钢结构建筑幕墙的主龙骨断热桥做法比较

发布时间：2021-07-03所属分类：免费文献浏览：1227次

摘 要： 工业建筑

《钢结构建筑幕墙的主龙骨断热桥做法比较》论文发表期刊：《工业建筑》；发表周期：2020年11期

《钢结构建筑幕墙的主龙骨断热桥做法比较》论文作者信息：李瑞雪，女，1988 年出生，工程师。

　　摘要：超低能耗钢结构建筑外立面装饰幕墙与主体结构连接节点的断热桥处理常被忽视，而这些数量庞大的节点热桥效应对建筑能耗的影响不容忽视。目前这些节点断热桥的做法在不同的项目里各不相同，节能效果也不可知。为此结合寒冷B气候区的两个工程实例，通过热桥模拟软件及能耗计算软件分析此类节点热桥的断热桥效果及对建筑能耗的影响。分析表明：断热桥节点设计应在满足结构安全的前提下选择导热系数低且厚度大的隔热材料，新增钢龙骨的截面积为最小，主龙骨与新增钢龙骨在保温层内的长度设计为最短。

　　关键词：被动式超低能耗建筑：钢结构;热桥：节能

　　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

　　近年来钢结构建筑与被动式超低能耗建筑技术结合的做法在国内得到大力推广，因为钢材是一种再循环绿色建材，同时被动式超低能耗建筑可大大降低建筑能耗。被动式超低能耗建筑的五大原则之一是无热桥设计，因为在传统建筑中的热桥局部能耗占建筑总能耗的10%左右，而在绿色节能建筑中热桥所造成的能耗损失最高可占到建筑总能耗损失的25%。相比传统建筑，热桥造成的能耗占比更突出。被动式超低能耗钢结构建筑的围护结构热工性能优于常规建筑，但是钢材的导热系数远大于多数外墙保温材料，导致这些热桥部位产生更大的能耗损失。大部分钢结构民用建筑会采用幕墙体系来实现外立面效果，而外立面幕墙材料的固定通常需要通过穿过建筑外墙及保温层的钢构件与主体结构(钢柱或钢梁)连接。在这个节点中，幕墙与主体结构的连接结构就形成了一个连接室内外的热桥通道。目前，此类节点的断热桥做法在国内并没有统一的做法，不同项目中的断热桥方法也各不相同，有些点热桥的断热桥处理甚至被忽视。不同的断热桥处理手法是否都能起到降低热桥系数的作用，不同的热桥系数对建筑供暖需求、制冷需求及一次能耗的影响有多大，都是值得研究的内容。针对这些问题，结合寒冷B气候区的两个工程实例，对被动式超低能耗钢结构建筑中外立面装饰幕墙与主体结构连接节点的断热桥做法及不同做法的节能效果进行分析，并通过热桥模拟软件及能耗计算软件辅助对比不同热桥处理方式对建筑总能耗的影响。

　　1项目选择

　　本文选取寒冷B气候区已建成的雄安综合服务中心(简称“项目A")和北京某公共建筑(简称“项目B")进行研究。项目A(图1)现已获得住建部被动式超低能耗示范项目初步认证和德国dena的被动房认证。项目A位于河北省保定市容城县奥威路北侧，项目总用地面积达13 000 m2，总建筑面积5 172.85m2，地上3层，局部5层，建筑高度为22.8 m。项目B占地面积为8907 m"，总建筑面积为8544 m，，地上3层，局部4层。这两个项目的结构形式均为钢框架结构，建筑外墙采用200 mm厚混凝土加气条板，建筑外墙保温采用300 mm厚岩棉条。两个项目外立面均为铝板幕墙，外挂铝板均通过穿透保温层的钢龙骨与主体结构固定。但这两个项目幕墙与主体连接结构采用了不同的断热桥设计方法。项目A采用50mm厚的高分子聚乙烯板进行断热桥处理(图2)。项目B则采用5mm厚的尼龙隔热绝缘垫片进行断热桥处理(图3、图4)。这两种不同的断热桥做法代表了目前实际工程项目中同类节点处常见的断热桥处理方式。为此对这两个项目中外立面幕墙与主体结构的连接节点的断热桥做法进行分析，判断其节能效果。结合热桥模拟软件及能耗计算软件的计算结果，判断影响热桥系数大小的因素，并且为类似节点的断热桥设计提供设计思路和依据。

　　2 单个点热桥计算模型

　　利用 Psi-Therm3D 软件对项目 A、B 和这两个项目中幕墙与主体结构连接节点的传统做法和断热桥做法分别进行建模，并计算点热桥系数。通过模拟结果，分析两种断热桥做法的节能效果。

　　2.1 建立模型

　　在2.5 mx2.5 m的墙体正中心建立节点模型。项目A、B幕墙连接传统做法和断热桥做法分别见图4、图5.

　　2. 2 计算公式

　　点热桥系数按式( 1) 计算:

　　式中: χ 为点热桥系数; Φ 为研究节点处的热流量; ΔT 为墙体内外表面的温度差; U 为墙体主断面的平均传热系数; A 为墙体面积。 2. 3 计算参数岩棉条导热系数取值 λ= 0. 048 W/( m·K) ，厚度d = 0. 3 m; 加气条板的导热系数取值为 λ = 0. 13 W/ ( m·K) ，厚度 d = 0. 2 m; 尼龙隔热绝缘垫片的导热系数取值A=0.16 W/(m-K)，其尺寸为0.08 mx0.1 mx0.005 m.高分子聚乙烯板的导热系数取值A=0.16 W/(m-K)，其尺寸为0.23 mx0.16 mx0.05 m镀锌矩形钢的材料导热系数取值A=58.2 w/(m-K)。工字钢梁的材料导热系数取值A=58.2 W/

　　(m-K)。室外温度取-5℃，室内温度取20℃。墙体内表面换热阻取0.13 m2-K/w，墙体外表面换热阻取0. 04 m2·K/W。

　　2. 4 计算结果

　　计算结果见表 1，可以看出: 项目 A 采用断热桥措施后节点处的热桥系数有明显的下降，但是项目B 采用断热桥措施后，节点处点热桥系数反而比传统做法的热桥系数增大，说明项目 B 的断热桥做法效果并不理想。

　　3热流过程分析

　　因为两个项目所采用的断热桥做法的基本原则类似，均是将造成热桥的钢梁在保温层里打断，并且通过导热系数较低的绝热材料后进行再次连接。因此本部分选用项目A中幕墙与主体结构连接节点的断热桥做法进行分析。通过对热流过程的分析，研究项目B幕墙与主体结构连接节点断热桥措施存在的问题，探究类似节点的优化原则。热量的流动是一个三维的复杂过程，为了便于找出影响热桥系数大小的因素，需要对节点进行简化，假设工字钢梁的材料成分在墙体内及保温内各处相同、室内外温度恒定、材料导热系数不随温度的变化而变化。由于墙体的长、宽远大于该节点处钢材及隔热垫块在墙体x、2面上的截面的尺寸，钢材及隔热垫块的导热系数远大于岩棉的导热系数，所以可将热量传递的过程简化为沿x轴和y轴的维稳态传热(图6)。当室内温度高于室外温度时，在传统节点做法的工况下，热量沿着主龙骨大量向室外流失;而在断热桥做法工况下，由于钢龙骨并未直接连通室外，所以热量的流动可以简化为先到达主龙骨靠近室外的尽端，然后分成沿x轴方向的热流和沿y轴方向的热流。沿x轴方向的热流可看作通过隔热垫块后沿着C型角钢流向室外;沿y轴方向的热流可看作通过包裹主龙骨靠室外侧尽端的岩棉后流向室外。

　　3.1 x轴方向热流量分析

　　由于钢材的导热系数远大于岩棉的导热系数，项目中用于连接钢龙骨和C型角钢的隔热材料的导热系数远大于岩棉的导热系数，所以假设沿x轴的热量流动主要存在主龙骨、隔热垫块和C型角钢之间。

　　则当室内温度高于室外温度时，在断热桥做法工况下，热量在 x 轴方向由主龙骨流向 C 型角钢的

　　损失可以用如下公式表示:

　　式中：4，为x方向通过隔热垫块的热流量，W:A，为隔热垫块在yz平面的投影面积，m2：AT，为主龙骨与隔热垫块接触面、C型角钢与隔热垫块接触面的温度差，K：Ris性块为隔热垫块的热阻，m..k/W;A開格块为隔热垫块的导热系数，W/(m-K)：d，为隔热垫块的厚度，m。

　　当入阳块取最小值、d，取最大值、A，取最小值时，可得到，最小值。故在节点设计时，应选择导热系数较小且厚度(d，)较大的材料作为隔热垫块，同时，隔热垫块和钢龙骨的接触面积A，应在结构设计合理的前提下设计为最小值。

　　3.2 y轴方向热流量分析

　　热量在y轴方向的损失可以用式(3)表示：

　　式中：4，为y方向通过墙体的热流量，w:k，为垂直于墙面方向材料总热阻，m.-K/W:A4为墙体在x平面的投影面积，m2：AT，为墙体内外表面温差，K.点热桥系数按式(1)计算，联立式(1)、式(3)整理可得：

　　式中：U主t路轻为y轴方向主龙骨xy截面所在路径材料的平均传热系数，W/(m2-K)：UC钢路为y轴方向C型角钢xy截面所在路径材料的平均传热系数，W/m2-K:UDin些块路轻为y轴方向隔热垫块xy截面所在路径材料的平均传热系数，W/(m2-K)：La为墙体主断面的平均传热系数，W/(m2-K)：A主tf为主龙骨在x平面上的投影面积，mi：Ac型a为C型角钢在x平面上的投影面积，m2：A网s块为隔热垫块在x平面上的投影面积，m2。因Ua由外墙做法决定，主龙骨在x平面上的投影面积(At)由外挂铝板的重量及结构设计决定，在节能优化阶段修改的可能性较小，Am格块和U块略轻的取值在沿x轴方向的热流速率分析过程中已优化，所以，以上参数在本部分节点优化设计阶段可视为定值。

　　通过式( 4) 可以看出: 为了使点热桥系数得到

　　最小值，AC型角钢、A隔热垫块、UC型角钢路径 和 U主龙骨路径 均应取最小值。UC型角钢路径 和 U主龙骨路径 的值与主龙骨及室外空气之间的保温层厚度 a ( 图 6) 和 C 型角钢靠近室内端与加气块之间的保温层厚度 b ( 图 6) 有 关。即: a 取值越大( 即 C 型角钢在保温层内的长度越短) ，则 UC型角钢路径 越小; b 取值越大( 即主龙骨在保温层内的长度越短) ，则 U主龙骨路径越小。

　　在节点设计时，应在满足结构设计要求的前提下，将新增钢龙骨垂直于热流方向的截面积( AC型角钢 ) 设计为最小; 隔热垫块在垂直于热流方向的截面积( A隔热垫块 ) 设计为最小; C 型角钢( 新增钢龙骨) 在保温层内的长度设计为最短; 主龙骨在保温层内的长度设计为最短。据此设计原则，项 目 A 此节点处的热桥系数可以进一步优化到0. 162 5 W /K，而且这种优化并不会带来成本的增加。

　　因为项目 B 幕墙与主体结构连接节点的断热桥原理与项目 A 相似，也是通过将传统做法中的单个连接龙骨一分为二，再间隔隔热垫块后重新连接。

　　所以项目 A 节点分析后得出的结论在项目 B 的节点中依然适用。因此项目中幕墙与主体结构连接节点的断热桥效果不理想的原因是所选用的隔热垫块厚度较薄且新增角钢截面积较大。

　　4 点热桥的断热桥处理对整个建筑能耗的影响

　　通过表 2、表 3 可以看出: 1) 项目 B 的幕墙与主体结构连接节点不合理的断热桥做法使建筑供暖需求增加了 0. 26 kW·h /( m2·a) ，制冷需求基本没有变化，一次能耗增加了 0. 08 kW·h /( m2·a) 。项目 A幕墙与主体结构连接节点断热桥处理后，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) 。虽然该节点处的热桥影响对建筑整体的制冷需求和一次能耗影响较小，但是其对供暖需求的影响不容忽视。

　　2) 点热桥系数降低，有利于降低建筑整体的供暖需求和一次能耗，但是制冷需求也相应地增加了。点热桥系数降低会导致外墙导热损失减少，而这部分热损失在夏季是有利的，因为夏季制冷需求会增加。所以在节点优化设计时应综合考虑点热桥对建筑全年能耗的影响。

　　3) 在寒冷 B 气候区，点热桥系数对供暖需求的影响更大，在节点设计时应尽量降低热桥系数。在不同地区，断热桥设计还应该结合当地气候特点、建筑内表面结露情况和建筑的整体能耗情况进行设计。

　　5 结束语

　　本文对项目 A 及项目 B 两个钢结构公建项目的幕墙与主体结构的连接节点进行热桥模拟计算、热流过程的分析及对整个建筑能耗的影响分析，对比两个项目所采用的断热桥做法的效果，研究幕墙与主体结构连接节点的优化方案。探索类似节点的断热桥设计原则。得出如下结论:

　　1) 钢结构建筑幕墙与主体结构的连接节点的断热桥做法应结合热桥模拟软件进行设计、计算与优化。

　　2) 在满足结构安全的前提下，优化新增钢龙骨的截面大小，同时缩小主龙骨和新增钢龙骨在保温层内的长度，减小新增钢龙骨的截面面积有利于减少热量流失。

　　3) 项目 B 幕墙与主体结构连接节点所选用的5 mm 隔热垫块的厚度不足且断热桥后节点中钢材新增截面积较大是导致节点断热桥处理效果不理想的主要原因。项目 A 幕墙与主体结构连接节点的断热桥做法虽然降低了热桥系数，但是并未达到最优效果，依据结论 2) 中的方法优化后，节点处的热桥系数可降低到 0. 162 5 W/K，且无增量成本。

　　4) 在寒冷 B 气候区，热桥系数的变化对冬季供暖需求和一次能耗的影响更大。所以在寒冷 B 气候区，建筑节点设计应考虑将节点热桥系数降低。在不同地区还应该结合当地气候特点、建筑内表面结露情况和建筑的整体能耗情况进行设计。

　　目前国内被动式超低能耗钢结构建筑的断热桥节点设计并没有达到精细化设计的程度，甚至存在断热桥处理后热量损失不减反增的现象。在此情况下，不仅给项目施工带来了不必要的难度，还给建设方增加了不必要的材料费用。超低能耗钢结构建筑的幕墙与主体结构的连接节点在整个建筑中数量很大，因此这些节点处的热量损失不容忽视。

　　参考文献

　　[1] 章熙民，任泽霈，梅飞鸣.传热学[M].5 版.北京: 中国建筑工业出版社，2007: 10-20.

　　[2] 徐小伟.雄安新区绿色发展报告: 新生城市的绿色初心[M].北 京: 中国城市出版社，2020.

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