木结构墙体热桥效应的研究现状和展望

甘心怡，朱一辛

(南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037)

现阶段，我国以高昂的能源消耗为代价高速发展经济，对生态环境造成了不可忽视的影响。随着人们节约能源、保护环境的意识增强和现代木结构建筑理论与实践的发展，节能保温、健康舒适的木结构建筑得到人们的关注。我国的建筑行业能耗高且耗材量大，减少建筑能耗、发展低碳建筑，是我国经济社会可持续发展的必由之路，同时为木结构建筑的发展提供了历史机遇。在建筑总能耗中，大部分是由围护结构直接或间接引起的。建筑围护结构是分隔空间、抵挡外界不良环境的构件，主要包含墙体、门窗、屋面等，通常具有保温隔热、防水防潮的作用。在住宅建筑中，墙体面积通常占全部维护结构的60%以上，而热流损失占维护结构总能耗的60%～70%[1]。因此，研究木结构墙体的热工性能对减少木结构建筑能耗具有重要意义。本文围绕建筑热桥展开概述，从数值模拟的方法和实验与模拟结合的方法总结国内外建筑热桥的研究现状，并对木结构墙体热桥效应的研究进行分析和展望。

1 建筑热桥概述

1.1 建筑热桥定义

热桥即传导热流的桥梁，是建筑中墙体等围护结构的钢筋混凝土或金属梁、柱、肋等部位。由于钢筋混凝土或金属等材料热传导性好，这些热桥部位的传热能力比主墙体强，热流密度大，在室内外温差的影响下，墙体易受热不均，造成热量损失。国际上定义热桥是围护结构的全部或部分被不同热工性能的材料贯穿，构件或保温材料厚度发生变化，或结构内外面积不同造成热量损失，如墙体、地板的连接部位，满足三者其一即为热桥[2]。

热桥可分为多种类型，根据围护结构的位置和结构特点，分为墙体、梁、柱、屋顶、阳台热桥等八类，现代建筑形式与结构的多样化也会带来新的热桥部位出现。各热桥的位置区域如图1所示。

图1 常见热桥结构

1.2 建筑热桥影响

热桥的存在给建筑带来的危害是非常大的，主要表现在三个方面。第一，热桥的存在使墙体局部传热量增大，墙体的平均热阻减小，导致保温性能下降。第二，热桥部位热流密集，是墙体保温的薄弱环节，尤其是到了寒冬时节，墙体内表面温度若降低至露点温度以下，水蒸气易在表面发生凝结，从而产生结露现象，甚至会使该区域长菌、发黑、霉变等，墙体结构被破坏，室内空气变得潮湿，严重影响人体居住舒适度和建筑安全性。第三，墙体热桥部位在温度和湿度的共同影响下，湿传递和热传递均被加强，两者相互作用，增大了建筑能耗[3]。

2 国外建筑热桥研究现状

国外在建筑热桥研究方面较为成熟，早在20世纪50年代就开始了相关研究，目前国外主要采用数值模拟的方法和实验与模拟相结合的方法研究热桥，国外学者的研究多集中于研究改进计算和建模方法，减小评估和预测热桥影响误差等方面。

2.1 数值模拟研究

目前对于热桥问题的数值计算方法主要有三种，分别是有限差分法、有限元法和控制体积法，随着计算机科学与技术的进步，各国公司及研究机构相继基于数值计算方法编制了相关模拟计算和分析软件。

2.1.1 数值计算方法

有限差分法和有限元法常用于热反应系数的求解。2002年，Kossecka等[4]用有限差分法求解热桥的反应系数。另一方面，1996年，Huang et al等[5]用有限元法计算了钢结构墙体截面和热桥的反应系数。此外，1997年，Guofeng Mao等[6]利用有限元分析法和节点热平衡法计算了热桥内表面温度与热流量分布。2008年，Wrobel等[7]在红外热成像技术的辅助下用有限元法研究了结构性热桥。2018年，Stefano Bergero等[8]利用二维有限元分析法和专业软件分别计算了热桥的线性透射率，并得出有限元数值分析法计算热桥能耗更为精确的结论。

控制体积法也是一种常用的数值计算方法。2003年，Al-Sanea[9]辅助以TEACH-C计算机程序对有限体积方程进行求解，把结果进行对比验证了数值模型的有效性和精确度。2013年，Ascione等[10]应用Seem的传热传递函数状态空间表示法求解热桥传热传递函数，并与有限体积方法进行模拟比较验证了准确性。

2.1.2 数值模拟软件

ANSYS、Comsol是基于有限元分析法的数值模拟软件，FLUENT是基于控制体积法的模拟分析软件，Heat 2和Heat 3分别是二维和三维的动态热桥模拟软件，THERM是一款开源传热软件，其应用广泛，功能强大，可用于围护结构传热分析，此外还有WUFI、Energy plus、Flixo、HTflux等软件也常用于求解建筑热桥传热系数。

2011年，Francesca Cappelkti等[11]利用THERM 5.2软件计算了窗的线性传热系数，评估了窗热桥的热损失。2013年，Adriano Pinto Gomes等[12]利用Energy plus软件研究了围护结构热桥对建筑能耗的影响。2014年，Mohamad Ibrahim等[13]利用MATLAB和Energy plus软件研究了窗热桥能耗，并得出结论绝缘涂料可以减少热桥能耗，同年，Enrico de Angelis等[14]使用Therm软件与WUFI软件分析了不同情况下的热桥，从而使评估平均传热系数更容易。2015年，Sierra F等[15]利用HEAT2D软件计算了窗-外墙之间的热桥能耗，并发现窗的传热系数越大越易表面凝结和生长霉菌。

木结构建筑热桥的研究与钢筋混凝土建筑类似。2015年，H.Viot[16]用动态模拟的方法对比分析了不同热桥计算方法，研究了轻型木结构建筑中龙骨处的热桥，同年，Jenni Pusila[17]用Flixo软件模拟研究了CLT中的热桥，并得出结论CLT在平面表面与墙体连接处的热量损失低于混凝土建筑，Ligia Moga[18]则使用了PSIPLAN计算机程序分析了轻型木结构墙体含有外保温条件下的热桥情况，并验证了软件的准确性。

2.2 实验与模拟相结合

用定性的分析方法解决热桥传热计算问题具有一定的局限性，无法清楚地反映热桥处空气渗透、潮湿发霉等问题。实验研究方法是一种重要的研究热桥特征的方法，可以验证模拟结果的准确性，常用的实验研究热桥问题方式主要有现场检测实验和物理建模实验研究两种。

2.2.1 现场检测实验

1997年，WcGowon A G等通过现场检测法对墙体两处热桥部位进行分析计算，得出墙体连接处传热量约为墙体中部1.5倍的结论。2007年，Lee BC等[19]通过现场检测的方法研究自保温墙体的L型、T型热桥，同时基于Fluent软件模拟分析，得出该两处热桥部位发生热损失可能性大于其他部位的结论。2012年，Thomas Haavi等[20]使用热箱测量与数值模拟结合的方法研究了三种不同龙骨形式木结构墙体的热性能。现场检测实验研究虽可弥补定性分析热桥方法的不足，但最大的问题在于无法控制室外环境条件。

2.2.2 物理建模实验

2012年，Francesco Asdrubali等[21]用实验和数值分析结合的方法计算了不同类型热桥的能耗，得出结论热桥效应可以通过墙壁传热系数的增长率衡量。2018年，Joana Prata[22]建立边界元模型来研究正交胶合木建筑墙体转角处的线性热桥动态热损失，并通过实验验证，发现实验与模拟结果相符合。2019年，Seong Jin Chang[23]用实验与模拟结合的方法研究了以韩国国产胶合板作为正交胶合木芯材的墙体传热，得出结论正交胶合木墙体的热桥效应要弱于木框架墙体。而物理建模实验研究的局限性在于难以对建筑整体进行热工性能研究，通常只能针对局部热桥实验。

上述国外研究案例表明，在研究方法上，数值模拟研究常用在研究热桥传热细节方面，需要对建筑的结构及材料充分了解，缺点在于计算时间长，实验与模拟相结合的研究方法则可进行比较验证，更能体现结果准确性，便于反映多种因素对热桥的影响程度，以解决实际工程中的热桥问题。

3 国内建筑热桥研究现状

国内对于建筑热桥的研究开始较晚，目前的很多研究都借鉴了国外的成果，相对来说，当前国内学者主要结合我国的具体情况需要，着重研究热桥对建筑能耗的影响和改进热桥降低能耗等方面。国内对建筑热桥的研究可分为数值模拟和实验研究两种。

3.1 数值模拟

为了解决热桥传热问题，我国科研人员相继编制了热桥模拟分析程序进行数值计算。1995年，郭骏等[24]基于二维稳态传热理论研发了我国首个热桥分析程序TBAP，对建筑墙体等典型热桥进行了系统的分析。国内学者研究墙体的热桥效应大多采用有限元软件分析热桥部位的温度场及热桥的影响区域。1999年，林海燕等[25]用自主研发的二维稳态传热模拟软件PTDA研究不同结构的墙体，求解出平均传热系数并与试验结果对比分析，证明了PTDA数值分析结果较为精确，并修正了现行规范中一维简化算法的误差。2005年，郁文红等[26]用ANSYS软件分析了我国北方居住建筑节能改造后的热桥部位，结果表明内保温系统的传热系数是外保温系统的2倍。2007年，南艳丽等[27]用PTemp软件对自保温体系典型热桥进行了稳态分析和试验测试，数值模拟结果与实验结果相符。2017年，中国建筑科学研究院用自主研发的二维温度场计算软件PTemp研究了轻型木结构墙体的热工性能，得出了不同墙体构造的平均传热系数，为轻型木结构建筑的节能改进提供参考依据。

在改进热桥计算方法方面，1996年，杨万枫等[28]提出了热场畸变法，该方法以热桥传热理论为依据，提高了求解热桥传热系数的速度和精确度，适用于实际工程计算。2008年，谢晓娜等[29]提出了等效平板法，该方法在瞬态条件下模拟楼地部位的热桥传热，计算准确高效。2012年，高岩等[30]提出了模型减秩法，建立了热桥动态三维模拟的低阶模型并与热模拟软件耦合，使计算量减小，更加方便快捷。

3.2 实验研究

1996年，厉风卿等[31]用大型标定式热箱对不同热桥的保温墙体进行测试和分析，研究了节能墙体热桥能耗的影响。2010年，陶然等[32]用热流计法测量了墙体传热系数，通过稳态模拟温度场与实验数据对比，研究了墙体构造柱的宽度及形状对墙体热桥效应的影响。2015年，王智等[33]搭建了一座两层的实验楼，对浙江地区5种不同自保温外墙的T型楼板热桥进行了热工测试，发现采用半包柱的构造做法能够减少热桥部位的热量损失。除此之外，红外热成像技术是一种通过红外辐射原理来检测物体表面热辐射的常用技术，测速快、范围广，常用于定量分析和检测实验结果。2018年，沈卉等[34]利用外红热像仪对南京一处井干式木结构住宅墙体等热桥部位进行测试分析，找出了围护结构中存在的热量损失部位。

综合比较，国内外对装配式木结构建筑热桥效应的研究较少，国内研究主要针对楼地或单一典型热桥的数值分析，实验与模拟结合较少，仍未解决热桥存在形式和表面温度计算问题。数值模拟程序动态计算热桥耗时长，不能实时计算，红外热成像技术等实验方法效率虽高但一定程度上缺乏准确性。国内外学者的研究尚存在一定的局限性，现阶段建筑的总能耗依然超出节能标准，还需要进一步加强理论研究与应用实践。

4 结论与展望

墙体的连接、复合、开门窗等构造，易形成一个不均匀传热体，无法避免会产生热桥效应。木结构墙体的热桥效应与木结构建筑的设计、建造、检测、维护密切相关。我国“十三五”规划中明确提出了建筑节能，开展木结构墙体热桥效应的研究，既关系到木结构建筑整体的节能改进，又对全世界范围内发展绿色建筑具有重要意义。故非常有必要深入研究，寻求方法降低热桥能耗，保护木结构建筑的结构安全，提高居住舒适度和使用年限。鉴于此，笔者提出进一步做好木结构墙体热桥效应研究的几条主要途径。

(1)国内有关木结构建筑的设计及施工规范已经确立，但国内外关于木结构建筑热桥的规范还不完善，故应做好对木结构建筑热桥规范的制订。

(2)理论应与实验相结合，更为准确地研究木结构墙体的热桥效应，如采用红外热成像技术定量分析，利用Therm软件进行二维稳态数值模拟，研究井干式木结构建筑墙体的构件搭接处与轻型木结构建筑墙体龙骨处的热桥现象；改变井干式木结构墙体和轻型木结构墙体的模态参数，能较为便捷地计算热桥对墙体传热系数的修正系数，传热系数的变化可以较好地反应热桥对墙体传热的影响程度。

(3)考虑多因素条件下木结构墙体热桥传热性能。除了环境温度、相对湿度、气流等因素以外，墙体结构和材料性能也是影响木结构墙体热桥传热特性的主要因素。根据相关文献可知，井干式木结构墙体构件搭接处所形成的热桥属于边缘性热桥，是一种微观热桥，因此在建立其分析模型时，要考虑墙体厚度、墙体材料导热系数、企口处密封材料导热系数、构件间距以及企口形状这几个方面；而轻型木结构墙体中龙骨处形成的热桥属于重复热桥，是一种无法避免的热桥现象，在建立物理模型时，要考虑保温材料种类、覆面板材料、龙骨数量等。

(4)研究不同地区木结构墙体热桥特性。我国的木结构建筑分布广泛，从南方森林资源丰富地区到北方严寒地带林区均有分布，由于我国五大气候区的建筑热桥对建筑能耗的影响存在差异，因此应分区域对木结构墙体热桥效应进行研究。