模塊化輕鋼結(jié)構(gòu)超低能耗建筑的熱橋分析

葛釗岐 李祥立

大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部

0 前言

輕鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑是一種新型的建筑結(jié)構(gòu)形式，可以把復(fù)雜的系統(tǒng)分解為單一的子系統(tǒng)，便于管理[1]。由于自身體積較小，可隨時(shí)移動(dòng)并拆卸，鋼框架和圍護(hù)結(jié)構(gòu)部位都可在工廠預(yù)制，只需現(xiàn)場(chǎng)拼接即可，簡(jiǎn)化了施工程序，對(duì)環(huán)境無污染。近年來，實(shí)現(xiàn)這種模塊化輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的超低能耗是一個(gè)研究熱點(diǎn)，如果突破了兩者技術(shù)結(jié)合的矛盾點(diǎn)，那么這種建筑是真正意義上的綠色節(jié)能建筑。在推進(jìn)超低能耗建筑的進(jìn)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)起著決定性的作用，所以有很多對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱研究[2-6]。

本文將太陽輻射照度、風(fēng)速等動(dòng)態(tài)變化因素考慮在內(nèi)，利用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行瞬態(tài)模擬[7]，并以最大化減小熱橋附加耗熱量為計(jì)算目標(biāo)，給出各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)在寒冷地區(qū)的合理值。

1 建筑模型信息

如圖1、2 所示，對(duì)于單模塊建筑來說，南北外墻設(shè)置為3 m×3 m，東西外墻設(shè)置為6 m×3 m，為減小外門冷風(fēng)侵入耗熱量，此模塊建筑單獨(dú)設(shè)置門斗，兩層門之間的距離為1.5 m，總建筑面積為22.5 m2。表1 為單模塊房屋各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的具體做法，各個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫層厚度均選擇下文中最佳的保溫層厚度。需要注意的是，保溫層在鋪設(shè)時(shí)，一定要進(jìn)行錯(cuò)縫搭接，這樣不僅避免了保溫板拼接縫隙大的問題，還可以保證保溫板的縫隙不再貫通，進(jìn)一步阻止了熱量的傳遞，提高了建筑氣密性的同時(shí)，也提高了建筑物的保溫性能。

圖1 單模塊立體圖

圖2 單模塊平面圖

表1 各圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成

對(duì)于門窗，外門和內(nèi)門尺寸為0.9 m×2 m；東西窗尺寸為0.76 m×1.4 m，南窗尺寸為1.0 m×1.6 m，窗戶附框均取0.1 m 寬。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱模擬

2.1 外墻體龍骨熱橋

為研究不同保溫層厚度下的能耗水平，同時(shí)充分考慮熱橋傳熱對(duì)外墻能耗影響，本文以應(yīng)用最多的石墨聚苯板（導(dǎo)熱系數(shù)0.032 W/(m2·K)）為輕鋼結(jié)構(gòu)的外保溫，用ANSYS 有限元瞬態(tài)模擬的方法來計(jì)算不同保溫層厚度下的熱橋部位的能耗。

通過數(shù)值模擬得到的外墻熱橋部位全年能耗與保溫層厚度的關(guān)系，如圖4 所示：

圖3 外墻傳熱模型

圖4 熱橋附加耗熱量隨著保溫層厚度的變化關(guān)系圖像

由圖4 可知輕鋼結(jié)構(gòu)外墻的熱橋附加耗熱量隨保溫層厚度的增加而減小，但隨著厚度的繼續(xù)增加，熱橋附加耗熱量減小的幅度越來越小，當(dāng)保溫層厚度取0.14m 和無保溫時(shí)，此時(shí)外墻體的外壁面熱流密度圖像如圖5：

圖5 不同保溫層厚度下的外墻外表面熱流密度

由圖5 可知，當(dāng)輕鋼結(jié)構(gòu)外墻的保溫層厚度達(dá)到0.14 m 左右時(shí)，熱橋的全年附加耗熱量已經(jīng)達(dá)到了1 kW·h/m2以下，并且由圖3 可知此時(shí)外墻外表面的熱流密度相對(duì)比較均勻，已經(jīng)基本消除了熱橋效應(yīng)，繼續(xù)增加保溫層對(duì)于熱橋效應(yīng)的減弱不僅效果很小，而且還會(huì)使其成本相應(yīng)增加，所以本文推薦寒冷地區(qū)裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)外墻的傳熱系數(shù)的推薦值為0.152 W/(m2·K)。

2.2 L 型墻體熱橋

輕鋼結(jié)構(gòu)建筑中常見的L 型墻角（圖6），此處為幾何熱橋，并且由于墻角處還存在輕鋼龍骨、自攻釘?shù)蠕摌?gòu)件，會(huì)產(chǎn)生很大的熱橋效應(yīng)。

圖6 L 型墻體傳熱模型

為了更直觀地比較熱橋部位與正常墻體傳熱的差異，選取外墻內(nèi)表面水平方向?yàn)闄M坐標(biāo)，取最左端（本文長度取1 m）為坐標(biāo)原點(diǎn)位置，內(nèi)表面溫度和熱流密度數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)，得到整個(gè)墻體橫向的熱流密度與溫度曲線，如圖7：

圖7 內(nèi)表面各節(jié)點(diǎn)熱流密度變化曲線

通過數(shù)值模擬得到的L 型墻體的全年熱橋附加能耗與保溫層厚度的關(guān)系，如圖8 所示：

圖8 熱橋附加耗熱量隨著保溫層厚度的變化關(guān)系圖像

從圖8 中可以看出，對(duì)于L 型墻角的熱橋，當(dāng)外保溫層的厚度取0.14 m 左右時(shí)，熱橋效應(yīng)減小的幅度幾乎為零，這表明繼續(xù)增加外保溫厚度不僅沒能有效地緩解L 型墻角的熱橋效應(yīng)，更增加了施工難度。此時(shí)雖然墻角處的熱橋附加耗熱量單位面積還是很大，但是經(jīng)過前面的計(jì)算，此L 型墻角的熱橋影響范圍總長度為0.147 m×2=0.294 m，說明L 型墻體的熱橋面積很小，即使單位面積的熱損失很大，全年經(jīng)過此熱橋部位的能耗在總能耗的占比也是不高的，所以建議裝配式鋼結(jié)構(gòu)的L 型墻體不需加過厚的EPS 保溫層，推薦值為0.14 m。

2.3 屋面龍骨熱橋

通過數(shù)值模擬得到的屋面熱橋（圖9）部位全年能耗與保溫層厚度的關(guān)系，如圖10、11 所示：

圖9 屋面?zhèn)鳠崮Ｐ?/p>

圖10 熱橋附加耗熱量隨著保溫層厚度的變化關(guān)系圖像

圖11 不同保溫層厚度下的外墻外表面熱流密度

由圖10、11 可知，當(dāng)輕鋼結(jié)構(gòu)屋面的保溫層厚度達(dá)到0.13 m 左右時(shí)，熱橋的全年附加耗熱量已經(jīng)達(dá)到了1 kW·h/m2以下，并且此時(shí)屋頂外表面的熱流密度相對(duì)比較均勻，已經(jīng)基本消除了熱橋效應(yīng)，繼續(xù)增加保溫層對(duì)于熱橋效應(yīng)的減弱已經(jīng)微乎其微，而且還會(huì)使其成本相應(yīng)增加，所以本文推薦寒冷地區(qū)裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)屋面的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的推薦值為0.143 W/(m2·K)。

2.4 地角龍骨熱橋

基礎(chǔ)上方為輕鋼結(jié)構(gòu)墻體，與其相連的基礎(chǔ)是由鋼插入到混凝土立柱中形成的，由于基礎(chǔ)部位的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱性與土壤接近，因此基礎(chǔ)位置的深度對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，本文取1.5 m，其中鋼構(gòu)件深度為0.32 m，寬0.24 m，混凝土立柱寬0.3 m，右側(cè)為室內(nèi)的地面保溫，室外側(cè)取1 m，室內(nèi)取4 m，基礎(chǔ)下方計(jì)算域設(shè)定為9.5 m，假定基礎(chǔ)內(nèi)并無發(fā)熱體，即無內(nèi)熱源形式，現(xiàn)有兩種地面保溫的方式（圖12、13）：

圖12 地角周邊無保溫

圖13 地角周邊設(shè)置保溫

分別對(duì)兩種保溫方式的內(nèi)地面進(jìn)行熱流密度隨距離變化的圖像繪制，可以得到：

從圖14、15 可以看出，如果不對(duì)周邊地面進(jìn)行保溫，在該體系中，正常地面的熱流密度為2.59 W/m2，而鋼結(jié)構(gòu)墻與地面基礎(chǔ)交接的位置，熱流密度最高可達(dá)176 W/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他位置的熱流密度，熱橋現(xiàn)象明顯。此時(shí)，通過對(duì)內(nèi)地面熱橋部位的熱流密度進(jìn)行積分，得到周邊未設(shè)置保溫地面的熱損失是47.36 W，其中，熱橋部位的熱損失為36 W，可以看出，此時(shí)熱量大部分都是從墻角的熱橋部位散失的。而對(duì)地面周邊進(jìn)行保溫設(shè)置后，正常地面的熱流密度是3.15 W/m2，而鋼結(jié)構(gòu)墻與地面基礎(chǔ)交接的位置，熱流密度最高可達(dá)36 W/m2，雖然也高于正常地面的熱流密度值，但是熱橋效果已經(jīng)很好的減小了。此時(shí)，通過對(duì)內(nèi)地面熱橋部位的熱流密度進(jìn)行積分，得到周邊設(shè)置保溫地面的熱損失是20.07 W，其中，熱橋部位熱損失為8.15 W。

圖14 地角周邊無保溫時(shí)熱流密度隨內(nèi)地面距離的變化曲線

圖15 地角周邊有保溫時(shí)熱流密度隨內(nèi)地面距離的變化曲線

結(jié)果表明，當(dāng)?shù)孛嬷苓呂丛O(shè)置保溫時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的熱橋效果很明顯，熱量大多從熱橋處流走，導(dǎo)致熱橋處的熱損失很大，而正常地面的熱流密度相對(duì)較低，而當(dāng)?shù)孛嬷苓呍O(shè)置保溫時(shí)，雖然會(huì)使整個(gè)地面抬高224 mm 的距離，但是可以有效的減小熱橋效應(yīng)，在很大程度上減少了地面的熱損失，所以提倡使用第二種地面保溫的方式。

基于第二種地面保溫的方式，通過數(shù)值模擬得到的地面的熱橋部位全年能耗與保溫層厚度的關(guān)系，如圖16 所示：

圖16 基礎(chǔ)熱橋全年附加耗熱量隨保溫層厚度變化

通過對(duì)不同厚度保溫層熱橋部位的能耗計(jì)算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)保溫層厚度增加到0.1 m 時(shí)，繼續(xù)增加保溫層厚度對(duì)減緩熱橋效應(yīng)意義不大，所以推薦寒冷地區(qū)超低能耗裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的地面保溫的傳熱系數(shù)推薦值為0.268 W/(m2·K)，此時(shí)整個(gè)供暖季通過內(nèi)地角的熱橋部位附加耗熱量為9.806 kW·h/m2。

3 模塊化輕鋼結(jié)構(gòu)建筑能耗計(jì)算

3.1 能耗計(jì)算理論基礎(chǔ)

能耗計(jì)算公式如下：

式中：QH為供暖需求，kW·h；QT為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱損失，kW·h；QV為通風(fēng)熱損失（通風(fēng)設(shè)備及氣密性），kW·h；Qi為內(nèi)部得熱（人員設(shè)備等），kW·h；QS為太陽輻射得熱，kW·h；

3.2 單模塊房屋的熱橋部位占比分析

各熱橋部位能耗占比分析如表2 所示：

表2 各熱橋部位能耗占比分析

單模塊輕鋼結(jié)構(gòu)房屋的全年總熱橋附加能耗為149.69 kW·h，從表2 中可以看出，在裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)各熱橋部位中，L 型墻體單位面積的附加耗熱量最大，為9.38 kW·h/m2，遠(yuǎn)超其他部位。而屋面龍骨單位面積的熱橋附加耗熱量為最小為0.996 kW·h/m2。由于主墻體的面積最大，雖然墻體的單位面積附加耗熱量很小，僅為1.03 kW·h/m2，但墻體的總熱橋附加耗熱量比重最大，為34.94%。

3.3 不同數(shù)量的模塊化房屋供暖需求分析

本文裝配式模塊化房屋的尺寸為6 m×3 m，上述計(jì)算的建筑是單模塊化建筑，多了一個(gè)門斗，總建筑面積為22.5 m2。經(jīng)計(jì)算此建筑的年供暖需求為29.487 kW·h/(m2·a)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于寒冷地區(qū)超低能耗標(biāo)準(zhǔn)。這是由于單層模塊化建筑的建筑體型系數(shù)過大，通過計(jì)算，得到不同模塊數(shù)量建筑的單位建筑面積的年供暖需求如表3 所示：

表3 不同數(shù)量模塊的輕鋼建筑的供暖需求

4 結(jié)論

1）為實(shí)現(xiàn)寒冷地區(qū)模塊化輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的超低能耗，各圍護(hù)結(jié)構(gòu)推薦的傳熱系數(shù)分別為外墻傳熱系數(shù)的推薦值為0.152 W/(m2·K)、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)推薦值為0.143 W/(m2·K)，地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)推薦值為0.268 W/(m2·K)。

2）單模塊化輕鋼結(jié)構(gòu)建筑總?cè)隉針蚋郊幽芎臑?49.69 kW·h。其中，在裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)各部位熱橋中，L 型墻體單位面積的熱橋附加耗熱量最大，為9.38 kW·h/m2，遠(yuǎn)超其他部位；屋面龍骨單位面積的熱橋附加耗熱量最小為0.996 kW·h/m2。由于裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)中輕鋼龍骨數(shù)目較多這一特點(diǎn)，造成了輕鋼結(jié)構(gòu)建筑比一般的超低能耗建筑的熱橋附加能耗占比大，達(dá)到了9.51%。

3）單模塊裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)超低能耗建筑的年供暖需求為29.487 kW·h/m2，遠(yuǎn)超過寒冷地區(qū)超低能耗建筑的年供暖需求15 kW·h/(m2·a)；不同數(shù)量的模塊拼接在一起時(shí)，由于建筑體型系數(shù)的減小，當(dāng)模塊數(shù)取8時(shí)便可達(dá)到寒冷地區(qū)超低能耗建筑單位面積的年供暖需求。