模块化轻钢结构超低能耗建筑的热桥分析

葛钊岐 李祥立

大连理工大学建设工程学部

0 前言

轻钢结构模块化建筑是一种新型的建筑结构形式，可以把复杂的系统分解为单一的子系统，便于管理[1]。由于自身体积较小，可随时移动并拆卸，钢框架和围护结构部位都可在工厂预制，只需现场拼接即可，简化了施工程序，对环境无污染。近年来，实现这种模块化轻钢结构建筑的超低能耗是一个研究热点，如果突破了两者技术结合的矛盾点，那么这种建筑是真正意义上的绿色节能建筑。在推进超低能耗建筑的进程中，围护结构起着决定性的作用，所以有很多对于围护结构的传热研究[2-6]。

本文将太阳辐射照度、风速等动态变化因素考虑在内，利用ANSYS 有限元软件进行瞬态模拟[7]，并以最大化减小热桥附加耗热量为计算目标，给出各围护结构的传热系数在寒冷地区的合理值。

1 建筑模型信息

如图1、2 所示，对于单模块建筑来说，南北外墙设置为3 m×3 m，东西外墙设置为6 m×3 m，为减小外门冷风侵入耗热量，此模块建筑单独设置门斗，两层门之间的距离为1.5 m，总建筑面积为22.5 m2。表1 为单模块房屋各围护结构的具体做法，各个围护结构的保温层厚度均选择下文中最佳的保温层厚度。需要注意的是，保温层在铺设时，一定要进行错缝搭接，这样不仅避免了保温板拼接缝隙大的问题，还可以保证保温板的缝隙不再贯通，进一步阻止了热量的传递，提高了建筑气密性的同时，也提高了建筑物的保温性能。

图1 单模块立体图

图2 单模块平面图

表1 各围护结构材料构成

对于门窗，外门和内门尺寸为0.9 m×2 m；东西窗尺寸为0.76 m×1.4 m，南窗尺寸为1.0 m×1.6 m，窗户附框均取0.1 m 宽。

2 围护结构的传热模拟

2.1 外墙体龙骨热桥

为研究不同保温层厚度下的能耗水平，同时充分考虑热桥传热对外墙能耗影响，本文以应用最多的石墨聚苯板（导热系数0.032 W/(m2·K)）为轻钢结构的外保温，用ANSYS 有限元瞬态模拟的方法来计算不同保温层厚度下的热桥部位的能耗。

通过数值模拟得到的外墙热桥部位全年能耗与保温层厚度的关系，如图4 所示：

图3 外墙传热模型

图4 热桥附加耗热量随着保温层厚度的变化关系图像

由图4 可知轻钢结构外墙的热桥附加耗热量随保温层厚度的增加而减小，但随着厚度的继续增加，热桥附加耗热量减小的幅度越来越小，当保温层厚度取0.14m 和无保温时，此时外墙体的外壁面热流密度图像如图5：

图5 不同保温层厚度下的外墙外表面热流密度

由图5 可知，当轻钢结构外墙的保温层厚度达到0.14 m 左右时，热桥的全年附加耗热量已经达到了1 kW·h/m2以下，并且由图3 可知此时外墙外表面的热流密度相对比较均匀，已经基本消除了热桥效应，继续增加保温层对于热桥效应的减弱不仅效果很小，而且还会使其成本相应增加，所以本文推荐寒冷地区装配式轻钢结构外墙的传热系数的推荐值为0.152 W/(m2·K)。

2.2 L 型墙体热桥

轻钢结构建筑中常见的L 型墙角（图6），此处为几何热桥，并且由于墙角处还存在轻钢龙骨、自攻钉等钢构件，会产生很大的热桥效应。

图6 L 型墙体传热模型

为了更直观地比较热桥部位与正常墙体传热的差异，选取外墙内表面水平方向为横坐标，取最左端（本文长度取1 m）为坐标原点位置，内表面温度和热流密度数据为纵坐标，得到整个墙体横向的热流密度与温度曲线，如图7：

图7 内表面各节点热流密度变化曲线

通过数值模拟得到的L 型墙体的全年热桥附加能耗与保温层厚度的关系，如图8 所示：

图8 热桥附加耗热量随着保温层厚度的变化关系图像

从图8 中可以看出，对于L 型墙角的热桥，当外保温层的厚度取0.14 m 左右时，热桥效应减小的幅度几乎为零，这表明继续增加外保温厚度不仅没能有效地缓解L 型墙角的热桥效应，更增加了施工难度。此时虽然墙角处的热桥附加耗热量单位面积还是很大，但是经过前面的计算，此L 型墙角的热桥影响范围总长度为0.147 m×2=0.294 m，说明L 型墙体的热桥面积很小，即使单位面积的热损失很大，全年经过此热桥部位的能耗在总能耗的占比也是不高的，所以建议装配式钢结构的L 型墙体不需加过厚的EPS 保温层，推荐值为0.14 m。

2.3 屋面龙骨热桥

通过数值模拟得到的屋面热桥（图9）部位全年能耗与保温层厚度的关系，如图10、11 所示：

图9 屋面传热模型

图10 热桥附加耗热量随着保温层厚度的变化关系图像

图11 不同保温层厚度下的外墙外表面热流密度

由图10、11 可知，当轻钢结构屋面的保温层厚度达到0.13 m 左右时，热桥的全年附加耗热量已经达到了1 kW·h/m2以下，并且此时屋顶外表面的热流密度相对比较均匀，已经基本消除了热桥效应，继续增加保温层对于热桥效应的减弱已经微乎其微，而且还会使其成本相应增加，所以本文推荐寒冷地区装配式轻钢结构屋面的围护结构传热系数的推荐值为0.143 W/(m2·K)。

2.4 地角龙骨热桥

基础上方为轻钢结构墙体，与其相连的基础是由钢插入到混凝土立柱中形成的，由于基础部位的混凝土导热系数和蓄热性与土壤接近，因此基础位置的深度对计算结果影响不大，本文取1.5 m，其中钢构件深度为0.32 m，宽0.24 m，混凝土立柱宽0.3 m，右侧为室内的地面保温，室外侧取1 m，室内取4 m，基础下方计算域设定为9.5 m，假定基础内并无发热体，即无内热源形式，现有两种地面保温的方式（图12、13）：

图12 地角周边无保温

图13 地角周边设置保温

分别对两种保温方式的内地面进行热流密度随距离变化的图像绘制，可以得到：

从图14、15 可以看出，如果不对周边地面进行保温，在该体系中，正常地面的热流密度为2.59 W/m2，而钢结构墙与地面基础交接的位置，热流密度最高可达176 W/m2，远远高于其他位置的热流密度，热桥现象明显。此时，通过对内地面热桥部位的热流密度进行积分，得到周边未设置保温地面的热损失是47.36 W，其中，热桥部位的热损失为36 W，可以看出，此时热量大部分都是从墙角的热桥部位散失的。而对地面周边进行保温设置后，正常地面的热流密度是3.15 W/m2，而钢结构墙与地面基础交接的位置，热流密度最高可达36 W/m2，虽然也高于正常地面的热流密度值，但是热桥效果已经很好的减小了。此时，通过对内地面热桥部位的热流密度进行积分，得到周边设置保温地面的热损失是20.07 W，其中，热桥部位热损失为8.15 W。

图14 地角周边无保温时热流密度随内地面距离的变化曲线

图15 地角周边有保温时热流密度随内地面距离的变化曲线

结果表明，当地面周边未设置保温时，钢结构基础的热桥效果很明显，热量大多从热桥处流走，导致热桥处的热损失很大，而正常地面的热流密度相对较低，而当地面周边设置保温时，虽然会使整个地面抬高224 mm 的距离，但是可以有效的减小热桥效应，在很大程度上减少了地面的热损失，所以提倡使用第二种地面保温的方式。

基于第二种地面保温的方式，通过数值模拟得到的地面的热桥部位全年能耗与保温层厚度的关系，如图16 所示：

图16 基础热桥全年附加耗热量随保温层厚度变化

通过对不同厚度保温层热桥部位的能耗计算，发现当保温层厚度增加到0.1 m 时，继续增加保温层厚度对减缓热桥效应意义不大，所以推荐寒冷地区超低能耗装配式轻钢结构建筑的地面保温的传热系数推荐值为0.268 W/(m2·K)，此时整个供暖季通过内地角的热桥部位附加耗热量为9.806 kW·h/m2。

3 模块化轻钢结构建筑能耗计算

3.1 能耗计算理论基础

能耗计算公式如下：

式中：QH为供暖需求，kW·h；QT为围护结构传热损失，kW·h；QV为通风热损失（通风设备及气密性），kW·h；Qi为内部得热（人员设备等），kW·h；QS为太阳辐射得热，kW·h；

3.2 单模块房屋的热桥部位占比分析

各热桥部位能耗占比分析如表2 所示：

表2 各热桥部位能耗占比分析

单模块轻钢结构房屋的全年总热桥附加能耗为149.69 kW·h，从表2 中可以看出，在装配式轻钢结构各热桥部位中，L 型墙体单位面积的附加耗热量最大，为9.38 kW·h/m2，远超其他部位。而屋面龙骨单位面积的热桥附加耗热量为最小为0.996 kW·h/m2。由于主墙体的面积最大，虽然墙体的单位面积附加耗热量很小，仅为1.03 kW·h/m2，但墙体的总热桥附加耗热量比重最大，为34.94%。

3.3 不同数量的模块化房屋供暖需求分析

本文装配式模块化房屋的尺寸为6 m×3 m，上述计算的建筑是单模块化建筑，多了一个门斗，总建筑面积为22.5 m2。经计算此建筑的年供暖需求为29.487 kW·h/(m2·a)，远远高于寒冷地区超低能耗标准。这是由于单层模块化建筑的建筑体型系数过大，通过计算，得到不同模块数量建筑的单位建筑面积的年供暖需求如表3 所示：

表3 不同数量模块的轻钢建筑的供暖需求

4 结论

1）为实现寒冷地区模块化轻钢结构建筑的超低能耗，各围护结构推荐的传热系数分别为外墙传热系数的推荐值为0.152 W/(m2·K)、屋面传热系数推荐值为0.143 W/(m2·K)，地面传热系数推荐值为0.268 W/(m2·K)。

2）单模块化轻钢结构建筑总全年热桥附加能耗为149.69 kW·h。其中，在装配式轻钢结构各部位热桥中，L 型墙体单位面积的热桥附加耗热量最大，为9.38 kW·h/m2，远超其他部位；屋面龙骨单位面积的热桥附加耗热量最小为0.996 kW·h/m2。由于装配式轻钢结构中轻钢龙骨数目较多这一特点，造成了轻钢结构建筑比一般的超低能耗建筑的热桥附加能耗占比大，达到了9.51%。

3）单模块装配式轻钢结构超低能耗建筑的年供暖需求为29.487 kW·h/m2，远超过寒冷地区超低能耗建筑的年供暖需求15 kW·h/(m2·a)；不同数量的模块拼接在一起时，由于建筑体型系数的减小，当模块数取8时便可达到寒冷地区超低能耗建筑单位面积的年供暖需求。