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摘 要： 工業建筑
《鋼結構建筑幕墻的主龍骨斷熱橋做法比較》論文發表期刊：《工業建筑》；發表周期：2020年11期
《鋼結構建筑幕墻的主龍骨斷熱橋做法比較》論文作者信息：李瑞雪，女，1988 年出生，工程師。
摘要：超低能耗鋼結構建筑外立面裝飾幕墻與主體結構連接節點的斷熱橋處理常被忽視，而這些數量龐大的節點熱橋效應對建筑能耗的影響不容忽視。目前這些節點斷熱橋的做法在不同的項目里各不相同，節能效果也不可知。為此結合寒冷B氣候區的兩個工程實例，通過熱橋模擬軟件及能耗計算軟件分析此類節點熱橋的斷熱橋效果及對建筑能耗的影響。分析表明：斷熱橋節點設計應在滿足結構安全的前提下選擇導熱系數低且厚度大的隔熱材料，新增鋼龍骨的截面積為最小，主龍骨與新增鋼龍骨在保溫層內的長度設計為最短。
關鍵詞：被動式超低能耗建筑：鋼結構;熱橋：節能
Abstract: The treatment of thermal bridges blocking up of ultra-ow energy consumption building caused by curtair wall components has often heen overlooked. The impact of these themal bridees on the energy consumption of the building should not be underestimated. At present, the thermal blocking-lp method of these penetrations is variety indifferent proiects, and their impact on enerev consumption of the entire building has not been researched. Therefore, combining two project examples in the cold climate zone B, the themal bridee simulation software and energy consumption calculation software were used to analvze the themal bridee effect of such ioints and the impact or building enerev consumption. It is concluded that compared with the tradition desien method, the design of thermal bridge blocking-up joint should select thicker insulation materials, smaller size of the increased steel material sections, and shorter steel materials in the insulation laver, so as to help reduce thenmal bridee coefficient
Kevwords: passive ultra-ow energy consumption buildings; steel structure; thermal bridge; energy conservation
近年來鋼結構建筑與被動式超低能耗建筑技術結合的做法在國內得到大力推廣，因為鋼材是一種再循環綠色建材，同時被動式超低能耗建筑可大大降低建筑能耗。被動式超低能耗建筑的五大原則之一是無熱橋設計，因為在傳統建筑中的熱橋局部能耗占建筑總能耗的10%左右，而在綠色節能建筑中熱橋所造成的能耗損失最高可占到建筑總能耗損失的25%。相比傳統建筑，熱橋造成的能耗占比更突出。被動式超低能耗鋼結構建筑的圍護結構熱工性能優于常規建筑，但是鋼材的導熱系數遠大于多數外墻保溫材料，導致這些熱橋部位產生更大的能耗損失。大部分鋼結構民用建筑會采用幕墻體系來實現外立面效果，而外立面幕墻材料的固定通常需要通過穿過建筑外墻及保溫層的鋼構件與主體結構(鋼柱或鋼梁)連接。在這個節點中，幕墻與主體結構的連接結構就形成了一個連接室內外的熱橋通道。目前，此類節點的斷熱橋做法在國內并沒有統一的做法，不同項目中的斷熱橋方法也各不相同，有些點熱橋的斷熱橋處理甚至被忽視。不同的斷熱橋處理手法是否都能起到降低熱橋系數的作用，不同的熱橋系數對建筑供暖需求、制冷需求及一次能耗的影響有多大，都是值得研究的內容。針對這些問題，結合寒冷B氣候區的兩個工程實例，對被動式超低能耗鋼結構建筑中外立面裝飾幕墻與主體結構連接節點的斷熱橋做法及不同做法的節能效果進行分析，并通過熱橋模擬軟件及能耗計算軟件輔助對比不同熱橋處理方式對建筑總能耗的影響。
1項目選擇
本文選取寒冷B氣候區已建成的雄安綜合服務中心(簡稱“項目A")和北京某公共建筑(簡稱“項目B")進行研究。項目A(圖1)現已獲得住建部被動式超低能耗示范項目初步認證和德國dena的被動房認證。項目A位于河北省保定市容城縣奧威路北側，項目總用地面積達13 000 m2，總建筑面積5 172.85m2，地上3層，局部5層，建筑高度為22.8 m。項目B占地面積為8907 m"，總建筑面積為8544 m，，地上3層，局部4層。這兩個項目的結構形式均為鋼框架結構，建筑外墻采用200 mm厚混凝土加氣條板，建筑外墻保溫采用300 mm厚巖棉條。兩個項目外立面均為鋁板幕墻，外掛鋁板均通過穿透保溫層的鋼龍骨與主體結構固定。但這兩個項目幕墻與主體連接結構采用了不同的斷熱橋設計方法。項目A采用50mm厚的高分子聚乙烯板進行斷熱橋處理(圖2)。項目B則采用5mm厚的尼龍隔熱絕緣墊片進行斷熱橋處理(圖3、圖4)。這兩種不同的斷熱橋做法代表了目前實際工程項目中同類節點處常見的斷熱橋處理方式。為此對這兩個項目中外立面幕墻與主體結構的連接節點的斷熱橋做法進行分析，判斷其節能效果。結合熱橋模擬軟件及能耗計算軟件的計算結果，判斷影響熱橋系數大小的因素，并且為類似節點的斷熱橋設計提供設計思路和依據。
2 單個點熱橋計算模型
利用 Psi-Therm3D 軟件對項目 A、B 和這兩個項目中幕墻與主體結構連接節點的傳統做法和斷熱橋做法分別進行建模，并計算點熱橋系數。通過模擬結果，分析兩種斷熱橋做法的節能效果。
2.1 建立模型
在2.5 mx2.5 m的墻體正中心建立節點模型。項目A、B幕墻連接傳統做法和斷熱橋做法分別見圖4、圖5.
2. 2 計算公式
點熱橋系數按式( 1) 計算:
式中: χ 為點熱橋系數; Φ 為研究節點處的熱流量; ΔT 為墻體內外表面的溫度差; U 為墻體主斷面的平均傳熱系數; A 為墻體面積。 2. 3 計算參數巖棉條導熱系數取值 λ= 0. 048 W/( m·K) ，厚度d = 0. 3 m; 加氣條板的導熱系數取值為 λ = 0. 13 W/ ( m·K) ，厚度 d = 0. 2 m; 尼龍隔熱絕緣墊片的導熱系數取值A=0.16 W/(m-K)，其尺寸為0.08 mx0.1 mx0.005 m.高分子聚乙烯板的導熱系數取值A=0.16 W/(m-K)，其尺寸為0.23 mx0.16 mx0.05 m鍍鋅矩形鋼的材料導熱系數取值A=58.2 w/(m-K)。工字鋼梁的材料導熱系數取值A=58.2 W/
(m-K)。室外溫度取-5℃，室內溫度取20℃。墻體內表面換熱阻取0.13 m2-K/w，墻體外表面換熱阻取0. 04 m2·K/W。
2. 4 計算結果
計算結果見表 1，可以看出: 項目 A 采用斷熱橋措施后節點處的熱橋系數有明顯的下降，但是項目B 采用斷熱橋措施后，節點處點熱橋系數反而比傳統做法的熱橋系數增大，說明項目 B 的斷熱橋做法效果并不理想。
3熱流過程分析
因為兩個項目所采用的斷熱橋做法的基本原則類似，均是將造成熱橋的鋼梁在保溫層里打斷，并且通過導熱系數較低的絕熱材料后進行再次連接。因此本部分選用項目A中幕墻與主體結構連接節點的斷熱橋做法進行分析。通過對熱流過程的分析，研究項目B幕墻與主體結構連接節點斷熱橋措施存在的問題，探究類似節點的優化原則。熱量的流動是一個三維的復雜過程，為了便于找出影響熱橋系數大小的因素，需要對節點進行簡化，假設工字鋼梁的材料成分在墻體內及保溫內各處相同、室內外溫度恒定、材料導熱系數不隨溫度的變化而變化。由于墻體的長、寬遠大于該節點處鋼材及隔熱墊塊在墻體x、2面上的截面的尺寸，鋼材及隔熱墊塊的導熱系數遠大于巖棉的導熱系數，所以可將熱量傳遞的過程簡化為沿x軸和y軸的維穩態傳熱(圖6)。當室內溫度高于室外溫度時，在傳統節點做法的工況下，熱量沿著主龍骨大量向室外流失;而在斷熱橋做法工況下，由于鋼龍骨并未直接連通室外，所以熱量的流動可以簡化為先到達主龍骨靠近室外的盡端，然后分成沿x軸方向的熱流和沿y軸方向的熱流。沿x軸方向的熱流可看作通過隔熱墊塊后沿著C型角鋼流向室外;沿y軸方向的熱流可看作通過包裹主龍骨靠室外側盡端的巖棉后流向室外。
3.1 x軸方向熱流量分析
由于鋼材的導熱系數遠大于巖棉的導熱系數，項目中用于連接鋼龍骨和C型角鋼的隔熱材料的導熱系數遠大于巖棉的導熱系數，所以假設沿x軸的熱量流動主要存在主龍骨、隔熱墊塊和C型角鋼之間。
則當室內溫度高于室外溫度時，在斷熱橋做法工況下，熱量在 x 軸方向由主龍骨流向 C 型角鋼的
損失可以用如下公式表示:
式中：4，為x方向通過隔熱墊塊的熱流量，W:A，為隔熱墊塊在yz平面的投影面積，m2：AT，為主龍骨與隔熱墊塊接觸面、C型角鋼與隔熱墊塊接觸面的溫度差，K：Ris性塊為隔熱墊塊的熱阻，m..k/W;A開格塊為隔熱墊塊的導熱系數，W/(m-K)：d，為隔熱墊塊的厚度，m。
當入陽塊取最小值、d，取最大值、A，取最小值時，可得到，最小值。故在節點設計時，應選擇導熱系數較小且厚度(d，)較大的材料作為隔熱墊塊，同時，隔熱墊塊和鋼龍骨的接觸面積A，應在結構設計合理的前提下設計為最小值。
3.2 y軸方向熱流量分析
熱量在y軸方向的損失可以用式(3)表示：
式中：4，為y方向通過墻體的熱流量，w:k，為垂直于墻面方向材料總熱阻，m.-K/W:A4為墻體在x平面的投影面積，m2：AT，為墻體內外表面溫差，K.點熱橋系數按式(1)計算，聯立式(1)、式(3)整理可得：
式中：U主t路輕為y軸方向主龍骨xy截面所在路徑材料的平均傳熱系數，W/(m2-K)：UC鋼路為y軸方向C型角鋼xy截面所在路徑材料的平均傳熱系數，W/m2-K:UDin些塊路輕為y軸方向隔熱墊塊xy截面所在路徑材料的平均傳熱系數，W/(m2-K)：La為墻體主斷面的平均傳熱系數，W/(m2-K)：A主tf為主龍骨在x平面上的投影面積，mi：Ac型a為C型角鋼在x平面上的投影面積，m2：A網s塊為隔熱墊塊在x平面上的投影面積，m2。因Ua由外墻做法決定，主龍骨在x平面上的投影面積(At)由外掛鋁板的重量及結構設計決定，在節能優化階段修改的可能性較小，Am格塊和U塊略輕的取值在沿x軸方向的熱流速率分析過程中已優化，所以，以上參數在本部分節點優化設計階段可視為定值。
通過式( 4) 可以看出: 為了使點熱橋系數得到
最小值，AC型角鋼、A隔熱墊塊、UC型角鋼路徑 和 U主龍骨路徑 均應取最小值。UC型角鋼路徑 和 U主龍骨路徑 的值與主龍骨及室外空氣之間的保溫層厚度 a ( 圖 6) 和 C 型角鋼靠近室內端與加氣塊之間的保溫層厚度 b ( 圖 6) 有 關。即: a 取值越大( 即 C 型角鋼在保溫層內的長度越短) ，則 UC型角鋼路徑 越小; b 取值越大( 即主龍骨在保溫層內的長度越短) ，則 U主龍骨路徑越小。
在節點設計時，應在滿足結構設計要求的前提下，將新增鋼龍骨垂直于熱流方向的截面積( AC型角鋼 ) 設計為最小; 隔熱墊塊在垂直于熱流方向的截面積( A隔熱墊塊 ) 設計為最小; C 型角鋼( 新增鋼龍骨) 在保溫層內的長度設計為最短; 主龍骨在保溫層內的長度設計為最短。據此設計原則，項 目 A 此節點處的熱橋系數可以進一步優化到0. 162 5 W /K，而且這種優化并不會帶來成本的增加。
因為項目 B 幕墻與主體結構連接節點的斷熱橋原理與項目 A 相似，也是通過將傳統做法中的單個連接龍骨一分為二，再間隔隔熱墊塊后重新連接。
所以項目 A 節點分析后得出的結論在項目 B 的節點中依然適用。因此項目中幕墻與主體結構連接節點的斷熱橋效果不理想的原因是所選用的隔熱墊塊厚度較薄且新增角鋼截面積較大。
4 點熱橋的斷熱橋處理對整個建筑能耗的影響
通過表 2、表 3 可以看出: 1) 項目 B 的幕墻與主體結構連接節點不合理的斷熱橋做法使建筑供暖需求增加了 0. 26 kW·h /( m2·a) ，制冷需求基本沒有變化，一次能耗增加了 0. 08 kW·h /( m2·a) 。項目 A幕墻與主體結構連接節點斷熱橋處理后，建筑的供暖需求降低了 0. 43 kW·h /( m2·a) ，制冷需求增加了0. 05 kW·h /( m2·a) ，一次能耗降低了 0. 17 kW·h / ( 2·a) 。雖然該節點處的熱橋影響對建筑整體的制冷需求和一次能耗影響較小，但是其對供暖需求的影響不容忽視。
2) 點熱橋系數降低，有利于降低建筑整體的供暖需求和一次能耗，但是制冷需求也相應地增加了。點熱橋系數降低會導致外墻導熱損失減少，而這部分熱損失在夏季是有利的，因為夏季制冷需求會增加。所以在節點優化設計時應綜合考慮點熱橋對建筑全年能耗的影響。
3) 在寒冷 B 氣候區，點熱橋系數對供暖需求的影響更大，在節點設計時應盡量降低熱橋系數。在不同地區，斷熱橋設計還應該結合當地氣候特點、建筑內表面結露情況和建筑的整體能耗情況進行設計。
5 結束語
本文對項目 A 及項目 B 兩個鋼結構公建項目的幕墻與主體結構的連接節點進行熱橋模擬計算、熱流過程的分析及對整個建筑能耗的影響分析，對比兩個項目所采用的斷熱橋做法的效果，研究幕墻與主體結構連接節點的優化方案。探索類似節點的斷熱橋設計原則。得出如下結論:
1) 鋼結構建筑幕墻與主體結構的連接節點的斷熱橋做法應結合熱橋模擬軟件進行設計、計算與優化。
2) 在滿足結構安全的前提下，優化新增鋼龍骨的截面大小，同時縮小主龍骨和新增鋼龍骨在保溫層內的長度，減小新增鋼龍骨的截面面積有利于減少熱量流失。
3) 項目 B 幕墻與主體結構連接節點所選用的5 mm 隔熱墊塊的厚度不足且斷熱橋后節點中鋼材新增截面積較大是導致節點斷熱橋處理效果不理想的主要原因。項目 A 幕墻與主體結構連接節點的斷熱橋做法雖然降低了熱橋系數，但是并未達到最優效果，依據結論 2) 中的方法優化后，節點處的熱橋系數可降低到 0. 162 5 W/K，且無增量成本。
4) 在寒冷 B 氣候區，熱橋系數的變化對冬季供暖需求和一次能耗的影響更大。所以在寒冷 B 氣候區，建筑節點設計應考慮將節點熱橋系數降低。在不同地區還應該結合當地氣候特點、建筑內表面結露情況和建筑的整體能耗情況進行設計。
目前國內被動式超低能耗鋼結構建筑的斷熱橋節點設計并沒有達到精細化設計的程度，甚至存在斷熱橋處理后熱量損失不減反增的現象。在此情況下，不僅給項目施工帶來了不必要的難度，還給建設方增加了不必要的材料費用。超低能耗鋼結構建筑的幕墻與主體結構的連接節點在整個建筑中數量很大，因此這些節點處的熱量損失不容忽視。
參考文獻
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