低层装配式钢结构超低能耗建筑门窗洞口热桥分析

作为超低能耗建筑中最主要的部件之一，透明外围护结构的面积虽只占围护结构的12%，但热损失却占整体热损失的50%。门窗洞口对整窗的传热系数影响很大，若超低能耗建筑门窗安装不当产生热桥，会完全抵消前期设计中提高门窗保温性能的效果。由于热桥部位的传热系数明显高于其他部位，热量会集中在这些部位快速传递而增大建筑能耗。在传统建筑中，热桥能耗占建筑总能耗的5%~7%，而在节能建筑中，通过热桥的能耗则可达到20%以上，在超低能耗建筑中热桥的影响更甚。

1??门窗洞口热桥研究现状

近年来，我国新建超低能耗建筑和既有建筑低能耗改造的数量虽有大幅增加，但体量仍较小。魏贺东等在保证门窗性能的基础上，分别对砖结构、钢筋混凝土结构、木结构三种墙体门窗安装位置进行热工性能分析，得出在有保温层的不同墙体结构中，尽可能地将窗框安装到保温层中有利于降低门窗洞口的传热系数及热损失。魏贺东等分析影响几何热桥效应的因素，认为构件几何形状是决定几何热桥导热系数最主要的因素，构件的空间组合关系基本决定了热桥导热系数的大小与正负值属性；在一定传热系数条件下，增大保温层厚度对改善热桥导热系数效果甚微甚至不会引起热桥导热系数的变化。吴自敏等在中建科技湖南有限公司产业化基地项目中，为避免门窗洞口的热桥产生，在“三明治”夹心墙板中预埋固定门窗和遮阳用的预埋件，并用发泡剂填充保温板与预埋件间的缝隙。

目前低层装配式钢结构超低能耗建筑案例较少，门窗洞口处热桥分析尚不完善，本文以装配式钢结构超低能耗建筑为例，对门窗洞口安装处理措施进行热工性能优化分析，对比不同的热桥处理措施，得出适合低层装配式钢结构超低能耗建筑门窗洞口的热桥处理方式。

2??普通低层装配式钢结构建筑门窗洞口现状

普通低层装配式钢结构建筑外墙大多采用非承重轻质墙板，此类墙板优势在于防火隔音、保温隔热、施工简单快捷、质量轻、降低墙体成本等，但其承重能力较差，门窗洞口处需采取相应的加固措施，如门窗洞口上下侧安装C形钢、左右侧安装立樘等。但该类措施会加速门窗洞口处热流散失，扩大门窗洞口处热桥面积。

为了保证研究数据的可对比性，首先对普通低层装配式钢结构建筑的门窗洞口进行测试。根据测试原则及测试要求，采用红外热像仪对普通低层装配式钢结构民居进行现场测试，该民居为2层，建筑面积为224㎡，采用钢结构框架、檩钢结构屋盖结构形式。外墙采用120?mmASA板+50?mm聚苯板，K值为0.45?W/（㎡·K）。外窗采用6+12A+6的塑钢双层中空玻璃，K值为2.3?W/（㎡·K），门窗洞口上下两侧采用C型钢加固，外门窗框与门窗洞间缝隙采用聚氨酯发泡填实并用密封膏嵌缝。

门窗洞口实景图及测试结果如图1所示。图1（b）中， L ₀ 为垂直向门窗墙板的温度， L ₁ 为水平向门窗墙板的温度， L ₂ 为窗框边缘处墙边的温度。 L ₀ , L ₁ , L ₂ 处的温度分布曲线如图2所示。

图1　门窗洞口温度测试（计算机截图）

（a）洞口实景；（b）测试结果

图2? L ₀ ， L ₁ ， L ₂ 温度分布

由图2可知，窗户玻璃处温度高而窗框处温度偏低， L ₂ 温度较稳定而 L ₀ 及 L ₁ 温度突变明显。统计图2中标记线的各温度点如图3所示。测试图中各处温度统计结果见表1。经分析主体部位最低温度为–0.28℃，最高温度为8.06℃，平均温度为3.83℃，温度差异最大为8.34℃，温差超过±1℃范围的点占全部点的94.43%。

图3　热成像图各个温度点分布

表1??各处温度统计   ℃

根据室外侧热工缺陷判定原则可知： ? T =| T ₁ – T ₂ | =5.23>1℃，温差超过±1℃的范围点占全部点的94.43%，该位置存在严重的热桥缺陷。

3??装配式钢结构建筑门窗洞口无热桥优化分析

本节应用有限元分析软件对冬季工况下低层装配式钢结构建筑门窗洞口的不同优化形式进行稳态温度场模拟，并做如下假定：（1）热桥节点处的各种材料均质且各向同性；（2）热桥节点处的材料彼此接触良好且它们之间的热阻可忽略不计；（3）忽略太阳辐射等其他辐射换热；（4）混凝土预填充材料具有连续性。

门窗洞口节点传热特性符合第三类边界条件，根据河北省气候分区的特征，室内外温度、表面对流换热系数参照GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》及DB13（J）/T 8360—2020《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》设置。

本次模拟采用180?mm厚水泥基纤维复合轻质板+175?mm厚石墨聚苯板做建筑围护结构，该组合主断面传热系数可达0.15?W/（㎡·K），满足超低能耗建筑传热系数的要求。由于墙板承重能力相对较弱，被动窗自重偏大，为增强安全性能在窗口部位分别采用增设C形钢加固与增设防腐木垫块两种优化方案。超低能耗外窗安装形式主要为外挂式与外嵌式，其安装节点如图4、图5所示。将安装方式与优化方案进行两两组合，分别模拟保温压框长度在0~150?mm情况下的温度及热流密度分布。

图4??外挂窗安装节点

图5??外嵌窗安装节点

3.1??增设C形钢加固

由图6、图7可知，在保温长度延长为0~150?mm时，外挂窗框周围温度分布分别为12.5, 9.72, –6.28, –7.50, –10（℃）；外嵌窗框周围温度分布分别为12.5, 9.86?, –4.49, –5.24, –7.63（℃），随保温压框长度增长，窗框温度分布逐渐与主墙体温度接近。在不同保温压框长度下，两种安装方式的热流密度如图8所示。

图6??不同保温压框长度下的外挂窗节点温度分布（计算机截图）

（a）0；（b）30?mm；（c）70?mm；（d）100?mm；（e）150?mm

图7??不同保温压框长度下的外嵌窗节点温度分布（计算机截图）

（a）0；（b）30?mm；（c）70?mm；（d）100?mm；（e）150?mm

图8??不同保温压框长度下两种安装方式的热流密度分布

根据图8，在保温压框长度不小于100?mm后，热流密度分布逐渐均匀，外挂窗的热流密度比外嵌窗的热流密度值略低。综合考虑温度分布与热流密度分布，在采用C形钢加固门窗洞口部位，选择外挂窗、保温压框100?mm可有效保证大幅度降低热桥。

3.2??增设防腐木加固

由图9、图10可知，保温长度延长为0~150?mm时，外挂窗框周围温度分布分别为–2.57, –5.77, –8.35, –8.62, –8.78（℃）；外嵌窗框周围温度分布分别为–0.72, –4.56, –4.13, –5.07, –6.20（℃），随保温压框长度增长，窗框温度分布逐渐与主墙体温度接近。在不同的保温压框长度下，2种安装方式的热流密度如图11所示。

图9??不同保温压框长度下的外挂窗节点温度分布（计算机截图）

（a）0；（b）30?mm；（c）70?mm；（d）100?mm；（e）150?mm

图10??不同保温压框长度下的外嵌窗节点温度分布（计算机截图）

（a）0；（b）30?mm；（c）70?mm；（d）100?mm；（e）150?mm

图11??不同保温压框长度下2种安装方式的热流密度分布图

根据图11，保温压框长度不小于70?mm后，热流密度降低程度虽会变小，但外挂窗的热流密度分布低于外嵌窗。综合考虑温度与热流密度分布，在门窗洞口部位增设防腐木，选择外挂窗且保温压框100?mm，可大幅度降低热桥。

对比增设C形钢加固与增设防腐木垫块2种方案下的门窗洞口温度及热流密度分布，采用防腐木垫块的方案优于增设C形钢加固的方案。因此，在条件允许时应选用增设防腐木、外挂安装且保温材料压框100?mm的方案；而在外挂窗连接有困难的情况下，也可采用外嵌安装方式。

4??低层装配钢结构建筑门窗洞口优化效果

根据测试原则及测试要求，采用红外热像仪对普通低层装配式钢结构民居进行现场测试，门窗洞口实景及测试结果如图12所示。其中， L ₀ 为垂直向门窗墙板的温度， L ₁ 为水平向门窗墙板的温度， L ₀ 和 L ₁ 处的温度分布曲线如图13所示。

（a）       （b）

图12??门窗洞口热流测试（计算机截图）

（a）洞口实景；（b）测试结果

图13?? L ₀ 和 L ₁ 温度分布

由图13可知，室内侧窗户玻璃处温度低，窗框处温度介于玻璃与外墙温度间，外墙处温度高。将图13中标记线的各温度点进行统计如图14所示。经分析，窗框部位最低温度为17.33℃，最高温度为21.39℃，平均温度为19.25℃，温度差异最大为4.06℃，温差超过±1℃的范围点占全部点的40.22%。

图14??热成像图各温度点分布

门窗洞口处的热桥为不可避免热桥，采取无热桥优化措施后，门窗洞口处的温差超过±1℃的范围点为全部点的40.22%，温差超过±1.5℃的范围点降至全部点的9.0%，温差超过±2℃的范围点为全部点的0.26%，温度分布均匀；而在无热桥处理优化前温差超过±1℃的范围点占全部点的94.43%，因此选用增设防腐木、外挂安装、保温材料压框100?mm的无热桥优化方案合理，可避免严重热桥缺陷。

5??结论

本文根据河北省气候分区特征，通过数值模拟与试验验证的方法，对低层装配式钢结构超低能耗建筑门窗洞口进行无热桥优化分析，研究增设C形钢加固与增设防腐木的不同优化方案、外挂式与外嵌式的不同安装方式、不同保温压框长度下的门窗洞口温度及热流密度情况，得到以下结论：（1）采用防腐木垫块的方案优于增设C形钢加固的方案；（2）外挂窗的热流密度低于外嵌窗的热流密度分布；（3）保温压框不小于100?mm后，热流密度分布逐渐均匀。在条件允许时低层装配式钢结构超低能耗建筑门窗洞口，应选用增设防腐木、外挂安装、保温材料压框100?mm的方案，使室内温度分布均匀，无严重热桥缺陷。