結構性熱橋對格構墻熱工性能的影響

岳亞鋒 焦 娜 張永利

（1、西安歐亞學院，陜西 西安710065 2、西安交通大學，陜西 西安710049 3、西安建筑科技大學，陜西 西安710055）

在利用建筑能耗模擬軟件進行建筑節能分析時，墻體及樓板等不透明圍護結構的模型通常為多層勻質結構[1]，而裝配式格構墻建筑的預制墻板，由間距較密的普通混凝土框格與加氣混凝土填充塊在墻體平面內復合而成[2]，如圖1 所示，無法直接利用相關軟件中已有的墻體熱工模型進行能耗模擬，需要先行分析其熱工性能，并將墻體等效為傳熱效率相同的勻質墻體，再利用軟件進行建筑能耗分析。張堅[3]利用ansys 軟件對格構墻的傳熱過程進行模擬，但過程較為復雜，不便于工程應用。

1 一維穩態傳熱模式下格構墻的傳熱阻

在進行建筑圍護結構保溫性能分析時，室內外溫度可視為定值，而建筑外墻通常由多層材料疊合而成，且墻的厚度通常遠小于其高度及寬度，因而多采用一維穩態平壁傳熱假定，即認為透過墻體的熱流強度均勻分布、處處相等，墻體內溫度沿其厚度方向呈直線變化。

與一般墻體的多層勻質構造不同，預制格構墻板中的普通混凝土框格與加氣混凝土填充塊交錯布置，且間距較小，如圖1所示。對于此類墻體的傳熱系數，常將墻體分層分塊后再進行計算[4]。如圖2 所示，首先按照格構墻板層的材質，將墻體全厚劃分為若干條塊，各條塊內再依材質劃分為層。各條塊內均包含內飾面層、墻板層（內框格或填充塊）及外飾面層等多個材料層，且同條塊的各層中均僅含一種材料，因此條塊的熱阻為各層熱阻之和，如第I 條塊的熱阻為：

圖1 裝配式格構墻結構體系

圖2 格構墻傳熱阻計算簡圖

式中，Ri、Re為墻體內、外表面換熱阻，R1、R2及R3為墻體第I 條塊各層次的熱阻。

求得各條塊熱阻后，再將各條塊得熱阻按照并聯的方式相聯，則圍護墻體總熱阻為

式中，A=AI+AII+…+AN為計算單元的總面積，AI、AII…為各條塊墻面面積。

上述計算過程與電學電路中的串并聯電阻計算方法類似，先將墻體各條塊內多層次的熱阻沿熱流方向串聯，然后再將不同條塊的熱阻垂直于熱流方向并聯。格構墻體的填充材料常結合地材進行選取，可選粉煤灰加氣混凝土、EPS 輕骨料混凝土、棉花秸稈草磚等輕質材料。對于填充材料為粉煤灰加氣混凝土的格構墻體，采用上述方法計算得到其傳熱阻為0.723m2·K/W。

2 格構墻傳熱分析

前述一維穩態傳熱的本質為熱流僅沿垂直于墻面方向傳播，適用于單層圍護結構及多層勻質結構。當圍護結構的材料在其平面內有變化時，熱流穿過圍護結構時還會存在垂直厚度方向的分量，即在墻板平面內進行傳播，屬于傳熱學中的二維傳熱或三維傳熱模式。對于目前大部分的建筑墻體，基本可視為多層勻質結構，采用一維傳熱模式進行計算完全可以滿足建筑設計需要。對于外墻與混凝土柱或樓板等構件形成的熱橋，屬于局部問題，可通過結構性熱橋考慮其影響。而格構墻板采用普通混凝土與加氣混凝土在平面內交錯復合，間距密而數量多，且框格與填充塊部位的熱阻比為9.19，必須要考慮二維傳熱效應。

2.1 穩態傳熱下格構墻的傳熱量

一維穩態傳熱模式下透過墻體的熱量為：

其中，K=1/R0代表墻體的傳熱系數，A 為墻體面積，Δt 為室內外溫差。

對于圍護結構在二維模式下的傳熱量Q2D計算，獲得函數形式的溫度分布幾乎不可能，通常需要借助計算機得到其數值解，從而進一步求出通過圍護結構的傳熱量[5]。中國建研院物理所研發的二維穩態傳熱軟件PTemp，經實驗驗證具有較高精度。取格構墻體的典型單元如3 圖所示，該單元包含填充塊、內框柱及墻體內外抹灰，設定各材料的導熱系數、單元邊界條件后，進行網格劃分，便可進行傳熱量、溫度場分布等相關計算。

利用上述兩種方法分別計算填充塊為粉煤灰加氣混凝土的標準格構墻體傳熱量，Q1D=218.8W，Q2D=284.1W，兩者的差值由普通混凝土框格形成的熱橋所導致。墻板中框格與填充塊的界面較多，熱橋現象顯著，故而一維與二維傳熱模式下的熱量傳導差異較大，不可忽略結構性熱橋的影響。

2.2 穩態傳熱下格構墻板溫度場分布

圖3 格構墻熱工分析單元

為更加直觀地觀察熱橋對墻體傳熱的影響，圖4 給出了一維及二維傳熱模式下墻體單元的溫度場分布情況。一維傳熱時，各處等溫線均平行于墻板平面。二維傳熱時，在框格附近，等溫線在墻板厚度和寬度方向均有變化，說明熱流不僅沿墻板厚度傳導，還會沿墻板平面傳導。由于框格與填充塊的導熱系數不同，而熱流會沿熱阻低的方向進行橫向傳導，因而在高溫端接近框格與填充塊的界面上，部分熱量由填充塊傳入框格，形成結構性熱橋。熱橋的傳熱效率較高，故二維傳熱較一維傳熱時的傳熱量大。

圖4 構墻溫度場分布

3 二維穩態傳熱下格構墻板的熱工性能分析

3.1 二維穩態傳熱下格構墻的傳熱阻

根據《民用建筑熱工設計規范》（GB50176-2016）[6]，以西安地區的室內外參數為例，冬季室外計算溫度取-6.6℃，室內溫度為18℃，室內、外表面換熱系數分別為8.7 和23W（m2·K），利用二維穩態傳熱軟件PTemp 計算得到格構墻結構性熱橋線傳熱系數ψ=0.33W/（m·K），墻體的平均傳熱系數Km按式（4）計算：

其中，K 為格構墻主體斷面的傳熱系數[W/m2·K]；ψ、l 分別為墻體框格的線傳熱系數[W/（m·K）]及計算長度（m）；A 為墻面面積（m2）。

根據格構墻體材料及構造，利用公式（4）計算得到格構墻體在二維傳熱時的傳熱阻為0.622m2·K/W，為一維傳熱阻的86%。根據該傳熱阻，可將墻體等效為勻質圍護結構，利用建筑能耗模擬軟件分析建筑物的保溫性能及能耗。

3.2 格構墻熱橋部分結露分析

以本文前述的一維傳熱模式下墻體傳熱阻為基礎，根據《民用建筑熱工設計規范》計算得到墻體內表面溫度為14.3℃。由于熱橋效應，墻體框格處內表面溫度較低，較其余部分更易出現結露。按照二維傳熱，利用PTemp 軟件分析墻體的內表面溫度，格構柱處的溫度最低，為11.4℃。當室內溫度為18℃，相對濕度為60%時，露點溫度為10.2℃，兩種模式計算出的格構墻內表面溫度均大于露點溫度，說明不會出現結露現象，但采用二維傳熱模式得到的格構柱處的溫度低于平壁內表面溫度。

4 結論

根據以上一維及二維傳熱模式下格構墻體的熱工性能分析，結論如下：

（1）一維穩態傳熱模式下，格構墻體的傳熱阻為0.723m2·k/w，傳熱量為218.8W。二維穩態傳熱模式下，墻體的傳熱阻為0.657m2·k/w，傳熱量為284.1W。

（2）一維及二維傳熱模式下格構墻冬季采暖時的內表面溫度均能滿足規范要求的結露驗算，但二維模式下的墻體內框格處的溫度較一維模式低2.9℃，且僅比露點溫度高1.2℃。

（3）兩種傳熱模式下的傳熱阻、傳熱量及內表面溫度均有明顯差異，說明格構墻的二維傳熱現象較為顯著，熱橋對墻體傳熱的影響顯著，需要考慮。

（4）給出一種裝配式格構墻建筑的節能分析方法，利用PTemp 軟件計算格構墻的結構性熱橋線傳熱系數，將傳熱特征復雜的格構墻等效為勻質圍護結構，從而可利用現有軟件模擬此類建筑的能耗。