建筑技術(shù)丨被動(dòng)房無熱橋設(shè)計(jì)研究

被動(dòng)房是一種僅靠對(duì)新風(fēng)進(jìn)行制冷或加熱即可滿足室內(nèi)熱舒適度（符合ISO7730標(biāo)準(zhǔn)）要求而無需使用傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的建筑。被動(dòng)房的五大關(guān)鍵技術(shù)是高效的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫系統(tǒng)、高舒適節(jié)能外門窗系統(tǒng)、高效熱回收新風(fēng)系統(tǒng)、氣密性、無熱橋（圖1），故其建筑能耗更低。圖1被動(dòng)房的五大關(guān)鍵技術(shù)在無熱橋設(shè)計(jì)方面，目前國(guó)內(nèi)普通建筑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中雖已提及對(duì)熱橋部位進(jìn)行考慮，但并未提出具體要求，一般僅在熱工性能計(jì)算時(shí)對(duì)主斷面的傳熱系數(shù)進(jìn)行修正，得到平均傳熱系數(shù)。然而該處理方法并沒有真正削弱熱橋，熱量會(huì)集中從熱橋部位快速傳遞而增大建筑物的空調(diào)、采暖負(fù)荷及能耗，并可能造成冷凝結(jié)露、發(fā)霉、空氣污染、建筑結(jié)構(gòu)及構(gòu)件損壞等一系列問題。由于被動(dòng)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能很高，熱橋?qū)Ρ粍?dòng)房能耗的影響比對(duì)普通建筑更大，因此在被動(dòng)房設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量消除熱橋，若不能消除則需進(jìn)行斷熱橋處理。在被動(dòng)房熱橋的計(jì)算中，當(dāng)線性熱橋系數(shù)不大于0.01?W/（m·K）時(shí)，在PHPP熱橋項(xiàng)中可不輸入熱橋值。這也意味著設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)建筑中存在的熱橋部位分別進(jìn)行模擬計(jì)算，常用模擬軟件有Therm和Flixo等。被動(dòng)房的典型熱橋部位包括幕墻連接件、外窗、女兒墻、懸挑構(gòu)件等，本文通過對(duì)這些典型熱橋部位進(jìn)行不同工況的熱工模擬分析，研究高效的無熱橋設(shè)計(jì)做法。1、設(shè)計(jì)原則在被動(dòng)房中，熱橋?qū)ζ淠芎牡挠绊戇h(yuǎn)超普通節(jié)能建筑，因此無熱橋設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)被動(dòng)房目標(biāo)的關(guān)鍵因素之一，在專項(xiàng)設(shè)計(jì)時(shí)可遵循以下原則。（1）幾何原則：避免幾何形狀變化，例如減少表面轉(zhuǎn)折部位。（2）避讓原則：盡可能不破壞或穿透外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，例如盡量減少幕墻連接件數(shù)量。（3）分離原則：將懸挑的構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)分離，形成獨(dú)立結(jié)構(gòu)，從而消除熱橋，例如室外樓梯與主體結(jié)構(gòu)分離。（4）削弱原則：通過斷開線熱橋部分、保溫層全包、連接部位加隔熱墊塊等方式削弱熱橋。2、模擬工況2.1幕墻連接件在普通建筑中，幕墻連接件會(huì)穿透保溫層而形成明顯的熱橋，因此需對(duì)幕墻連接件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，一般做法為在連接件與混凝土結(jié)構(gòu)之間使用高強(qiáng)度保溫材料進(jìn)行斷熱橋處理（圖2）。圖2隔熱墊塊斷熱橋做法為分析該斷熱橋方式的效果，本文分別對(duì)無墊片、使用高強(qiáng)度聚氨酯墊片和使用復(fù)合材料墊片3種工況下幕墻連接件的熱橋影響進(jìn)行模擬計(jì)算。其中龍骨連接件采用碳鋼材料，熱導(dǎo)率為45?W/（m·K），高強(qiáng)度聚氨酯墊片厚50?mm，熱導(dǎo)率為0.1?W/（m·K），復(fù)合材料墊片厚度50?mm，熱導(dǎo)率為0.2?W/（m·K），保溫層采用200?mm厚聚氨酯板，熱導(dǎo)率為0.025?W/（m·K）（圖3）。（a）

（b）圖3三維建模示意（a）實(shí)體節(jié)點(diǎn)1；（b）實(shí)體節(jié)點(diǎn)2圖4為3種工況下的溫度分布云圖，表1為模擬計(jì)算結(jié)果。（a）

（b）

（c）圖4溫度分布（計(jì)算機(jī)截圖）（a）無墊片；（b）高強(qiáng)度聚氨酯墊片；（c）復(fù)合材料墊片表1不同工況下的計(jì)算結(jié)果綜合上述3個(gè)工況，采用高強(qiáng)度聚氨酯墊塊工況的熱橋系數(shù)最小，其熱橋值比無墊塊工況減少83%，采用復(fù)合材料墊塊工況熱橋值比無墊塊減少76%，故實(shí)際工程中應(yīng)結(jié)合具體項(xiàng)目幕墻情況采取相應(yīng)的斷熱橋措施，建議采用高強(qiáng)度聚氨酯墊塊作為幕墻斷熱橋措施。2.2門窗普通建筑的門窗一般安裝在窗洞口中間位置，會(huì)造成窗框與外墻之間的保溫層不連續(xù)而形成熱橋。被動(dòng)房則將窗戶安裝于窗洞口外，將保溫層覆蓋窗框，采用外掛方式來降低熱橋，二者的安裝節(jié)點(diǎn)如圖5所示。通過建立模型，使用250?mm厚巖棉條，200?mm厚混凝土外墻，熱導(dǎo)率為0.8?W/（㎡·K）的窗框，分別模擬外掛與非外掛兩種方式下的傳熱性能。（a）

（b）圖5外窗安裝方式示意（a）傳統(tǒng)外窗；（b）窗戶外掛模擬結(jié)果如圖6所示。經(jīng)計(jì)算使用傳統(tǒng)安裝方式窗戶的安裝熱橋是0.13?W/（m·K）；而若采用外掛安裝方式，窗戶的安裝熱橋?yàn)?.007?W/（m·K）。通過改變安裝方式可降低94%的安裝熱橋。綜上所述，建議采用門窗外掛的方式作為斷熱橋措施。（a）

（b）圖6裝方式熱橋模擬（a）傳統(tǒng)外窗；（b）窗戶外掛2.3女兒墻普通建筑的女兒墻頂部及內(nèi)側(cè)一般不做保溫處理，但由于該部位外墻與屋面保溫不連續(xù)會(huì)產(chǎn)生熱橋。被動(dòng)房設(shè)計(jì)時(shí)一般采用保溫層全包的方式進(jìn)行處理。本文模擬3種女兒墻斷熱橋措施對(duì)傳熱的影響，具體做法為：（1）普通建筑女兒墻板采用80?mm厚XPS保溫板，墻頂及墻內(nèi)側(cè)不包保溫；（2）女兒墻采用200?mm厚XPS保溫全包；（3）200?mm厚XPS保溫板全包且保溫板穿透女兒墻。3種工況的女兒墻做法節(jié)點(diǎn)如圖7所示。（a）

（b）（c）圖7女兒墻保溫做法示意（a）80?mm厚XPS板方案；（b）200?mm厚XPS板方案；（c）保溫穿透方案圖8對(duì)比了三者方案的熱橋模擬結(jié)果，模擬結(jié)果見表2。（a）

（b）（c）圖8模擬結(jié)果對(duì)比（計(jì)算機(jī)截圖）（a）80?mmXPS板方案；（b）200?mmXPS板方案；（c）保溫穿透方案表23種不同工況下的熱橋值與80?mmXPS板方案相比，200?mmXPS板方案和保溫穿透方案可分別降低75%和80%的熱橋，故建議采用200?mmXPS或保溫穿透女兒墻的做法。建筑中的懸挑結(jié)構(gòu)斷熱橋的做法與女兒墻的做法類似。2.4地下室頂板與外墻的熱橋普通建筑的外墻保溫層只做到地面位置，外墻與建筑底板或地下室頂板之間存在熱橋，對(duì)比可采用外墻內(nèi)外保溫層下延的方式來減小熱橋，其節(jié)點(diǎn)做法如圖9所示。（a）（b）圖9外墻保溫做法示意（a）保溫層無下延；（b）保溫層下延1?m本文模擬外墻保溫只到首層地面和外墻保溫從首層地面下延1?m的2種情況，地上保溫材料選用200?mm厚巖棉，地下保溫材料選用200?mm厚擠塑板，模擬結(jié)果如圖10所示。（a）（b）圖10外墻保溫模擬對(duì)比（計(jì)算機(jī)截圖）（a）普通保溫模擬結(jié)果；（b）保溫下延模擬結(jié)果由模擬結(jié)果可看出，當(dāng)保溫只做到地面時(shí)，室內(nèi)壁面平均溫度為9.9℃，經(jīng)計(jì)算，線熱橋?yàn)?.324?W/（m·K）。保溫從首層地面下延1?m，室內(nèi)壁面平均溫度為13.0℃，經(jīng)計(jì)算線熱橋?yàn)?.062?W/（m·K），二者相比后者可降低80%的熱橋。對(duì)比2種工況可看出，外保溫下延的做法可大幅降低熱橋，提高表面最低溫度，避免在墻角位置冷凝發(fā)霉，保證室內(nèi)的空氣品質(zhì)。3、結(jié)束語(yǔ)圍護(hù)結(jié)構(gòu)無熱橋設(shè)計(jì)是被動(dòng)房設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，應(yīng)在遵循無熱橋設(shè)計(jì)原則和兼顧經(jīng)濟(jì)成本的基礎(chǔ)上進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，盡可能避免產(chǎn)生熱橋或降低熱橋值。本文通過對(duì)比分析建筑