超低能耗建筑系統性熱橋阻斷技術探討與創新

殷玉兵，方 坤，吳偉田，戚慧卉

（1.中建中原建筑設計院有限公司，鄭州 450000；2.中國建筑第七工程局有限公司，鄭州 450000）

在全世界應對氣候變化，積極推進綠色低碳發展的大背景下，中國制定了2030 年前實現“碳達峰”、2060 年前實現“碳中和”的發展目標。國家對建筑行業的節能低碳提出了更高的要求，制定了一系列規范和舉措。超低能耗建筑的研究與推廣更加迫在眉睫。超低能耗建筑關鍵技術研究與推廣也成為一個熱點。雖然近10 年以來，超低能耗建筑技術已從探索走向成熟，經歷了政策體系、標準體系、技術體系、產品體系、工藝工法和工程實踐等全方位的發展，但是在具體工程項目、具體阻斷熱橋技術等方面還存在很多盲點、技術難題。目前，大多數阻斷熱橋技術的研究放在外圍護結構的熱橋方面，對于外部懸挑、凸出部件、設備基礎等細部斷橋技術的研究尚不夠重視。研究這些看似不影響大局的盲點、缺陷從我國這種大規模建筑量的整體節能率來看也會對實現建筑碳排放目標產生巨大影響。

1 相關概念

1.1 超低能耗建筑的概念

適應氣候特征和場地條件，通過被動式建筑設計最大幅度降低建筑供暖、空調、照明需求，通過主動式技術措施最大幅度提高能源設備與系統效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒適室內環境，且其室內環境參數和能效指標，符合國家及地方相關標準的建筑，其建筑能耗水平應較現行國家標準降低50%以上[1]。

1.2 熱橋

熱橋是圍護結構中熱流強度顯著增大的部位[2]。具體指處在外墻和屋面等圍護結構中的鋼筋混凝土或金屬梁、柱、肋等部位。因這些部位傳熱能力強，熱流較密集，內表面溫度較低，故稱為熱橋。

1.3 系統性熱橋

系統性熱橋是固定外保溫系統的錨栓、金屬連接件，以及固定各類設備、下水管的支架等[3]。本文主要研究內容是系統性熱橋阻斷技術的探討與創新。

1.4 系統性熱橋的部位和危害

本文分析研究的系統性熱橋的部位主要是建筑圍護結構外部豎向懸挑構件、平面外部構件和設備基礎等。外部豎向懸挑構件包括玻璃（金屬、石材等）幕墻、外挑鋼結構雨棚、廣告牌、空調支架、外遮陽、欄桿扶手、管道支架及小型金屬構件設施等；平面外部構件和設備基礎包括屋面（斜屋面）太陽能光伏板、太陽能熱水器、室外中央空調機組、風機、廣告牌、擦窗機軌道及屋面管道等設備、構件。

熱橋除了會造成熱量損失、浪費能源，在嚴寒或寒冷地區，室內外溫差大，熱橋部位對應的內墻面或屋頂內表面低于露點溫度時，會形成水蒸氣凝結在內表面，形成結露。結露沾染灰塵、吸附有毒氣體，一是墻體或頂棚形成霉斑、滋生細菌，對人體產生危害；二是會對吊頂或室內電氣造成損壞，造成財產損失。熱橋密集、嚴重的地方甚至會產生淌水，對使用者造成更大的麻煩，嚴重影響建筑物的使用[4]。

2 超低能耗建筑系統性熱橋阻斷技術分析

2.1 幕墻

由于玻璃幕墻通常為金屬預埋件埋設到鋼筋混凝土結構中，通過外部金屬構件形成骨架，進而安裝玻璃形成圍護結構。石材、鋁板等裝飾性幕墻，同樣也需要金屬預埋件埋設到鋼筋混凝土結構中，外挑金屬受力構件從而形成幕墻。由于鋼筋混凝土結構與金屬構件之間直接連接，金屬構件向外部傳導熱量形成熱橋。

目前，相關研究技術改進后，玻璃幕墻采用金屬鉚件（預埋件）鋼板與鋼筋混凝土之間、干掛連接件與鋼板之間、豎龍骨與干掛連接件之間增加高強度隔熱層等措施基本消除熱橋，如圖1 所示。石材（金屬板材）幕墻采用金屬鉚件（預埋件）鋼板與鋼筋混凝土之間、干掛連接件（彎板）與鋼板之間增加高強度隔熱層等措施基本消除熱橋，如圖2 所示。

圖1 玻璃幕墻阻斷熱橋設計示意圖

圖2 石材幕墻阻斷熱橋設計示意圖

存在問題：熱傳導路徑未徹底阻斷。從鋼筋混凝土構件，膨脹螺栓（預埋件拉結筋），鋼板，干掛連接件，金屬連結螺栓，豎龍骨到幕墻框或玻璃（金屬、石材等），形成少量熱橋。

2.2 鋼結構雨棚

鋼結構外挑雨棚阻斷熱橋做法一般有以下2 種。

做法一（普通節能建筑做法）：外挑鋼梁直接穿過保溫層，鋼梁與預埋件鋼板直接與結構主體連接，形成熱橋，熱量損失嚴重，沒有有效阻斷熱橋。此做法優點是結構牢靠，施工便捷，如圖3 所示。

圖3 鋼雨棚阻斷熱橋設計示意圖一

做法二（超低能耗建筑做法）：采用金屬預埋件，預埋件加地腳螺栓，地腳螺栓與外接鋼板之間增加高強度保溫材料，鋼板與雨棚鋼梁焊接，如圖4 所示。此做法通過兩層連接鋼板之間增加高強度保溫材料阻斷了主要熱橋，但是存在地腳螺栓這些小構件熱橋，依然沒有實現徹底阻斷的目標。

圖4 鋼雨棚阻斷熱橋設計示意圖二

對于類似雨棚、廣告牌、空調支架和外遮陽設施等建筑外墻面外挑鋼結構構件都存在類似問題。

2.3 屋面太陽能板（設備基礎等）

屋面太陽能板的安裝有多種方案。具體做法在國標圖集16J908-5《建筑太陽能光伏系統設計與安裝》中有詳細做法，本文參考該圖集選取平屋面常規做法增加阻斷熱橋措施進行分析如下[5]。

1）預埋鋼板直接焊接支架。預埋件直接埋在屋面板中，通過預埋件鋼板和外部連接鋼板焊接。采取屋面保溫層加厚隔熱措施，如圖5 所示。優點是直接連接屋面結構，連接牢固。缺點是金屬支架與預埋鋼板形成嚴重熱橋，屋面保溫層要加厚，防水層難以處理，造成滲漏隱患。

圖5 屋面太陽能板阻斷熱橋設計示意圖一

2）金屬預埋件加地腳螺栓。預埋件直接埋在屋面板中，通過預埋件鋼板和外部連接鋼板之間增加高強度保溫層實現阻斷熱橋，如圖6 所示。優點是連接比較牢固，比圖1 阻斷了大截面金屬斷面主要熱橋。缺點是存在地腳螺栓熱橋現象，屋面保溫層要加厚，防水層在太陽能板支架結合處難以處理，造成滲漏隱患。

圖6 屋面太陽能板阻斷熱橋設計示意圖二

3）屋面鋼筋混凝土基礎上翻。屋面結構板與上翻混凝土基礎為一體，上部預埋地腳螺栓，混凝土基礎與外部連接鋼板之間增加高強度保溫層阻斷熱橋，如圖7 所示。優點是連接牢固，阻斷主要熱橋，防水層可靠。缺點是存在地腳螺栓熱橋現象。

圖7 屋面太陽能板阻斷熱橋設計示意圖三

4）屋面面層上做基礎支座。在屋面保溫層、防水層、保護層之上做混凝土支座基礎，通過預埋件連接太陽能支架等，如圖8 所示。優點是基礎與鋼筋混凝土屋面通過屋面保溫層完全阻斷熱橋。缺點是需要大面積高強度保溫層，不能承載大重量設備，牢固性較差，不能抵抗較大風力、地震力等，存在安全隱患。

圖8 屋面太陽能板阻斷熱橋設計示意圖四

對于屋面上安裝的太陽能光伏板、太陽能熱水器、室外中央空調機組、風機、廣告牌和擦窗機軌道等設備的安裝做法都有類似情況存在。

2.4 墻身小型金屬支架

建筑外墻常常需要安裝一些小型金屬支架，如外排式雨水管支架、室外應急照明燈支座、建筑物質量責任標牌、指示牌、扶手及欄桿等。這些金屬支架與墻體連接時，常常采用金屬錨栓、膨脹螺栓等與墻體連接，直接穿透保溫層，形成熱橋。每個連接點熱橋熱量損失雖小，但是數量龐大，不可忽視[6]。下面就以下3 種做法進行分析對比。

1）常規做法是連接螺栓穿透外墻保溫層，直接破壞保溫層，形成熱橋。

2）國標圖集16J908-8《被動式低能耗建筑——嚴寒和寒冷地區居住建筑》做法，如圖9 所示。不銹鋼掛件與墻體之間增加隔熱墊塊，阻斷了大部分熱橋，仍有螺栓存在熱橋。

圖9 雨水管阻斷熱橋做法一

3）參考《墻材革新與建筑節能》2016.8 期《被動房外墻外保溫系統節點處理》中相關做法，如圖10 所示。該做法采用一種高密度（170 kg/m3）EPS 或PU 保溫塊，解決熱橋問題。其優點是徹底阻斷了雨水管支架與外墻墻體之間的熱橋[6]。缺點是雨水管受力依靠夾在外墻保溫層中的高強度保溫塊與外墻保溫層的黏接力，與墻體沒有可靠的連接。如果外墻高度大、遇到大風或者雨水管流通不暢造成雨水管重量異常增大，會造成松動或雨水管掉落的情況，留下安全隱患。

圖10 雨水管阻斷熱橋做法二

因此，此種做法雖然有一定的科學性，目前并未達到廣泛推廣應用。

3 系統性熱橋阻斷熱橋技術創新

通過對以上系統性熱橋阻斷技術的分析可知，不管是豎向外挑構件還是屋面水平設備基礎，大部分阻斷技術都存在不能徹底阻斷熱橋的現象或者存在安全性問題，大部分只是削弱了熱橋而并非阻斷。其熱橋盲點是預埋件之間的連接螺栓、錨筋等，主要原因為預埋件是主體結構與外部構件受力傳導的關鍵部件，鋼筋與混凝土、鋼筋與金屬的直接受力傳遞才能保證受力安全。這是一直不能實現突破、徹底阻斷熱橋的主要原因。

那么通過以上分析解決方法有3 種，一是減少連接螺栓、錨筋的數量，增加隔熱墊塊避免預埋鋼板與結構主體的直接接觸，更大程度削弱熱橋的存在；二是采用新材料、新技術改進連接螺栓、錨筋的導熱性，如高強塑料或者高強塑料套筒等；三是采用斷熱型錨件，保溫層徹底包裹螺栓、錨筋、預埋鋼板，阻斷熱橋。

顯然，方法一仍然只是削弱，不能徹底阻斷熱橋。方法二有待進一步研究，目前仍不能解決受力安全問題。方法三就是本文要研究的創新型阻斷熱橋錨件，且已獲得專利授權。

本文通過對預埋件結構的創新，實現了預埋件與建筑主體結構的徹底分離，徹底阻斷了熱橋，其關鍵因素是將預埋鋼筋變成預埋鋼板加鋼筋，整個預埋件被保溫材料包裹，既能保證受力安全，又能徹底阻斷熱橋。實現真正意義的阻斷熱橋，同時由于采用高強度玻纖聚氨酯保溫材料，也不會增加預埋件與結構主體的受力可靠度。此預埋件為斷橋式預埋件，如圖11 所示。

圖11 預埋件阻斷熱橋創新設計示意圖

圖11 中1，可采用金屬方鋼、圓鋼或者地腳螺栓。

圖11 中2，根據建筑單體的設計采用EPS、XPS、巖棉板等保溫材料。

圖11 中3，外部連接件鋼板，根據外部荷載確定厚度，一般在10~20 mm，與結構主體內預埋件對焊。

圖11 中4，斷橋式預埋件上層鋼板（厚10~20 mm），與外部連接鋼板焊接。

圖11 中5，高強度玻纖聚氨酯保溫層（最少20 mm），包裹整個斷橋式預埋件。

圖11 中6，斷橋式預埋件拉結筋，根據外部受力情況確定直徑大小（一般10~30 mm），與上下層鋼板穿孔塞焊。

圖11 中7，斷橋式預埋件下層鋼板（厚10~20 mm），與拉結筋穿孔塞焊。

圖11 中8，屋面或外墻鋼筋混凝土結構。

斷橋式預埋件可用于建筑外圍護結構豎向構件如幕墻、雨棚、廣告牌、空調支架和外遮陽設施等外挑鋼結構的熱橋阻斷，也可用于建筑外圍護結構水平面屋面太陽能光伏板、太陽能熱水器、室外中央空調機組、風機、廣告牌和擦窗機軌道等設備的安裝，甚至可用于外墻、屋面的欄桿扶手、小型金屬構件等處的熱橋阻斷。

根據斷橋式預埋件的原理，可根據實際情況結合外部構件或設備基礎的受力特點、結構主體材料、厚度等確定具體形狀、尺寸、錨筋數量等。可以變換為類似以下形式預埋件，如圖12 所示，但是一定要保證預埋件完全被高強度保溫層包裹，不能存在空隙形成熱橋，否則不能完全阻斷熱橋。

圖12 其他形式預埋件阻斷熱橋創新設計示意圖

4 計算機模擬計算分析

現結合外墻外掛雨棚的常規做法、改進做法及預埋件阻斷熱橋創新做法進行熱量損失模擬計算分析。3種不同構造做法如圖3、圖4、圖11 所示。

圖3，建筑外挑構件與主體直接連接，鋼構件直接穿透保溫層，形成熱橋，造成大量熱量損失。圖4，采用金屬預埋件，預埋件加地腳螺栓，地腳螺栓與外接鋼板之間增加高強度保溫材料，鋼板與雨棚鋼梁焊接。圖11，采用斷橋式預埋，完全阻斷主體與外掛構件熱橋。

通過模擬計算形成對應計算結果：鋼梁直接穿保溫層（圖13（a））、通過鋼板之間增加隔熱墊塊加金屬預埋件螺栓連接（圖13（b））、采用斷橋式預埋件連接（圖13（c））。其中計算數據選用：主體結構采用100 mm 厚半硬質巖（礦）棉板+200 mm 鋼筋混凝土，斷橋式預埋件保溫采用20 mm 厚高強度玻纖聚氨酯，鋼梁和地腳螺栓采用冷軋型鋼。半硬質巖（礦）棉板導熱系數為0.048 W/（m2·K），高強度玻纖聚氨酯導熱系數為0.025 W/（m2·K）。

圖13 模擬計算溫度分布圖

通過以上模擬計算分析可以看出，3 種不同構造做法情況下，采用斷橋式預埋件連接的方式熱橋效應最小，對主體結構整體保溫性能影響最低，對熱橋的阻斷效應最強，見表1。

表1 計算結果對比表

通過分析可知，看似很細小的連接螺栓、鉚接鋼筋，其形成的熱橋效應、對建筑的熱量損失、內表面溫度等的影響也不容忽視。對于我國目前的建筑業態來講，外掛玻璃幕墻、鋼雨棚、廣告牌、屋面太陽能及空調設備等現象非常普遍，從單體到項目，再到全國巨大的建筑量，積少成多，這個熱量損失，能耗流失將是一個龐大的數據，不得不引起人們的重視。尤其是對于超低能耗、近零能耗、零能耗建筑這種節能要求較高的建筑，更是應該精益求精，不能放過任何細小的漏洞。

5 結束語

目前，大家對節能建筑熱阻斷橋技術的關注點主要在建筑外維護的外墻、門窗、屋面、地面和陽臺等大的部位，對于系統性熱橋的阻斷技術關注度不高，采取的技術手段不強。基于受力方面的限制，目前系統性熱橋阻斷方法主要是削弱熱橋，沒有實現真正的阻斷。大多數研究者只是關注節能指標達到超低能耗的總體要求，沒有從全國建筑總量考慮能量的損耗是多么龐大的數據，造成巨大的浪費和經濟損失。人們應該認識到，系統性熱橋的阻斷技術不僅關乎節能率，也是實現超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑的不容忽視的必要手段。因此，系統性熱橋阻斷技術的研究創新對于提高超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑的節能效率也起到了非常關鍵的作用，對我國實現節能降碳總目標作出的貢獻不可小覷。