线性热桥对超低能耗建筑和传统节能建筑的热工影响对比分析

作为我国建筑节能的更高目标，超低能耗建筑在我国发展迅速并已取得相关成果，建立了发展路径、基本形成了技术体系。 被动式超低能耗建筑的外围护结构保温性能优异，对热桥处理也制订了严格要求。 本文探究超低能耗建筑在外墙平均传热系数和线性热桥方面与我国现有节能建筑之间的差异，以及线性热桥对围护结构热工的影响程度。

1??基础理论

建筑热工是研究建筑室外气候通过建筑围护结构对室内热环境的影响和室内外热湿作用对围护结构的影响，通过建筑设计改善室内热环境方法的学科。本文重点研究不同保温性能下热桥对围护结构传热性能的影响。按GB 50176—2016 《民用建筑热工设计规范》要求，围护结构单元的平均传热系数应考虑热桥的影响。平均传热系数按下式计算：

式中： K _m 为围护结构单元的平均传热系数[W/（㎡·K）]； K 为围护结构平壁传热系数[W/（㎡·K）]； φ _j 为围护结构上的第 j 个结构性热桥的线传热系数[W/（m·K）]； l _j 为围护结构第 j 个结构性热桥的计算长度（m）； A 为围护结构的面积（㎡）。

线性热桥值按下式计算：

式中： φ 为热桥线传热系数[W/（m·K）]； Q ^2D 为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 为围护结构平壁传热系数 [W/（m·K）]； A 为计算 Q ^2D 的围护结构的面积（㎡）； t _i 为围护结构室内侧的空气温度（℃）； t _e 为围护结构室外侧的空气温度（℃）； l 为计算 Q ^2D 的围护结构的长度，热桥沿这个长度分布， l 宜取1?m； C 为计算 Q ^2D 的围护结构的宽度（m）。

目前设计行业常用的节能计算软件有两种计算形式，一种为计算线性热桥值并按式（1）进行计算，另一种为主断面传热系数与修正系数的乘积，软件对平均传热系数的取值为1.2。

本文研究修正系数法与热桥计算法的差异，以及在超低能耗建筑中线性热桥对平均传热系数的影响程度问题。

2??典型模型

为使本研究具有代表性和工程价值，选择一栋高层居住建筑项目作为典型样本，样本的各项指标均满足现行行业标准JGJ 26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》的相关要求，其形体构造也满足超低能耗建筑的基本要求。模型中涵盖墙角、窗间墙、凸窗、阳台、屋面、楼板、地面等部位的典型结构性热桥。

该高层居住建筑为钢筋混凝土剪力墙结构，总建筑面积15?273.52?㎡，高53.1?m，为18层住宅，建筑面积13?241.94?㎡，地下3层为储藏室，住宅层高2.95?m。 标准层平面图如图1所示。

由图1可见，该案例中外墙存在线性热桥的部位为阳角、阴角、层间楼板、窗间墙（外窗）、地下室顶板、设备平台、凸窗、屋面女儿墙。 对该案例各部分线性热桥进行统计，各线性热桥的计算长度见表1。

表1??线热桥计算长度

对该模型的线性热桥按传统节能建筑模型和超低能耗建筑模型分别进行计算。

3??传统建筑热桥分析

传统节能建筑主体外墙构造做法为：200?mm厚钢筋混凝土+80?mm厚石墨聚苯板，传热系数K=0.375?W/（㎡·K）。各热桥部位构造见表2。各材料导热系数见表3。

表2??热桥部位构造

表3??材料热工性能

采用瑞士开发的热湿分析软件Flixo进行计算，该软件的热桥计算方法符合EN ISO 6964—2017标准，已在欧洲广泛用于结构、门窗的热桥计算，尤其在被动式超低能耗建筑中应用广泛。分别对典型模型中的线性热桥部位按表1的构造和表2的材料参数进行建模，并对边界条件进行设定。

经计算，凸窗挑板的线性热桥值最大，其次为设备平台，窗间墙（外窗）和地下室线性热桥值基本相当，线性热桥值分别为0.995?W/（m·K）, 0.420?W/（m·K）, 0.265?W/（m·K）, 0.264?W/（m·K）。

4??超低能耗建筑热桥分析

超低能耗建筑主体外墙构造做法为：200?mm厚钢筋混凝土+250?mm厚石墨聚苯板，传热系数K=0.115?W/（ ㎡ ·K）；各热桥部位构造见表4。

外窗传热系数为0.098?4?W/（㎡·K），其余材料热工性能见表3。

表4??热桥部位构造

由于超低能耗建筑对热桥处理要求严格，且不存在传统建筑的凸窗挑板，外窗部分均为窗间墙（外窗）。经计算，除层间楼板外，超低能耗建筑外墙其余各部位的线性热桥值均小于传统建筑，可见在同等热桥处理条件下，主体部位传热系数越低线性热桥值越大；由于超低能耗建筑对热桥部位处理严格，导致其热桥值低于传统建筑。最大线性热桥为设备平台，其热桥值为0.180?W/（㎡·K）。

5??热工性能对比分析

经对传统节能建筑、超低能耗建筑的线性热桥部位进行计算，虽然超低能耗建筑对热桥进行了严格处理，但由于其外墙主体部位的保温性能更优异，故该部位的线性热桥仍然存在，但相比传统建筑已明显降低。各部位线性热桥值见表5，线性热桥计算长度见表6。

表5??超低能耗建筑与传统建筑线热桥值对比  W/（m·K）

表6??典型案例线热桥计算长度   m

为分析线性热桥值对外墙平均传热系数的影响，根据式（1）将计算所得线性热桥值与该部位热桥的长度相乘，得出各线性热桥对外窗平均传热系数影响的附加值如图2所示。

图2　传统建筑与超低能耗建筑线热桥附加对比

由图2可见，传统建筑凸窗（超低能耗建筑为窗间墙）和窗间墙热桥附加值远高于超低能耗建筑；传统建筑除层间楼板热桥附加值低于超低能耗建筑外，其余均高于超低能耗建筑。各外墙热桥部位线性热桥附加占比如图3所示。

（a）

图3??外墙线热桥附加占比

（a）传统建筑；（b）超低能建筑

在传统建筑中，凸窗挑板线性热桥附加占比最大，其次为窗间墙，占比分别为54.07%和31.23%；在超低能耗建筑中，窗间墙线性热桥附加占比最大，其次为设备平台，占比分别为47.54%和23.00%。

典型案例外墙面积（不含门窗洞口）为8?460.99?㎡，按（1）进行计算，传统建筑外墙线性热桥附加值是0.305?4?W/（㎡·K），为主体部位传热系数的81.43%，超低能耗建筑外墙线性热桥附加值是0.040?1?W/（㎡·K），为主体部位传热系数的34.89%。

6??结论

（1）线性热桥对外墙平均传热系数影响极大，且对传统建筑平均传热系数影响远大于超低能耗建筑。

（2）在传统节能建筑中，凸窗挑板的线性热桥影响最大，占比高达54.07%，其节能构造应进一步加强。

（3）在超低能耗建筑中，窗间墙的线性热桥影响最大，占比高达47.54%，设计节点时应强化该部位热桥处理。

（4）因线性热桥附加值与传统节能建筑主体传热系数的比值为81.43%，外墙平均传热系数简化算法采用1.2~1.3的附加系数远不能满足要求。

（5）线性热桥附加值与超低能耗建筑主体传热系数的比值为34.89%，在以能耗目标为导向的超低能耗建筑性能化设计中，各部分热桥值必须参与能耗计算。