結(jié)構(gòu)性熱橋?qū)Ω駱?gòu)墻熱工性能的影響

岳亞鋒 焦 娜 張永利

（1、西安歐亞學(xué)院，陜西 西安710065 2、西安交通大學(xué)，陜西 西安710049 3、西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安710055）

在利用建筑能耗模擬軟件進(jìn)行建筑節(jié)能分析時(shí)，墻體及樓板等不透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模型通常為多層勻質(zhì)結(jié)構(gòu)[1]，而裝配式格構(gòu)墻建筑的預(yù)制墻板，由間距較密的普通混凝土框格與加氣混凝土填充塊在墻體平面內(nèi)復(fù)合而成[2]，如圖1 所示，無法直接利用相關(guān)軟件中已有的墻體熱工模型進(jìn)行能耗模擬，需要先行分析其熱工性能，并將墻體等效為傳熱效率相同的勻質(zhì)墻體，再利用軟件進(jìn)行建筑能耗分析。張堅(jiān)[3]利用ansys 軟件對格構(gòu)墻的傳熱過程進(jìn)行模擬，但過程較為復(fù)雜，不便于工程應(yīng)用。

1 一維穩(wěn)態(tài)傳熱模式下格構(gòu)墻的傳熱阻

在進(jìn)行建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能分析時(shí)，室內(nèi)外溫度可視為定值，而建筑外墻通常由多層材料疊合而成，且墻的厚度通常遠(yuǎn)小于其高度及寬度，因而多采用一維穩(wěn)態(tài)平壁傳熱假定，即認(rèn)為透過墻體的熱流強(qiáng)度均勻分布、處處相等，墻體內(nèi)溫度沿其厚度方向呈直線變化。

與一般墻體的多層勻質(zhì)構(gòu)造不同，預(yù)制格構(gòu)墻板中的普通混凝土框格與加氣混凝土填充塊交錯(cuò)布置，且間距較小，如圖1所示。對于此類墻體的傳熱系數(shù)，常將墻體分層分塊后再進(jìn)行計(jì)算[4]。如圖2 所示，首先按照格構(gòu)墻板層的材質(zhì)，將墻體全厚劃分為若干條塊，各條塊內(nèi)再依材質(zhì)劃分為層。各條塊內(nèi)均包含內(nèi)飾面層、墻板層（內(nèi)框格或填充塊）及外飾面層等多個(gè)材料層，且同條塊的各層中均僅含一種材料，因此條塊的熱阻為各層熱阻之和，如第I 條塊的熱阻為：

圖1 裝配式格構(gòu)墻結(jié)構(gòu)體系

圖2 格構(gòu)墻傳熱阻計(jì)算簡圖

式中，Ri、Re為墻體內(nèi)、外表面換熱阻，R1、R2及R3為墻體第I 條塊各層次的熱阻。

求得各條塊熱阻后，再將各條塊得熱阻按照并聯(lián)的方式相聯(lián)，則圍護(hù)墻體總熱阻為

式中，A=AI+AII+…+AN為計(jì)算單元的總面積，AI、AII…為各條塊墻面面積。

上述計(jì)算過程與電學(xué)電路中的串并聯(lián)電阻計(jì)算方法類似，先將墻體各條塊內(nèi)多層次的熱阻沿?zé)崃鞣较虼?lián)，然后再將不同條塊的熱阻垂直于熱流方向并聯(lián)。格構(gòu)墻體的填充材料常結(jié)合地材進(jìn)行選取，可選粉煤灰加氣混凝土、EPS 輕骨料混凝土、棉花秸稈草磚等輕質(zhì)材料。對于填充材料為粉煤灰加氣混凝土的格構(gòu)墻體，采用上述方法計(jì)算得到其傳熱阻為0.723m2·K/W。

2 格構(gòu)墻傳熱分析

前述一維穩(wěn)態(tài)傳熱的本質(zhì)為熱流僅沿垂直于墻面方向傳播，適用于單層圍護(hù)結(jié)構(gòu)及多層勻質(zhì)結(jié)構(gòu)。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料在其平面內(nèi)有變化時(shí)，熱流穿過圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)還會(huì)存在垂直厚度方向的分量，即在墻板平面內(nèi)進(jìn)行傳播，屬于傳熱學(xué)中的二維傳熱或三維傳熱模式。對于目前大部分的建筑墻體，基本可視為多層勻質(zhì)結(jié)構(gòu)，采用一維傳熱模式進(jìn)行計(jì)算完全可以滿足建筑設(shè)計(jì)需要。對于外墻與混凝土柱或樓板等構(gòu)件形成的熱橋，屬于局部問題，可通過結(jié)構(gòu)性熱橋考慮其影響。而格構(gòu)墻板采用普通混凝土與加氣混凝土在平面內(nèi)交錯(cuò)復(fù)合，間距密而數(shù)量多，且框格與填充塊部位的熱阻比為9.19，必須要考慮二維傳熱效應(yīng)。

2.1 穩(wěn)態(tài)傳熱下格構(gòu)墻的傳熱量

一維穩(wěn)態(tài)傳熱模式下透過墻體的熱量為：

其中，K=1/R0代表墻體的傳熱系數(shù)，A 為墻體面積，Δt 為室內(nèi)外溫差。

對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)在二維模式下的傳熱量Q2D計(jì)算，獲得函數(shù)形式的溫度分布幾乎不可能，通常需要借助計(jì)算機(jī)得到其數(shù)值解，從而進(jìn)一步求出通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量[5]。中國建研院物理所研發(fā)的二維穩(wěn)態(tài)傳熱軟件PTemp，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有較高精度。取格構(gòu)墻體的典型單元如3 圖所示，該單元包含填充塊、內(nèi)框柱及墻體內(nèi)外抹灰，設(shè)定各材料的導(dǎo)熱系數(shù)、單元邊界條件后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，便可進(jìn)行傳熱量、溫度場分布等相關(guān)計(jì)算。

利用上述兩種方法分別計(jì)算填充塊為粉煤灰加氣混凝土的標(biāo)準(zhǔn)格構(gòu)墻體傳熱量，Q1D=218.8W，Q2D=284.1W，兩者的差值由普通混凝土框格形成的熱橋所導(dǎo)致。墻板中框格與填充塊的界面較多，熱橋現(xiàn)象顯著，故而一維與二維傳熱模式下的熱量傳導(dǎo)差異較大，不可忽略結(jié)構(gòu)性熱橋的影響。

2.2 穩(wěn)態(tài)傳熱下格構(gòu)墻板溫度場分布

圖3 格構(gòu)墻熱工分析單元

為更加直觀地觀察熱橋?qū)w傳熱的影響，圖4 給出了一維及二維傳熱模式下墻體單元的溫度場分布情況。一維傳熱時(shí)，各處等溫線均平行于墻板平面。二維傳熱時(shí)，在框格附近，等溫線在墻板厚度和寬度方向均有變化，說明熱流不僅沿墻板厚度傳導(dǎo)，還會(huì)沿墻板平面?zhèn)鲗?dǎo)。由于框格與填充塊的導(dǎo)熱系數(shù)不同，而熱流會(huì)沿?zé)嶙璧偷姆较蜻M(jìn)行橫向傳導(dǎo)，因而在高溫端接近框格與填充塊的界面上，部分熱量由填充塊傳入框格，形成結(jié)構(gòu)性熱橋。熱橋的傳熱效率較高，故二維傳熱較一維傳熱時(shí)的傳熱量大。

圖4 構(gòu)墻溫度場分布

3 二維穩(wěn)態(tài)傳熱下格構(gòu)墻板的熱工性能分析

3.1 二維穩(wěn)態(tài)傳熱下格構(gòu)墻的傳熱阻

根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176-2016）[6]，以西安地區(qū)的室內(nèi)外參數(shù)為例，冬季室外計(jì)算溫度取-6.6℃，室內(nèi)溫度為18℃，室內(nèi)、外表面換熱系數(shù)分別為8.7 和23W（m2·K），利用二維穩(wěn)態(tài)傳熱軟件PTemp 計(jì)算得到格構(gòu)墻結(jié)構(gòu)性熱橋線傳熱系數(shù)ψ=0.33W/（m·K），墻體的平均傳熱系數(shù)Km按式（4）計(jì)算：

其中，K 為格構(gòu)墻主體斷面的傳熱系數(shù)[W/m2·K]；ψ、l 分別為墻體框格的線傳熱系數(shù)[W/（m·K）]及計(jì)算長度（m）；A 為墻面面積（m2）。

根據(jù)格構(gòu)墻體材料及構(gòu)造，利用公式（4）計(jì)算得到格構(gòu)墻體在二維傳熱時(shí)的傳熱阻為0.622m2·K/W，為一維傳熱阻的86%。根據(jù)該傳熱阻，可將墻體等效為勻質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，利用建筑能耗模擬軟件分析建筑物的保溫性能及能耗。

3.2 格構(gòu)墻熱橋部分結(jié)露分析

以本文前述的一維傳熱模式下墻體傳熱阻為基礎(chǔ)，根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得到墻體內(nèi)表面溫度為14.3℃。由于熱橋效應(yīng)，墻體框格處內(nèi)表面溫度較低，較其余部分更易出現(xiàn)結(jié)露。按照二維傳熱，利用PTemp 軟件分析墻體的內(nèi)表面溫度，格構(gòu)柱處的溫度最低，為11.4℃。當(dāng)室內(nèi)溫度為18℃，相對濕度為60%時(shí)，露點(diǎn)溫度為10.2℃，兩種模式計(jì)算出的格構(gòu)墻內(nèi)表面溫度均大于露點(diǎn)溫度，說明不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，但采用二維傳熱模式得到的格構(gòu)柱處的溫度低于平壁內(nèi)表面溫度。

4 結(jié)論

根據(jù)以上一維及二維傳熱模式下格構(gòu)墻體的熱工性能分析，結(jié)論如下：

（1）一維穩(wěn)態(tài)傳熱模式下，格構(gòu)墻體的傳熱阻為0.723m2·k/w，傳熱量為218.8W。二維穩(wěn)態(tài)傳熱模式下，墻體的傳熱阻為0.657m2·k/w，傳熱量為284.1W。

（2）一維及二維傳熱模式下格構(gòu)墻冬季采暖時(shí)的內(nèi)表面溫度均能滿足規(guī)范要求的結(jié)露驗(yàn)算，但二維模式下的墻體內(nèi)框格處的溫度較一維模式低2.9℃，且僅比露點(diǎn)溫度高1.2℃。

（3）兩種傳熱模式下的傳熱阻、傳熱量及內(nèi)表面溫度均有明顯差異，說明格構(gòu)墻的二維傳熱現(xiàn)象較為顯著，熱橋?qū)w傳熱的影響顯著，需要考慮。

（4）給出一種裝配式格構(gòu)墻建筑的節(jié)能分析方法，利用PTemp 軟件計(jì)算格構(gòu)墻的結(jié)構(gòu)性熱橋線傳熱系數(shù)，將傳熱特征復(fù)雜的格構(gòu)墻等效為勻質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，從而可利用現(xiàn)有軟件模擬此類建筑的能耗。