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基于傳熱模擬分析的自保溫外墻熱橋節(jié)能構(gòu)造的優(yōu)化研究

倪宏演,，廖春波,，余威

(浙江世貿(mào)建筑科技研究院有限公司浙江世貿(mào)房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司)

0 引言

外墻不僅是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，也是建筑保溫隔熱的重要組成部分，其保溫形式一般分為外保溫,、自保溫和內(nèi)保溫等3種方式,。外墻自保溫系統(tǒng)采用集圍護(hù)和保溫隔熱功能于一體的節(jié)能墻材，使墻體熱工性能達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求,。與其他2種外墻保溫系統(tǒng)相比,，外墻自保溫系統(tǒng)的節(jié)能性能不易受室外氣候的影響，同時(shí),，具有建造成本低,、維護(hù)費(fèi)用少、外裝飾多樣化,、外墻飾面不易脫落等優(yōu)點(diǎn),，尤其適用于夏熱冬冷地區(qū)。但由于自保溫墻材與結(jié)構(gòu)梁,、柱等連接固定的位置以及墻體的開(kāi)口部位(如窗等)難免存在熱橋,，而熱橋?qū)ㄖ淖畲笥绊懢褪窃黾恿私ㄖ芎摹Ｓ嘘P(guān)文獻(xiàn)指出,，多層建筑中熱橋能耗占總能耗的比例約為7%~20%,，在高層建筑中熱橋能耗占總能耗的比例達(dá)到20%~30%。國(guó)內(nèi)規(guī)范,、圖集對(duì)于熱橋部位的構(gòu)造做法、保溫材料厚度沒(méi)有做出統(tǒng)一要求,，以致熱橋部位的保溫性能差異較大,。因此，本文將熱橋不同構(gòu)造的保溫性能作為研究分析和優(yōu)化的重點(diǎn),。

1  熱橋的傳熱模擬分析

1.1  傳熱分析理論

外墻的平均傳熱系數(shù)是體現(xiàn)外墻綜合保溫性能的最直接的技術(shù)指標(biāo),。而外墻存在著嵌入墻體的混凝土梁、柱,、門(mén)窗過(guò)梁,、混凝土翻邊等熱橋部位，這些熱橋部位附近的傳熱過(guò)程是復(fù)雜的二維及三維傳熱過(guò)程,。但有研究表明,，通過(guò)一維方法計(jì)算得到的外墻平均傳熱系數(shù)與采用二維或三維方法得到的結(jié)果相差不大。為便于對(duì)比研究熱橋部位不同構(gòu)造做法對(duì)外墻保溫性能的影響,，本文采用一維傳熱方法(加權(quán)平均法)計(jì)算外墻平均傳熱系數(shù),。

1.2  計(jì)算公式

1.2.1 外墻及周邊熱橋部位的傳熱系數(shù)計(jì)算主墻體及其周邊熱橋部位均為建筑物外墻的組成部分，兩者在結(jié)構(gòu)和材料方面雖有所不同,，但對(duì)其傳熱系數(shù)的計(jì)算方法相同,。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50176—1993《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》，外墻各部位傳熱系數(shù)的計(jì)算公式如式(1)：

 
式中：Ri為內(nèi)表面換熱阻，取0.11m2·K/W,；Re為外表面換熱阻,，取0.04m2·K/W；Rn為墻體結(jié)構(gòu)本身熱阻,，m·2K/W,；K為外墻各部位傳熱系數(shù)，W/(m·2K),。

1.2.2外墻平均傳熱系數(shù)計(jì)算方法

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JGJ134—2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,，外墻平均傳熱系數(shù)可分別按外墻主墻體和周邊各熱橋部位的傳熱系數(shù)對(duì)其面積的加權(quán)平均計(jì)算求得。具體計(jì)算公式如式(2)：

式中：Km為外墻的平均傳熱系數(shù),，W/(m2·K),；KP為外墻主體部位的傳熱系數(shù)，W/(m2·K),；KB1,、KB2、KB3為外墻周邊熱橋部位的傳熱系數(shù),，W/(m2·K),；FP為外墻主體部位的面積，m2,；FB1,、FB2、FB3為外墻周邊熱橋部位的面積,，m2,。

1.3  研究模型

1.3.1 整體模型本文選擇具有代表性的實(shí)際工程中的某一開(kāi)間作為外墻自保溫?zé)針驑?gòu)造的整體模型進(jìn)行研究。為便于分析,，本文對(duì)模型進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化和假定：

(1)建筑體形系數(shù)<>

(2)模型的尺寸為3.6m×2.9m(開(kāi)間×層高),。

(3)墻體材料選用240mm厚的B06級(jí)蒸壓砂加氣

混凝土砌塊，熱橋外貼保溫材料的厚度統(tǒng)一為40mm,。

(4)外墻與樓板交接處設(shè)有混凝土翻邊,，寬度為200mm，沿墻全長(zhǎng)貫通,。

(5)窗臺(tái)梁兼做水平系梁,，沿墻全長(zhǎng)貫通；樓層結(jié)構(gòu)梁兼做窗頂過(guò)梁,。

(6)外墻上開(kāi)設(shè)有800×1500mm固定尺寸的外窗,。

(7)其他構(gòu)造做法及尺寸如圖1、2所示,。

1.3.2  熱橋的不同節(jié)能構(gòu)造

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有圖集的整理,，自保溫體系中熱橋的節(jié)能做法主要分為三大類(lèi)：全露柱,、半包柱、全包柱[8],。在全露柱這類(lèi)做法中,，一般在熱橋外表面布置保溫材料，保溫材料的品種,、保溫層厚度都有所不同,，具體構(gòu)造如圖3所示。
由于“全露柱”這一類(lèi)做法在實(shí)際工程中較為常見(jiàn),，因此本文選擇“全露柱”的不同節(jié)能構(gòu)造進(jìn)行節(jié)能性能的比較,，具體如表1、2所示,。

1.4  熱橋部位不同節(jié)能構(gòu)造的性能分析

熱橋部位盡管進(jìn)行了保溫處理,，但由圖4可知，由于混凝土墻,、柱,、梁的熱阻小，嚴(yán)重削弱了該部位的保溫性能,，即使外貼40mm厚的加氣混凝土保溫塊依然不能滿(mǎn)足節(jié)能設(shè)計(jì)要求,，只能繼續(xù)加厚保溫材料或采用導(dǎo)熱系數(shù)更小的保溫材料才能滿(mǎn)足。但如果繼續(xù)加厚熱橋外貼加氣混凝土保溫塊,，一方面需要同時(shí)加厚主體墻面厚度,，這就意味著材料浪費(fèi)，增加建造成本,，另一方面也會(huì)造成熱橋墻面由于粘結(jié)力不足而產(chǎn)生外墻飾面空鼓,、開(kāi)裂甚至脫落的質(zhì)量與安全風(fēng)險(xiǎn)；而如果采用其他保溫材料處理,，由于不同保溫材料的物理力學(xué)性能各異，在荷載,、溫差,、沉降等作用下同樣會(huì)產(chǎn)生墻面開(kāi)裂等質(zhì)量與安全問(wèn)題。

——未完待續(xù),。摘自《建筑節(jié)能》2015（7）——
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