结构性热桥对格构墙热工性能的影响

岳亚锋 焦 娜 张永利

（1、西安欧亚学院，陕西 西安710065 2、西安交通大学，陕西 西安710049 3、西安建筑科技大学，陕西 西安710055）

在利用建筑能耗模拟软件进行建筑节能分析时，墙体及楼板等不透明围护结构的模型通常为多层匀质结构[1]，而装配式格构墙建筑的预制墙板，由间距较密的普通混凝土框格与加气混凝土填充块在墙体平面内复合而成[2]，如图1 所示，无法直接利用相关软件中已有的墙体热工模型进行能耗模拟，需要先行分析其热工性能，并将墙体等效为传热效率相同的匀质墙体，再利用软件进行建筑能耗分析。张坚[3]利用ansys 软件对格构墙的传热过程进行模拟，但过程较为复杂，不便于工程应用。

1 一维稳态传热模式下格构墙的传热阻

在进行建筑围护结构保温性能分析时，室内外温度可视为定值，而建筑外墙通常由多层材料叠合而成，且墙的厚度通常远小于其高度及宽度，因而多采用一维稳态平壁传热假定，即认为透过墙体的热流强度均匀分布、处处相等，墙体内温度沿其厚度方向呈直线变化。

与一般墙体的多层匀质构造不同，预制格构墙板中的普通混凝土框格与加气混凝土填充块交错布置，且间距较小，如图1所示。对于此类墙体的传热系数，常将墙体分层分块后再进行计算[4]。如图2 所示，首先按照格构墙板层的材质，将墙体全厚划分为若干条块，各条块内再依材质划分为层。各条块内均包含内饰面层、墙板层（内框格或填充块）及外饰面层等多个材料层，且同条块的各层中均仅含一种材料，因此条块的热阻为各层热阻之和，如第I 条块的热阻为：

图1 装配式格构墙结构体系

图2 格构墙传热阻计算简图

式中，Ri、Re为墙体内、外表面换热阻，R1、R2及R3为墙体第I 条块各层次的热阻。

求得各条块热阻后，再将各条块得热阻按照并联的方式相联，则围护墙体总热阻为

式中，A=AI+AII+…+AN为计算单元的总面积，AI、AII…为各条块墙面面积。

上述计算过程与电学电路中的串并联电阻计算方法类似，先将墙体各条块内多层次的热阻沿热流方向串联，然后再将不同条块的热阻垂直于热流方向并联。格构墙体的填充材料常结合地材进行选取，可选粉煤灰加气混凝土、EPS 轻骨料混凝土、棉花秸秆草砖等轻质材料。对于填充材料为粉煤灰加气混凝土的格构墙体，采用上述方法计算得到其传热阻为0.723m2·K/W。

2 格构墙传热分析

前述一维稳态传热的本质为热流仅沿垂直于墙面方向传播，适用于单层围护结构及多层匀质结构。当围护结构的材料在其平面内有变化时，热流穿过围护结构时还会存在垂直厚度方向的分量，即在墙板平面内进行传播，属于传热学中的二维传热或三维传热模式。对于目前大部分的建筑墙体，基本可视为多层匀质结构，采用一维传热模式进行计算完全可以满足建筑设计需要。对于外墙与混凝土柱或楼板等构件形成的热桥，属于局部问题，可通过结构性热桥考虑其影响。而格构墙板采用普通混凝土与加气混凝土在平面内交错复合，间距密而数量多，且框格与填充块部位的热阻比为9.19，必须要考虑二维传热效应。

2.1 稳态传热下格构墙的传热量

一维稳态传热模式下透过墙体的热量为：

其中，K=1/R0代表墙体的传热系数，A 为墙体面积，Δt 为室内外温差。

对于围护结构在二维模式下的传热量Q2D计算，获得函数形式的温度分布几乎不可能，通常需要借助计算机得到其数值解，从而进一步求出通过围护结构的传热量[5]。中国建研院物理所研发的二维稳态传热软件PTemp，经实验验证具有较高精度。取格构墙体的典型单元如3 图所示，该单元包含填充块、内框柱及墙体内外抹灰，设定各材料的导热系数、单元边界条件后，进行网格划分，便可进行传热量、温度场分布等相关计算。

利用上述两种方法分别计算填充块为粉煤灰加气混凝土的标准格构墙体传热量，Q1D=218.8W，Q2D=284.1W，两者的差值由普通混凝土框格形成的热桥所导致。墙板中框格与填充块的界面较多，热桥现象显著，故而一维与二维传热模式下的热量传导差异较大，不可忽略结构性热桥的影响。

2.2 稳态传热下格构墙板温度场分布

图3 格构墙热工分析单元

为更加直观地观察热桥对墙体传热的影响，图4 给出了一维及二维传热模式下墙体单元的温度场分布情况。一维传热时，各处等温线均平行于墙板平面。二维传热时，在框格附近，等温线在墙板厚度和宽度方向均有变化，说明热流不仅沿墙板厚度传导，还会沿墙板平面传导。由于框格与填充块的导热系数不同，而热流会沿热阻低的方向进行横向传导，因而在高温端接近框格与填充块的界面上，部分热量由填充块传入框格，形成结构性热桥。热桥的传热效率较高，故二维传热较一维传热时的传热量大。

图4 构墙温度场分布

3 二维稳态传热下格构墙板的热工性能分析

3.1 二维稳态传热下格构墙的传热阻

根据《民用建筑热工设计规范》（GB50176-2016）[6]，以西安地区的室内外参数为例，冬季室外计算温度取-6.6℃，室内温度为18℃，室内、外表面换热系数分别为8.7 和23W（m2·K），利用二维稳态传热软件PTemp 计算得到格构墙结构性热桥线传热系数ψ=0.33W/（m·K），墙体的平均传热系数Km按式（4）计算：

其中，K 为格构墙主体断面的传热系数[W/m2·K]；ψ、l 分别为墙体框格的线传热系数[W/（m·K）]及计算长度（m）；A 为墙面面积（m2）。

根据格构墙体材料及构造，利用公式（4）计算得到格构墙体在二维传热时的传热阻为0.622m2·K/W，为一维传热阻的86%。根据该传热阻，可将墙体等效为匀质围护结构，利用建筑能耗模拟软件分析建筑物的保温性能及能耗。

3.2 格构墙热桥部分结露分析

以本文前述的一维传热模式下墙体传热阻为基础，根据《民用建筑热工设计规范》计算得到墙体内表面温度为14.3℃。由于热桥效应，墙体框格处内表面温度较低，较其余部分更易出现结露。按照二维传热，利用PTemp 软件分析墙体的内表面温度，格构柱处的温度最低，为11.4℃。当室内温度为18℃，相对湿度为60%时，露点温度为10.2℃，两种模式计算出的格构墙内表面温度均大于露点温度，说明不会出现结露现象，但采用二维传热模式得到的格构柱处的温度低于平壁内表面温度。

4 结论

根据以上一维及二维传热模式下格构墙体的热工性能分析，结论如下：

（1）一维稳态传热模式下，格构墙体的传热阻为0.723m2·k/w，传热量为218.8W。二维稳态传热模式下，墙体的传热阻为0.657m2·k/w，传热量为284.1W。

（2）一维及二维传热模式下格构墙冬季采暖时的内表面温度均能满足规范要求的结露验算，但二维模式下的墙体内框格处的温度较一维模式低2.9℃，且仅比露点温度高1.2℃。

（3）两种传热模式下的传热阻、传热量及内表面温度均有明显差异，说明格构墙的二维传热现象较为显著，热桥对墙体传热的影响显著，需要考虑。

（4）给出一种装配式格构墙建筑的节能分析方法，利用PTemp 软件计算格构墙的结构性热桥线传热系数，将传热特征复杂的格构墙等效为匀质围护结构，从而可利用现有软件模拟此类建筑的能耗。