寒冷地區(qū)裝配式超低能耗建筑外墻板拼縫斷熱橋技術(shù)研究

郝雨杭，付素娟，王萌，時元元，羅景輝

（1.河北建研科技有限公司，河北 石家莊 050227；2.河北省建筑科學(xué)研究院有限公司，河北 石家莊 050227；3.河北建研工程技術(shù)有限公司，河北 石家莊 050227；4.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038）

0 前言

隨著建筑耗能在國內(nèi)能源總消耗量中的占比逐年提升，通過節(jié)能手段，在保證舒適度的前提下有效降低建筑能耗成為如今建筑業(yè)的發(fā)展趨勢。超低能耗建筑能源利用效率高，居住舒適性好，是發(fā)展較為迅速的新型節(jié)能建筑。近年來，裝配式建筑逐步興起，在政府大力提倡發(fā)展超低能耗建筑和裝配式建筑的背景下，如何更好地融合裝配式技術(shù)和超低能耗技術(shù)是巨大的挑戰(zhàn)。

采用裝配式建造方式，圍護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件在安裝后會存在一系列規(guī)則的縫隙，這些縫隙打破了超低能耗建筑保溫的連續(xù)性，未經(jīng)處理的接縫將形成熱橋[1]，大幅降低建筑節(jié)能效率[2]，因此有必要開展外墻板間拼縫斷熱橋技術(shù)的研究。

外墻板間縫隙可以采用聚氨酯現(xiàn)場發(fā)泡進(jìn)行填補(bǔ)，目前普遍采用發(fā)泡聚氨酯滿填的方式處理板縫。但由于超低能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫層厚度較大，保溫材料厚度增大時熱橋的影響程度也會有所提高[3]，是否一定要滿填才能滿足斷熱橋要求有待研究。發(fā)泡聚氨酯的填充厚度及填充位置對斷熱橋效果的影響成為本文探究的主要問題。

本文針對寒冷地區(qū)裝配式建筑，采用有限元二維傳熱模擬，計算預(yù)制混凝土夾芯保溫墻板用發(fā)泡聚氨酯在不同填充厚度、填充位置下的溫度分布、熱流量及拼縫線傳熱系數(shù)，從熱工性能的角度對比分析不同處理措施的斷熱橋效果。

1 組合墻體二維傳熱計算方法

在裝配式建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，墻板與墻板連接的部位易形成結(jié)構(gòu)性熱橋。GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》規(guī)定利用熱橋線傳熱系數(shù)ψ描述結(jié)構(gòu)性熱橋?qū)鳠岬挠绊?，式?）為熱橋線傳熱系數(shù)的計算公式[4]。超低能耗建筑要求熱橋線傳熱系數(shù)ψ≤0.01 W/（m·K）。

式中：Q2D——二維傳熱計算得出的流過一塊包含熱橋的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量，W；

K——圍護(hù)結(jié)構(gòu)平壁的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

A——計算Q2D的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積，m2；

ti、te——圍護(hù)結(jié)構(gòu)室內(nèi)、外側(cè)的空氣溫度，℃；

l——計算Q2D的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的長度，m。

C——熱橋另一條邊的長度，m。

熱橋節(jié)點的熱橋線傳熱系數(shù)ψ結(jié)合其長度l，可以通過式（2）求得考慮了熱橋影響后單元墻體的平均傳熱系數(shù)Km：

式中：Km——單元墻體的平均傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

K——單元墻體的主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·K）；

ψj——單元墻體上第j個結(jié)構(gòu)性熱橋的線傳熱系數(shù)，W/（m·K）；

lj——單元墻體第j個結(jié)構(gòu)性熱橋的計算長度，m；

A——單元墻體的面積，m2。

工程領(lǐng)域中可以通過有限差分法對二維穩(wěn)態(tài)溫度場進(jìn)行迭代求解，但是計算較為復(fù)雜。通過有限元模擬軟件內(nèi)部的導(dǎo)熱微分方程結(jié)合熱力學(xué)第一定律和傅里葉定律，建立溫度的通用微分方式，可以快速準(zhǔn)確地求解物體內(nèi)的溫度場和熱流密度場。因此，本文采用有限元二維傳熱模擬計算，對寒冷地區(qū)裝配式超低能耗建筑中外墻板板間豎縫的熱橋處理措施進(jìn)行研究。

2 發(fā)泡聚氨酯填充方式模擬分析

郭娟利等[5]證明了裝配式建筑采用二維傳熱計算方法的可靠性。本文設(shè)置了基礎(chǔ)模型，對比了填充厚度為110、70、50、40 mm，填充位置分別為保溫層中央以及靠近室內(nèi)、外側(cè)的優(yōu)化模型，通過計算不同處理措施下熱橋區(qū)的溫度場分布、熱流以及線傳熱系數(shù)，探究發(fā)泡聚氨酯填充厚度與填充位置對拼縫處熱橋的影響。

2.1 基礎(chǔ)模型

2.1.1 基礎(chǔ)模型參數(shù)

研究對象選定為裝配式建筑中常見的預(yù)制混凝土夾芯保溫墻板。寒冷地區(qū)超低能耗居住建筑外墻的傳熱系數(shù)應(yīng)不大于0.15W/（m2·K）。JGJ1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定裝配式建筑外掛墻板間的接縫寬度不應(yīng)小于15 mm。

基礎(chǔ)模型選用220 mm擠塑聚苯板作為夾芯保溫層。基礎(chǔ)模型的外葉板和內(nèi)葉板均為鋼筋混凝土，厚度分別為60、150 mm，墻板拼接預(yù)留縫隙為20 mm?；A(chǔ)模型中板縫滿填發(fā)泡聚氨酯保證豎向拼縫保溫的連續(xù)性，并通過填充PE棒、建筑密封膠等手段保證防水密封性能，最后用砂漿對豎向板縫進(jìn)行找平，基礎(chǔ)模型如圖1所示。

模擬計算前處理階段，需要輸入構(gòu)造各層材料的熱工參數(shù)，用于計算外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。根據(jù)GB 50176—2016附錄B，各材料的性能參數(shù)見表1。

表1 外墻板構(gòu)造材料的性能參數(shù)

2.1.2 邊界條件設(shè)置

初始條件需輸入建筑室內(nèi)外空氣溫度，超低能耗建筑要求墻體具備良好的保溫性能和密封性能，本文以寒冷地區(qū)石家莊為例，根據(jù)DB13（J）/T 273—2018《被動式超低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，設(shè)置室內(nèi)溫度為22℃，室外溫度為-8℃。圍護(hù)結(jié)構(gòu)與室內(nèi)外空間接觸的邊界條件采用第三類邊界條件，根據(jù)GB 50176—2016，室內(nèi)、外側(cè)對流換熱系數(shù)分別設(shè)置為8.7、23.0 W/（m2·K），墻體斷面設(shè)置為絕熱邊界條件。

2.1.3 基礎(chǔ)模型溫度分布（見圖2）

由圖2可以看出，通過在縫隙處滿填發(fā)泡聚氨酯，能實現(xiàn)保溫層的連續(xù)性，可以有效斷熱橋，不同材質(zhì)層間溫度分布均勻。本研究中，冬季室內(nèi)空氣相對濕度取60%，室內(nèi)計算溫度為22℃，室內(nèi)露點溫度為13.89℃。拼縫處內(nèi)表面最低溫度不低于露點溫度，無結(jié)露風(fēng)險。目前普遍采用的聚氨酯發(fā)泡滿填的處理形式能夠有效地阻斷熱橋、避免結(jié)露。

2.2 優(yōu)化模型

將發(fā)泡聚氨酯分別填充于保溫夾芯層的中央、靠近室外一側(cè)以及靠近室內(nèi)一側(cè)，分別記為優(yōu)化模型A、B、C。在不同優(yōu)化模型中，發(fā)泡聚氨酯的填充厚度分別取110、70、50、40 mm，分別記為（A/B/C）-1、（A/B/C）-2、（A/B/C）-3、（A/B/C）-4，然后模擬墻板的溫度分布，計算熱流量及線傳熱系數(shù)。優(yōu)化模型建模示意如圖3所示。

2.2.1 優(yōu)化模型溫度場分析（見圖4~圖6）

由圖4可知，當(dāng)發(fā)泡聚氨酯填充于保溫層中央、填充厚度為110 mm時，拼縫對墻板室內(nèi)側(cè)溫度場的影響較小；當(dāng)填充厚度降到50mm時，可以看出靠近室內(nèi)側(cè)拼縫處溫度明顯波動；而當(dāng)發(fā)泡聚氨酯的填充厚度從50 mm降到40mm時，對墻板內(nèi)部溫度場分布影響不大。

由圖5可知，當(dāng)發(fā)泡聚氨酯填充于保溫層靠近室外一側(cè)時，拼縫對于靠近室外側(cè)溫度場的影響較靠近室內(nèi)側(cè)要小，體現(xiàn)在室外側(cè)拼縫處的溫度場波動較小。當(dāng)填充厚度降到50 mm時，靠近室外側(cè)拼縫處溫度明顯波動，而當(dāng)填充厚度從50 mm降到40 mm時，對墻板溫度場的影響加劇。

由圖6可知，當(dāng)發(fā)泡聚氨酯填充于保溫層靠近室內(nèi)一側(cè)時，拼縫對靠近室內(nèi)側(cè)溫度場的影響較靠近室外側(cè)要小，體現(xiàn)在室內(nèi)側(cè)拼縫處的溫度場波動較小。填充厚度為110 mm時，拼縫對于墻板室內(nèi)側(cè)溫度場的影響非常小。當(dāng)填充厚度降到50 mm時，靠近室內(nèi)側(cè)拼縫處溫度明顯波動，而當(dāng)發(fā)泡聚氨酯的填充厚度從50mm降到40mm時，對墻板內(nèi)部溫度場分布的影響依然顯著。

2.2.2 優(yōu)化模型傳熱分析（見表2）

表2 優(yōu)化模型的熱流量及線傳熱系數(shù)

由表2可知：

（1）對于優(yōu)化模型A，發(fā)泡聚氨酯填充于保溫層中央，當(dāng)填充厚度為110 mm時可滿足斷熱橋要求；而當(dāng)填充厚度繼續(xù)降低時，則線傳熱系數(shù)不能滿足小于0.01W/（m·K）的要求。當(dāng)填充厚度從110 mm降到40 mm時，通過墻板的熱流量從4.898 W增大到5.336 W，增幅約9%，室內(nèi)的供暖負(fù)荷增大，不利于節(jié)能。

（2）對于優(yōu)化模型B，發(fā)泡聚氨酯填充于保溫層靠近室外一側(cè)，即使填充厚度為110 mm時線傳熱系數(shù)依然不滿足斷熱橋要求。當(dāng)填充厚度從110mm降到40mm時，通過墻板的熱流量從5.225 W增大到6.458 W，增幅約24%，說明當(dāng)發(fā)泡聚氨酯填充于靠近室外一側(cè)時，當(dāng)填充厚度無法起到斷熱橋效果時，室內(nèi)的散熱量大，意味著需要消耗更多能源保持室內(nèi)環(huán)境舒適。在填充厚度相同時，發(fā)泡聚氨酯填充于保溫層中央情況下，通過墻板的熱流明顯小于填充于靠近室外側(cè)，斷熱橋效果更好。

（3）對于優(yōu)化模型C，發(fā)泡聚氨酯填充于保溫層靠近室內(nèi)一側(cè)，當(dāng)填充厚度為110mm時，線傳熱系數(shù)滿足斷熱橋要求；當(dāng)填充厚度降到70 mm時，已不滿足斷熱橋要求。當(dāng)填充厚度從110mm降到40mm時，通過墻板的熱流量從5.015W增大到5.976 W，增幅約19%，熱量損失更為明顯。在填充厚度相同時，發(fā)泡聚氨酯填充于室內(nèi)側(cè)較填充于室外側(cè)通過墻板的熱流量有所減少。

3 結(jié)論

（1）在寒冷地區(qū)，通過向外墻板間夾芯保溫層處填充發(fā)泡聚氨酯，可以有效消除熱橋效應(yīng)，發(fā)泡聚氨酯的填充位置和深度對墻板拼縫處的熱工性能有一定影響。

（2）當(dāng)發(fā)泡聚氨酯填充于保溫層靠近室外一側(cè)時，填充厚度達(dá)到110mm時仍無法實現(xiàn)斷熱橋；當(dāng)發(fā)泡聚氨酯填充于保溫層中部和靠近室內(nèi)一側(cè)時，發(fā)泡聚氨酯的填充厚度達(dá)110 mm時可以滿足斷熱橋要求。

（3）當(dāng)填充相同厚度發(fā)泡聚氨酯的時候，填充于保溫層中央時熱流損失最低，效果最好，其次是填充于保溫層靠近室內(nèi)一側(cè)。