建筑围护结构热桥传热及改善研究现状

刘梓健 廖智强 陈延超 周晋*

1 湖南大学土木工程学院

2 中民筑友智能装备科技有限公司

随着我国社会经济迅速发展以及人民生活水平逐步提高，建筑能耗已经占到我国社会总能耗的20%～30%[1]，建筑节能已成为我国实现节能减排目标的重要举措之一。而建筑节能其中一个关键在于如何改善建筑围护结构热性能。在实际建筑物围护结构中存在着大量热桥，改善围护结构热性能，其中一个要点就是解决热桥带来的不利影响。

热桥带来的不利影响包括导致建筑内部热量和冷量损失增加以及使得围护结构内表面结露发霉风险提高。郭骏等[2]研究发现，热桥热损失占传统无保温建筑物总热损失的5%～7%，而对于复合保温墙建筑物，该比例达到了20%以上。Theodosiou 等[3]研究热桥的存在会导致希腊住宅建筑供热负荷提高5.6%到29.6%，供冷负荷提高约10%。Koci 等[4]针对围护结构结露影响的实验研究表明，由于热湿传递，结露表面周围区域的导热系数会显著提高。文献[5]也指出围护结构热桥部位内表面温度比其他部位更低，更容易出现结露生霉现象，危害建筑内部人员身体健康。

总的来说，热桥带来的不利影响，主要起因在于热桥的热损失过高。热桥的传热研究对改善热桥，建造高性能低能耗建筑有重要意义。本文先对热桥传热研究方法，包括计算方法以及检测实验方法进行介绍，然后讨论新技术的应用对热桥带来的影响以及降低热桥传热性能即改善热桥的方法，最后提出需要针对热桥进行深入研究的内容。

1 标准中热桥定义及计算方法

根据ISO 10211[6]，热桥的产生是由于围护结构的几何尺寸或者材料热物性的连续性遭到破坏。按照热流维度可将热桥分为线状热桥和点状热桥，传热影响可用分别用线传热系数Ψ 或点传热系数x 来描述。在建筑外围护结构中，门窗、外墙、楼板、屋面、凸窗、阳台板、空调板等部件交界处易形成线状或点状热桥，当围护结构被不同导热系数的材料穿透时，也会形成点状热桥。

ISO 10211[6]和ISO 14683[7]给出了计算热桥传热系数的详细方法。我国的《民用建筑热工设计规范》[8]，着重于提出对热桥的设计要求，但是也提供了与ISO标准相近的热桥传热系数计算方法。

标准给出的计算热桥传热的方法只能进行稳态条件下的分析，无法考虑动态影响，并且热桥部位导致的热损失占整个围护结构热损失的比例较大，因此使用标准提供的方法进行传热计算可能导致围护结构热性能预测结果与实际差异明显以及能耗计算结果误差过大。Ge 和Fuad Baba 等人[9]的研究可以证明。他们分别采用等效U 值一维稳态模拟和三维传热动态模拟两种方法研究阳台热桥对某高层公寓的能耗影响。结果表明，对比三维动态模拟方法，等效U 值法得出年热负荷低估了2.8%～4.4%，并且如果阳台面积比率达到100%且阳台上下部墙体有良好隔热的情况下，这种差异将达到8.6%～15.2%。

与基于ISO 标准提供的传热系数计算的等效U值法相比，三维动态模拟虽然精确度高，但是需要大量时间进行建模和计算，占用大量计算机资源，这种方法对于设计人员以及科研工作者都存在一定的运用难度。

因此，为了避免围护结构热性能预测失败和能耗计算误差过大，同时减少建模和计算时间，还需要一些高效而又能满足各种场合精确度要求的热桥传热计算方法。

2 热桥传热计算方法

围护结构热桥的传热计算方法按计算精度划分可分为简化计算和精确计算两种。简化计算方法包括计算传热系数，等效墙体法，减秩模型。精确计算热桥传热可以运用反应系数法，传递函数法和数值的计算方法。

2.1 传热系数

在稳态条件下，线状热桥的传热影响可由线传热系数Ψ 来描述，点状热桥的传热性能可由点传热系数x 来描述。ISO 10211-2017[6]其给出Ψ 值和x 值的计算表达式如下：

式中：L2D为二维热耦合系数，它是二维传热系数，W/(m·K)；Uj是部件j 的一维传热系数，W/(m2·K)；lj是一维部件j 对应的长度，m；L3D为三维热耦合系数，它是三维传热系数，W/K；Si为平壁面积，m2。

除了以上的计算方法，Ben Larbi[10]还提出了计算二维热桥传热系数Ψ 的统计学模型，相对误差小于5%。

多维传热系数仅适用于稳态条件下计算热桥传热量，用于计算建筑能耗时的精确度相对较低，但是其优点在于计算便捷，因此可以利用来进行简单地能耗对比，评估围护结构热性能以及热桥改善措施[11-14]。

2.2 等效墙体法

围护结构内外环境动态变化的条件下，需要考虑热桥部位的热惯性。等效墙体（Equivalent Wall）是一种简化模型，其密度ρ，比热cp与整体热桥部位等效，导热系数λ 考虑了热桥的额外热损失。等效墙体可以替代原始热桥进行传热计算或运用于能耗模拟中。

等效墙体法于1997 年由Kossecka 和Kosny[15]提出，当时他们使用结构因子法获得等效墙体。Martin 等人[16]使用一个基于热电类比的方法用来获取三层均质墙。Quinten 指出[17]，运用结构因子法和谐波法组合得到的等效墙体，在代入能耗模拟软件计算时获得的结果最优。

2.3 减秩模型

多维条件下的围护结构动态热计算势必引入大量系统矩阵，从而带来繁重计算量。有的学者提出建立与模拟建筑相关的低阶热桥附加热损失模型。

高岩等[18]认为，热桥部位可以被分解成为一维墙组元和热桥附加热损失组元。热桥部位的总热损失是两组元热损失的综合。基于这个想法，高岩构建了状态空间形式的热桥动态附加热损失模型，然后进行减秩。结果表明热桥附加热损失减秩模型能够动态计算热桥附加热损失，并且此模型容易实现程序植入。Gao等[19]也基于类似方法，对窗墙结构热桥的传热进行分析，减秩后的模型计算结果与未减秩模型的计算结果吻合得很好。

2.4 反应系数法和传递函数法

反应系数法和传递函数法能够描述墙体对室外温度扰量的动态响应过程，不要求周期性边界条件，适用于任意扰量。

Kossecka 和Kosny[20]利用有限差分法计算热桥的反应系数。2007 年[21]，他们利用反应系数来求得三维热传导z 传递函数系数，并且误差很小。Ascione 等[22]应用Seem[23]的传热传递函数状态空间表示法来求解多维传热传递函数，通过与有限体积方法进行模拟对比，简化传热传递函数的精确度令人满意。

运用反应系数法、传递函数法运用到能耗模拟软件时可能需要修改源代码，存在一定的技术难度。同时一般的房间有许多个热桥，意味着这种方法需要计算大量的反应系数，需要较长的运算时间和较大的计算能力[24]。

2.5 数值计算方法

数值计算法原理是利用空间与时间区域内有限个离散点上的温度近似值代替原来是连续分布的温度场，按照一定方式建立起来关于这些节点温度变量的代数方程（离散方程）并求解之，得到温度场的近似值。常用求解导热问题的数值解法包括有限差分法、有限元法和有限体积法。

数值方法的优点在于它可以处理动态多维传热情况，并且精度很高。其缺点在于，需要划分过多节点，需要求出每一个时间步长的整个空间温度分布。因此数值方法直接用到负荷计算和建筑能源分析中，需要大量的计算时间和资源，但是精确分析某个热桥部位的传热情况是合适的[24]。

随着计算机技术迅速的发展，各国公司以及研究机构基于数值的计算方法开发了许多稳态分析热桥传热问题的模拟软件。比如，美国劳伦斯伯克利实验室开发的THERM[25]软件以及有限元分析软件公司ANSYS 开发的通用ANSYS 软件包等。

3 热桥检测与传热实验方法

热桥传热计算方法需要了解建筑围护结构的内部结构，材料物性以及可能随时间恶化的性质，这让计算方法在使用上有一定局限性。因此，学者们开始利用一些仪器或装置，配合后续处理，在不了解墙体内部构造以及材料的物性参数的情况下，来检测出围护结构中的热桥部位，研究热桥影响以及传热特性。常用仪器或装置及其功能见表1，其中，红外热成像技术因其非破坏性，多点测量，快速测量，直观反映温度分布等特点，近年来广泛应用在热桥传热研究中。

表1 热桥研究常用仪器或装置

1）热桥现场检测。热桥部位的内表面温度，受到施工技术的影响，可能与设计阶段的计算值存在偏差，进而导致结露风险点被忽略。对建筑进行节能改造的过程中，难以得知围护结构热性能现状，无法针对现有建筑进行模拟得出有效的节能改造策略。基于前述原因，热桥的现场检测是有必要的。当前热桥的现场检测主要是依靠红外热成像技术（ITT）来实现。利用ITT可以在围护结构表面展现温度分布图，直观反映热损失严重的部位或者结露风险点。比如，Ocana等[26]在西班牙对住宅建筑进行热成像测量，用于检测其围护结构上的热损失点。

2）热桥影响及热桥效应研究。Zalewski 等人[27]在热箱中进行了稳态实验以研究由钢框架热桥的影响。Asdrubali 等[28]运用ITT，获得热桥部位单一像素的温度值并加以后续分析，然后计算得到表示传热系数增量的热桥影响因子Itb，以反映热桥带来的影响。K.Martin 等[29]则在热箱装置中分别进行了稳态和动态实验，利用热通量计测量带柱墙体热桥部位热流，并与无柱墙体测量结果比较，进而获得其动态热效应。Prada等[30]也通过实验比较墙角处的热响应与平壁处的热响应来获得热桥动态热效应。

3）利用ITT 计算热流密度和传热系数。ITT 近年来广泛应用在热桥传热研究中。K.E.A.Ohlsson 等[31]利用ITT 同时测量墙体表面温度，周围辐射温度以及空气温度，进而计算建筑围护结构表面的热流密度q。Tejedor 等[32]利用ITT 现场获得单叶墙体和多叶墙体的U 值。与实际值相比，偏差仅有1～4%，并且运用此方法只需要2～3 h，大大提升效率。O’Grady 等进行多项研究将ITT 用于量化Ψ 值。他们仅用红外热成仪估计热桥附加热流量qtb以及Ψ 值[33]。随后他们还考虑在不同风速条件下[34]以及考虑窗-框-墙节点中多个热桥的相互作用下[35]对Ψ 值的影响。

4）提高ITT 测量精度的研究。为了降低检测的人为主观性以及增强检测的精确度，I.Garrido 等[36]开发了红外热成像检测的自动化程序。结合热图像校正方法，该程序使得热桥检测的准确性提高了15%。Baldinell 等[37]开发了一种数学算法以提高红外热成像分辨率，进而提高能够评估能量损失的热桥影响因子的计算精确度。Tejedor 等[38]研究了操作环境（内外环境温度差）以及热物性（墙体比热容）对使用红外热成像技术现场测定U 值的影响，提出相应的实验设置建议。Lehman 等[39]通过瞬态模拟量化气候条件对使用ITT 测量外墙表面温度分布的影响，并提出提高ITT使用精度的建议。

4 新技术应用对建筑热桥的影响

现代建筑在经济性，外观以及能源利用上有更多的要求，一些新技术也开始应用在建筑中，这些技术的应用一定程度上会对建筑热桥产生影响。

超高性能混凝土（UHPC）是一种新型水泥基材料，其抗压强度高于150 MPa，约为传统混凝土的三倍，同时还具有相当优异的韧性和耐久性能，而自重仅为传统混凝土的1/3 或1/2，国外工程中已经成功将UHPC 应用于建筑的楼梯和阳台中[40]。由于其优异性能，在相同跨度下，这些部件的厚度要比传统阳台要薄，意味着此处热桥部位截面积将会减少。因此UHPC的使用一定程度上可以降低热桥影响。

响应国家提出在“十三五”期间大力发展装配式建筑的号召，装配式建筑在近年来发展得十分迅速。与传统建筑相比，装配式建筑的围护结构为工厂预制，且设置了保温层。这样使得热桥部位更加集中于混凝土后浇带或者预制板连接处。同时为了追求室内大开间布局，外部剪力墙内部框架结构的结构形式的应用也被提出，这样使得热桥部位从内部集中往外墙移动，直接暴露于外部环境，可能使得建筑能耗进一步增加。一些预制构件，如阳台板、空调板、飘窗、楼梯、外墙装饰板等，需要固定在墙体上，支撑这些构件的金属支撑体系不可避免的穿透外墙的保温层，形成热桥，并且该处难以进行断热处理。

研究表明，对于围护结构的T 型和L 型节点，外保温系统在保温性能以及防结露效果上要优于内保温和墙体夹心保温系统[41]。但是对于高层建筑，在恶劣天气中，外保温系统存在着脱落的风险，破损处将会产生热桥导致热量的额外损失。破损后的保温系统难以进行维修，只能任由破损处继续恶化。因此设计时需要多种保温体系相互配合，加以适当的热桥断热，以改善热桥效应。

太阳能集热，蓄热和光伏发电系统在我国严寒地区农村区域有着广阔的发展前景和应用价值[42-43]。安装太阳能系统部件时，需要将其固定在围护结构上，这样金属固定件就不可避免的局部穿透围护结构，产生热桥引起额外热损失。

总的来说，一些新技术的应用可能会导致热桥部位数量增多，使得结构细节更加复杂。这种情况下，标准规范的热桥核算方法会与实际情况有很大的误差，同时使得热桥传热计算的建模更加困难和复杂。因此要更好的研究热桥传热，需要将计算方法，检测和实验方法相结合起来。

5 热桥改善方法

研究热桥传热，一个目的是前面所述为了精确计算传热量，另一目的是为了降低热桥传热能力改善热桥，降低能耗。热桥的起因是围护结构元件的几何尺寸或者材料热物性的连续性遭到破坏，改善热桥可以先从改善连续性入手，再加以其他措施。详细的说，设计时尽量避免几何尺寸有太大的突变，避免保温层发生中断，在保证力学性能的前提下减少墙体内部的固件。如果难以保证几何尺寸和材料的连续性，可以试图选用低热导率的材料构建墙体，或者对热桥部位进行断热处理。

比如Goulouti 等[13]用有更低Ψ 值的芳纶玻璃纤维增强聚合物（AFRP）代替传统钢筋，同时在混凝土板间加入不受力断热材料——装在一个环六角形盒子里的气凝胶颗粒。Sofia Real 等[14]提出用轻骨料混凝土代替普通混凝土制成墙体以降低热桥的影响。Theodosiou 等[44]在固定支架和墙体之间架设断热元件以降低通风外墙固定支架热桥效应。Ben Larbi 等[45]在阳台支撑钢梁的端板与支撑楼板之间加设一定厚度的PVC 板，可以同时满足力学性能要求以及断热要求。同时Theodosiou[3]的研究结果也表明，完全外保温墙体和局部外保温墙体的热损失有很大差别，完全外保温墙体因其保温层延续性更佳，热桥节点数量减少，从而通过墙体的热损失也更小。

6 结束语及待研究内容

建筑热桥的传热研究是建筑节能和建筑内环境改善的关键之一。本文主要介绍热桥传热研究方法，包括热桥传热计算方法，热桥检测方法和传热实验方法。采用不同热桥传热计算方法进行能耗模拟所得的结果与实际存在误差，要进行精准的能耗分析，就需要合理选用计算方法。检测或实验方法无需详细了解建筑围护结构的内部结构以及可能随时间恶化的部件的性质，也不会对结构造成破坏，能够定量定性研究热桥，越来越受到青睐，但是需要一定的硬件基础。新技术的广泛应用，使得依靠单一方法进行热桥传热的研究可能会有较大误差，需要将实验和理论计算方法相结合起来。热桥效应可通过保证几何尺寸及材料物性的连续性，并加以局部断热处理或选用低导热率的材料等措施进行改善。

在现有研究基础上，仍需要对以下方面对建筑围护结构热桥进行研究。

①建筑围护结构中，部分热桥可能相邻较近，需要进行热桥的影响区域及热桥的相互影响的研究。

②进行敏感性分析，以把握主要影响因子，从而在设计阶段可以采取更合理的措施改善热桥。

③建筑能耗模拟结果受到热桥传热计算方法、气候区域、建筑类型共同影响。应当针对不同气候区域不同建筑类型，作出热桥传热计算方法的应用对比，以根据实际情况选用合适的方法精确高效地计算建筑能耗。

④结合计算方法与实验方法研究热桥传热，以应对越来越复杂的建筑围护结构以及热桥部位构造带来的建模困难影响。

⑤实验精确度影响因素的研究，特别是红外热成像技术ITT。