预制轻钢骨架复合保温墙体热桥传热有限元分析

康智强,常志宇,夏晓东,李继成

(1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.沈阳建筑大学建筑与规划学院，辽宁 沈阳 110168)

围护结构中热流强度显著增大的部位，被称为热桥[1]。热桥的存在增加了墙体的局部换热，减小了墙体的平均热阻[2]，建筑中热桥主要发生在外墙转角、墙角、阳台、柱、梁等部位[3]。室内的环境受到很大影响，比如墙角处容易产生发霉现象[4-5]。围护结构内表面的温度受热桥影响，在室内部位产生结露现象，影响室内人员居住舒适度[6-7]。热桥能耗既存在于节能建筑中，也存在于传统建筑中，但在节能建筑中占到的比例更大[8]，节能性越高的建筑，热桥部位能耗所占比例就越大[9]。被动式超低能耗建筑的发展将无热桥设计作为重要技术原则之一[10]，无热桥的设计可以最大限度地阻断墙体中局部节点的热流传递，是被动式超低能耗建筑设计中至关重要的一个环节[11]。笔者对预制轻钢骨架复合保温墙体典型热桥节点保温层进行定量数值模拟，采用Therm软件模拟分析预制轻钢骨架复合保温墙体中女儿墙节点、外墙转角节点、梁节点、柱节点以及外墙勒脚节点在一定保温设置工况下的热桥传热，并计算热桥系数。通过对热桥节点的计算检验预制轻钢骨架复合保温外墙系统是否满足无热桥设计原则。通过与德国被动房研究所模拟的内嵌式热桥节点模拟对比，验证模拟的准确性。

1 预制轻钢骨架复合保温墙体

1.1 墙体系统基本构造

外墙系统构造如图1所示。外墙采用预制轻钢骨架复合保温体系，预制墙体轻钢龙骨采用C90冷弯薄壁型钢，冷弯薄壁型钢组合墙体是冷弯薄壁型钢结构住宅体系的重要构件之一[12]。镀锌钢带强度等级Q550，厚度0.75 mm。轻钢龙骨室外侧锚固金属结构板带，并通过机械连接式断热桥锚栓锚固150 mm厚石墨聚苯保温板，轻钢龙骨空格间浇筑90厚A级防火轻混凝土，形成预制轻钢轻混凝土墙体，室内侧锚固10 mm厚纤维水泥板和12 mm厚石膏板，外墙外侧施以10 mm厚抹面胶浆复合玻纤网，并做厚抹灰系统，外墙总厚度290 mm，墙体系统构造层参数如表1所示，外墙传热系数为0.179 3 W/(m2·K)。

1.抹面胶浆复合玻纤网;2.石墨聚苯板;3.胶黏剂;4.玻纤水泥板;5.轻质混凝土;6.玻纤水泥板;7.石膏板;8.断热桥锚栓;9.C型钢。

表1 墙体构造层参数Table 1Structural layer parameters of wall

1.2 墙体优势

预制轻钢骨架复合保温墙体的建筑成本低，由于预制墙板的装配程度高而且减少了施工周期，墙体传热系数小，节能效率高，可以满足人体舒适度要求的优点，并且可以广泛应用于多层框架结构建筑。

1.3 建筑无热桥设计原则

无热桥设计原则强调建筑物应采用保温性能更高的围护结构和连续完整的外保温系统[13]。无热桥的设计理念是热桥传热系数很小甚至为负数，当热桥系数小于等于0.01 W/(m·K)时，即可满足无热桥的设计原则，热桥系数越小则墙体的传热效果越好，越节能。无热桥设计时需遵循以下规则。①避让规则：尽量不要有构件穿透围护结构的保温层。②击穿规则：在避免不了穿透围护结构保温层时，例如不采暖的地下室墙体，由于结构的支撑需要，穿透了保温层，就需要在穿透位置选用导热系数尽量低的材料，尽量避免使用金属或常规的混凝土材料，可以使用可承重的加气混凝土材料，还可以采用防腐木、发泡陶瓷等材料。③连接规则：在转角部位的保温层连接的厚度应该不低于整个建筑主体部位的保温层厚度。④几何规则：两个构件的连接处尽可能采用钝角连接，这样可以减少散热面积[14]。

2 热桥数值模拟及计算

采用Therm软件根据有限元分析法计算围护结构稳态下传热，计算所用公式和方法基于欧洲标准(EN IOS 10211)，对围护结构材料的参数设置、边界条件的输入，可准确计算传热系数、温度分布等结果[15]。模拟假设各材料之间接触无缝隙，忽略各材料接触时产生的热阻，认为各处材料同性且均匀，保温层始终连续无断层，墙体铺设防火隔离带，不考虑太阳辐射及其他辐射换热[16]。

2.1 边界条件及计算方法

室内外温度的设置采用国内外默认的室内为20 ℃，室外为-10 ℃[17]。室内外表面空气热阻分别为0.11、0.04(m2·K)/W。线性热桥的计算方法为

(1)

式中：Ψ为线性热桥系数，W/(m·K)；L2D为二维传热系数，W/(m·K)；Uj为一维传热系数，W/(m2·K)；lj为一维传热部分长度，m。

墙体热通量的计算方法为

Φ=U·ΔT·l.

(2)

式中：Φ为热通量，W/m；U为传热系数，W/(m2·K)；l为墙体长度，m；ΔT为室内外温差，K。

2.2 墙板与柱节点不同保温厚度模拟

笔者采用有限元分析法模拟不同保温层厚度的柱节点传热，计算各厚度下的热桥系数。

混凝土柱与外墙接触使热量从此部位传递增加，是热桥典型的节点[18]。图2为柱节点的构造，外墙保温层厚度为150 mm，材料为石墨聚苯板，混凝土柱为500 mm×500 mm，其传热系数为1.72 W/(m·K)，外墙外保温的缝隙为20 mm，采用石墨聚苯板填充，而外墙轻质混凝土部位缝隙采用岩棉填充，具有防火作用。

图2 柱节点构造图Fig.2Structural drawing of column joint

模拟得到柱节点不同保温厚度的温度如图3所示。

图3 柱节点保温层不同厚度温度模拟图Fig.3Temperature simulation of column joint insulation layer with different thickness

外挂式柱节点在保温层厚度分别为50 mm、100 mm、150 mm、200 mm时的节点二维传热系数L2D分别为0.548 W/(m·K)、0.339 W/(m·K)、0.248 W/(m·K)、0.195 W/(m·K)。

保温层厚度由50 mm到200 mm的热桥系数分别为0.017 3 W/(m·K)、0.007 2 W/(m·K)、0.006 5 W/(m·K)、0.002 W/(m·K)。绘制柱节点二维传热系数、热桥系数曲线如图4所示。保温层厚度的增加导致外墙的一维传热系数减小，热桥节点的二维传热系数也逐渐减小，随之热桥系数也减小，所以保温层越厚的节点，热桥对传热的影响越小，但减小的趋势越来越小，说明一直增加保温层厚度并不是最合理的方式，因此选择最优的厚度，既能达到经济性要求又能满足无热桥设计成为关键。根据被动式超低能耗建筑的无热桥设计原则，当保温层厚度增加到75 mm左右，热桥系数达到0.01 W/(m·K)，外挂式框架柱热桥节点就可达到无热桥的要求。

图4 柱节点传热参数变化曲线Fig.4Curve of heat transfer parameters of column joints

2.3 墙板与梁节点

外墙与梁接触会导致热量传递不均匀，形成热桥。此节点的热桥处理至关重要，图5为外挂式梁节点构造图。

图5 梁节点构造图Fig.5Structural drawing of beam joint

混凝土梁通过预埋件外挂与外墙连接，外墙通过断热桥锚栓连接，保温层材料选择石墨聚苯板，厚150 mm，保温层部位铺设宽300 mm岩棉作为防火隔离带，保温层缝隙20 mm，采用石墨聚苯板填充。轻混凝土之间的缝隙采用无保温砂浆填充，并采用M14预埋螺母连接件连接，纤维水泥板之间采用弹性密封胶粘连，纤维水泥板与石膏板之间铺设防水气密膜，宽度不小于100 mm。

模拟得到梁节点温度如图6所示。梁节点的二维传热系数L2D为0.274 W/(m·K)，节点的最高温度19.78 ℃，最低温度-9.8 ℃，根据式(2)计算后得到的热通量Φ为8.2 W/m，根据式(1)计算后得到热桥系数0.004 7 W/(m·K)，此时的热桥系数值满足无热桥的设计原则。

图6 梁节点温度模拟图Fig.6Temperature Simulation of beam joints

2.4 外墙转角阴阳角节点

外墙转角处，内墙和外墙接触传热面积不同或因材料不同导致热量传递增加形成热桥。外墙转角处很容易产生结露，此部位的保温层必须连续。图7为外墙转角-阴阳角节点构造。外墙外保温中的缝隙都采用石墨聚苯板材料填充。C型钢通过螺母连接在轻混凝土中，起到抗冲击、抗震以及防火等作用。转角点纤维水泥板必须采用弹性密封胶粘连，且混凝土柱与墙板通过角钢连接。

模拟得外墙转角的温度(见图8)，外墙阳角的整体二维传热系数L2D为0.31 W/(m·K)，最高温度19.69 ℃，最低温度为-9.9 ℃。计算后的热通量为9.3 W/m，线性热桥系数为-0.057 W/(m·K)。计算得到热桥系数为负，证明阳角节点的传热不但不受热桥影响甚至会比常规墙体传热更好。外墙阴角的二维传热系数L2D为0.132 W/(m·K)，最高温度为19.9 ℃，最低温度为-9.79 ℃。外墙阴角的温度模拟图，计算后的热通量为3.95 W/m，线性热桥系数为0.023 8 W/(m·K)。热桥系数大于0.01 W/(m·K)，则阴角节点并不满足无热桥设计。

图7 外墙转角构造图Fig.7Structural drawing of external wall external corner

图8 外墙转角温度模拟图Fig.8Simulation diagram of external wall corner temperature

2.5 外墙勒脚节点

外墙勒脚热桥是由于外墙与地梁相接触，产生传热不均的现象，形成热桥。在勒脚位置，从地基下方向上铺设保温板，铺设高度约900 mm，保温的材料为XPS。墙角处采用断热桥锚栓锚固保温层，地面保温材料选用XPS，厚度为300 mm，以降低热桥的影响，外墙勒脚结构如图9所示。

图9 外墙勒脚节点构图Fig.9Composition of external wall plinth node

模拟得到外墙勒脚温度如图10所示。外墙勒脚节点二维传热系数L2D为0.223 W/(m·K)，最高温度19.72 ℃，最低温度为-10.04℃。计算后的热流量为6.68 W/m，线性热桥系数为-0.002 6 W/(m·K)。此时热桥系数为负则满足近零能耗建筑设计标准的设计要求。

图10 外墙勒脚节点温度模拟图Fig.10Simulation diagram of external wall plinth node temperature

2.6 女儿墙节点

女儿墙热桥是典型的热桥之一，屋面外侧墙体的保温往往容易被忽略，受外界温度变化影响，室内侧温度降低，容易结露，故屋面外侧保温必不可少[19]。图11为女儿墙结构图，预制轻钢骨架复合保温墙体在屋面外侧铺设200 mm厚XPS保温板，采用M12螺栓锚固在轻质混凝土侧。所有与室外接触处都铺设保温板，采用全包裹的形式，保温层完全包裹女儿墙，突出屋面的部位保温层必须连续，铺设岩棉作为防火隔离带。

图11 女儿墙节点构造Fig.11Joint structure of parapet

模拟得到女儿墙温度如图12所示。女儿墙节点二维传热系数L2D为0.204 W/(m·K)，最高温度19.68 ℃，最低温度为-10.0 ℃。计算后的热流量为6.12 W/m，热桥系数为

图12 女儿墙节点温度模拟图Fig.12Simulation diagram of parapet node temperature

-0.151 W/(m·K)。女儿墙处热桥最小，此节点不但满足无热桥设计原则，不但没有额外热损失甚至保温隔热的效果优于常规墙体。

3 模拟验证

为证实笔者模拟结果的准确性，采用Therm模拟内嵌式节点热桥系数，与德国被动房研究所采用Flixo所模拟的内嵌式节点热桥系数对比。Flixo是瑞士一家公司开发的热分析软件，德国被动房研究所用其研究和计算热桥[20-24]。选取框架柱节点作为对象，与外挂式柱节点不同的是，此节点柱与外墙的连接方式为内嵌式，钢柱全包裹于墙体内，钢柱周围包裹着50 mm厚岩棉，保温层采用石墨聚苯板，厚度200 mm，在防火浆料两侧铺设10 mm厚的osb板。

图13为Flixo模拟的柱节点温度图，笔者所做模拟与德国被动房研究所采用的边界条件相同，室内外温度分别为20 ℃、-10 ℃，室内外表面空气热阻分别为0.11(m2·K)/W和0.04(m2·K)/W。图14为Therm模拟后的温度图。热桥计算的方式与德国被动房采用的计算方式相同，计算采用式(1)，德国被动房研究所模拟后得到的柱热桥节点热通量为9.7 W/m，计算得到的热桥系数为0.028 W/(m·K)。笔者通过模拟得到的柱热桥节点热流量为9.9 W/m，计算得到的热桥系数为0.026 W/(m·K)，比对得到误差7%，证明笔者模拟具有准确性。

图13 Flixo模拟的柱节点温度图Fig.13Column node temperature diagram simulated by Flixo

图14 Therm模拟的柱节点温度图Fig.14Column node temperature diagram simulated by Therm

4 结 论

(1)采用Therm模拟轻钢骨架复合保温墙板外挂式柱热桥节点在不同保温层厚度下的传热，计算保温层厚度50 mm、100 mm、150 mm、200 mm时热桥系数分别为0.017 3 W/(m·K)、0.007 2 W/(m·K)、0.006 5 W/(m·K)、0.002 W/(m·K)。随着保温层厚度的增加，节点二维传热系数和热桥系数增加的趋势逐渐减小。

(2)通过模拟预制轻钢骨架复合外保温墙板中的典型外挂式热桥节点，计算保温层厚度为150 mm时各节点的二维传热系数和热桥系数。计算得到梁节点热桥系数0.004 7 W/(m·K)、柱节点热桥系数0.006 5 W/(m·K)、外墙勒脚热桥系数-0.002 6 W/(m·K)、阳角热桥系数-0.057 W/(m·K)、阴角热桥系数0.023 8 W/(m·K)、女儿墙热桥系数-0.151 W/(m·K)。除了阴角节点都可满足无热桥设计原则，甚至外墙阳角、勒脚和女儿墙的热桥系数为负，证明这些节点的传热优于常规墙体。

(3)德国被动房研究所采用的Flixo模拟后计算得到的热桥系数为0.028 W/(m·K)，Therm模拟后计算得到热桥系数为0.026 W/(m·K)，误差为7%，验证了模拟的准确性。