波动较小。填充厚度为110 mm时，拼缝对于墙板室内侧温度场的影响非常小。当填充厚度降到50 mm时，靠近室内侧拼缝处温度明显波动，而当发泡聚氨酯的填充厚度从50mm降到40mm时，对墙板内部温度场分布的影响依然显著。

2.2.2 优化模型传热分析（见表2）

表2 优化模型的热流量及线传热系数

由表2可知：

（1）对于优化模型A，发泡聚氨酯填充于保温层中央，当填充厚度为110 mm时可满足断热桥要求；而当填充厚度继续降低时，则线传热系数不能满足小于0.01W/（m·K）的要求。当填充厚度从110 mm降到40 mm时，通过墙板的热流量从4.898 W增大到5.336 W，增幅约9%，室内的供暖负荷增大，不利于节能。

（2）对于优化模型B，发泡聚氨酯填充于保温层靠近室外一侧，即使填充厚度为110 mm时线传热系数依然不满足断热桥要求。当填充厚度从110mm降到40mm时，通过墙板的热流量从5.225 W增大到6.458 W，增幅约24%，说明当发泡聚氨酯填充于靠近室外一侧时，当填充厚度无法起到断热桥效果时，室内的散热量大，意味着需要消耗更多能源保持室内环境舒适。在填充厚度相同时，发泡聚氨酯填充于保温层中央情况下，通过墙板的热流明显小于填充于靠近室外侧，断热桥效果更好。

（3）对于优化模型C，发泡聚氨酯填充于保温层靠近室内一侧，当填充厚度为110mm时，线传热系数满足断热桥要求；当填充厚度降到70 mm时，已不满足断热桥要求。当填充厚度从110mm降到40mm时，通过墙板的热流量从5.015W增大到5.976 W，增幅约19%，热量损失更为明显。在填充厚度相同时，发泡聚氨酯填充于室内侧较填充于室外侧通过墙板的热流量有所减少。

3 结论

（1）在寒冷地区，通过向外墙板间夹芯保温层处填充发泡聚氨酯，可以有效消除热桥效应，发泡聚氨酯的填充位置和深度对墙板拼缝处的热工性能有一定影响。

（2）当发泡聚氨酯填充于保温层靠近室外一侧时，填充厚度达到110mm时仍无法实现断热桥；当发泡聚氨酯填充于保温层中部和靠近室内一侧时，发泡聚氨酯的填充厚度达110 mm时可以满足断热桥要求。

（3）当填充相同厚度发泡聚氨酯的时候，填充于保温层中央时热流损失最低，效果最好，其次是填充于保温层靠近室内一侧。