摘要：隨著建筑節(jié)能工作的開展，新型保溫建筑大量涌現(xiàn)，熱橋在新型保溫建筑中的 影響遠遠大于傳統(tǒng)建筑。本文分析了建筑中的熱橋類型及其能耗，提供了在住宅建筑的節(jié)能設(shè)計中熱橋傳熱系數(shù)計算方法。通過熱橋傳熱計算的方法，分析并準確把 握建筑圍護構(gòu)件的熱工性能，從而指導(dǎo)圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能方案設(shè)計。
關(guān)鍵詞：圍護結(jié)構(gòu) 熱橋傳熱系數(shù)
引言
研 究表明，目前，我國在節(jié)能建筑中，墻體耗熱占總能耗的比例已經(jīng)由40％下降到15％，而熱橋耗熱占總能耗的比例卻由7％提高到20％。熱橋的危害還在于其 增加了墻體局部傳熱，降低了墻體平均熱阻，惡化了圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度環(huán)境，節(jié)點處內(nèi)表面溫度有可能低于室內(nèi)露點溫度，使得墻體內(nèi)表面結(jié)露，傳熱在濕工況 下進行，形成惡性循環(huán)。熱橋影響著圍護結(jié)構(gòu)的整體保溫效果，有必要對熱橋進行準確的分析，采取各種技術(shù)措施降低熱橋能耗，以促進保溫結(jié)構(gòu)的進一步完善。
熱 橋是指建筑圍護結(jié)構(gòu)中的一些部位，在室內(nèi)外溫差的作用下，形成熱流相對密集、內(nèi)表面溫度較低的區(qū)域，這些部位成為傳熱較多的橋梁，故稱為熱橋，有時又可稱 為冷橋。熱橋往往是由于該部位的傳熱系數(shù)比相鄰部位大得多、保溫性能差得多所致，在圍護結(jié)構(gòu)中這是一種十分常見的現(xiàn)象。我國對熱橋的研究較少，建筑設(shè)計者 在進行熱負荷計算及節(jié)能工作者在計算建筑耗熱量時，對熱橋熱損失很難進行定量分析，一般經(jīng)常經(jīng)驗地假定一個熱橋附加耗熱系數(shù)，其結(jié)果使得熱負荷計算值不準 確，因此對熱橋進行準確的計算分析，有利于更好地了解熱橋能耗對整個建筑傳熱的影響。
1熱橋主要類型及其能耗分析
根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特點，將熱橋分為九大類：內(nèi)墻角、外墻角、窗左右側(cè)、窗上下側(cè)、陽臺、屋頂、地角、其他。各類型熱橋由于結(jié)構(gòu)不同對建筑熱負荷的影響也不同。
內(nèi) 墻角和外墻角統(tǒng)稱為陰角，此部位的受熱面積小于放熱面積，我國以放熱面積為準計算傳熱量是比較安全的。在墻體結(jié)構(gòu)局部不發(fā)生變化的情況下，計算得出的傳熱 量大于實際傳熱量；當有構(gòu)造柱穿過外墻時或由于構(gòu)造上的要求保溫層出現(xiàn)斷點(內(nèi)保溫間墻)的情況下，計算得出的傳熱量要小于真實傳熱量。
窗 左右側(cè)熱橋是由于窗洞口造成，窗框?qū)挾刃∮趬w厚度，形成熱流通路。窗上下側(cè)熱橋一方面是由于窗洞口造成，另一方面是由于窗上有過梁、窗下有窗臺板這也形 成熱流通路。此外，復(fù)合墻體在窗洞口處，由于結(jié)構(gòu)及施工的要求，保溫層有可能出現(xiàn)斷點，也是形成熱橋的原因。通常設(shè)計時習(xí)慣采用的窗的傳熱系數(shù)[雙層木窗 為2．91W／(m2•K)，雙層鋼窗為3．26 W／(m2•K)]是包括了窗周邊傳熱的，即包括了窗左 右側(cè)和窗上下側(cè)熱橋附加熱損失的。這樣的簡化處理方法對以往的單一的墻體形式和外窗形式來說是可以的。但對于目前繁多的外墻形式和外窗形式情況下，窗洞口 的熱橋傳熱差別很大，國際標準中規(guī)定：實測時只考慮窗戶本身的傳熱量，而不包括窗洞的附加值。用實測數(shù)值直接拿來計算窗熱負荷顯然是不行的。計算窗熱負荷 時必須考慮到窗口周邊熱橋的影響。
陽臺由于結(jié)構(gòu)上的要求，大量使用混凝土，尤其對于復(fù)合保溫墻體，陽臺處外墻保溫材料被切斷，陽臺門、陽臺窗、陽臺板處均存在著熱橋。同時，由于陽臺的封閉及其他保溫措施的采取，陽臺內(nèi)溫度提高，相對的陽臺熱橋也得到了一定程度的緩解。
屋頂熱橋指屋頂和外墻相交的部位，頂層房間過梁、圈梁離屋頂較近，將其歸類為屋頂熱橋一起考慮。屋頂處受熱面積小于放熱面積，同時屋頂內(nèi)角對流換熱和輻射換熱差，造成此部位綜合傳熱系數(shù)小，屋頂內(nèi)角溫度較低。一般講，屋頂熱橋使建筑熱負荷增加3％左右。
2保溫建筑圍護結(jié)構(gòu)熱橋傳熱計算方法
熱 橋?qū)ㄖ臒崃恐笜说挠绊懺谟诩哟蠼ㄖ臒崃恐笜?，而熱橋?qū)ㄖ嶝摵傻挠绊懖粌H在于加大了建筑采暖熱負荷，還在于改變房間之間的負荷比例，即各房間采暖 熱負荷增大的程度因其所包括的熱橋不同而不同。只有準確地計算出建筑熱負荷的大小，方能設(shè)計出好的供熱系統(tǒng)。針對以上的熱橋類型，有以下三種熱橋傳熱計算 方法。
2．1數(shù)值傳熱計算方法
熱橋?qū)俣嗑S動態(tài)傳熱，工程領(lǐng)域較精確的計算方法一般應(yīng)用二維穩(wěn)態(tài)傳熱理論，采用數(shù)值傳熱計算方法。有限元法是數(shù)值傳熱計算方法進行熱橋傳熱分析較常用的方法之一。
有限元法是古典變分法與有限差分法相結(jié)合的產(chǎn)物，采用區(qū)域離散化方法將古典變分法改進為數(shù)值計算，特別適用于物體的形狀復(fù)雜、變物性、非均質(zhì)或具有非線性邊界條件導(dǎo)熱問題分析。有限元法導(dǎo)熱問題求解步驟概括如下：①采用加權(quán)余量法將導(dǎo)熱問題轉(zhuǎn)
換為變分問題；②將所分析的區(qū)域離散化；③構(gòu)造單元內(nèi)的溫度差值函數(shù)；④根據(jù)變分計算式導(dǎo)出單元變分計算的代數(shù)方程組；⑤進行總體合成；⑥代數(shù)方程組求解。 
采用穩(wěn)態(tài)下的二維導(dǎo)熱過程，與外界的換熱僅發(fā)生在內(nèi)、外兩個表面上，其二維穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源導(dǎo)熱微分方程為：
如果采用ANSYS有限元計算軟件進行熱橋傳熱的有限元分析計算，其分析過程包括三個主要的步驟：①前處理：創(chuàng)建或 讀入幾何模型，定義材料屬性，劃分網(wǎng)格(節(jié)點及單元)，施加載荷選項、設(shè)定約束條件。②求解：計算，查看分析結(jié)果(分析是否正確)。③后處理：根據(jù)需要做 出各種圖像。用有限元分析單元網(wǎng)格計算時建議采用精度高、運算時間短的三角形六節(jié)點等參單元進行計算[4]。
2.2內(nèi)表面溫度驗算方法
2.2.1 幾種常用熱橋形式內(nèi)表面溫度計算
2．2．2單一材料內(nèi)表面溫度計算
有些建筑物的圍護結(jié)構(gòu)采用 的是單一材料外墻板，在外墻轉(zhuǎn)角處，因吸熱面小，散熱面大而形成熱橋，內(nèi)表面溫度較低，容易出現(xiàn)結(jié)露，因而應(yīng)驗算其內(nèi)表面溫度。根據(jù)外墻總熱阻的大小先確 定一個比例系數(shù)值，然后計算內(nèi)表面溫度，再根據(jù)內(nèi)表面溫度和露點溫度計算最小附加熱阻。單一材料外墻轉(zhuǎn)角內(nèi)表面溫度和最小附加熱阻值可分別按式(5)和式 (6)計算：
2．3墻體平均傳熱系數(shù)計算方法
外 墻平均傳熱系數(shù)是外墻包括主墻體及其周邊結(jié)構(gòu)性熱橋(構(gòu)造柱、圈梁以及樓板伸入外墻部分等)部位在內(nèi)的傳熱系數(shù)平均值。當主墻體與周邊熱橋采用不同材料或 外墻采用內(nèi)保溫時，熱橋部位的傳熱系數(shù)往往會大于主墻體。故建筑節(jié)能設(shè)計標準都以外墻的平均傳熱系數(shù)作為外墻的一項熱工性能指標和控制指標，這是符合建筑 物實際情況的。因此，在進行建筑物的節(jié)能設(shè)計時，必須計算外墻的平均傳熱系數(shù)。本文主要闡述熱橋部位的計算方法。
2．3．1 主墻體和周邊熱橋部位的傳熱系數(shù)計算
主 墻體和周邊熱橋均為建筑物外墻的組成部分，但兩者在構(gòu)造和用料上可能不同。如主墻體可采用混凝土空心砌塊、混凝土多孔磚、加氣混凝土砌塊、粘土多孔磚等砌 筑，或鋼筋混凝土現(xiàn)澆；而構(gòu)造柱、圈梁和樓板則大多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(目前已有少數(shù)采用鋼結(jié)構(gòu))。然而，對它們傳熱系數(shù)的計算在方法上是相同的，都是通過 對結(jié)構(gòu)熱阻R和總熱阻Ro的計算得出。其中，總熱阻R0為結(jié)構(gòu)本身熱阻R與內(nèi)、外表面換熱阻(分別為Ri、Re)之和；而在一般情況下，Ri、Re可分別取0．11m2•K／W和0．04m2•K／W(按冬季條件)。因此，外墻各部位傳熱系數(shù)的計算式均可表達為：
2．3．2丁字墻構(gòu)造柱部位和樓板端頭部位傳熱系數(shù)的計算
外 墻主墻體的周邊熱橋主要包括構(gòu)造柱、圈梁和樓板端頭三部分。其中構(gòu)造柱位于有內(nèi)隔墻的丁字墻部位，而樓板端頭是與樓板整體相連，因而這兩個熱橋部位的傳熱 系數(shù)計算有其一定的特殊性(圈梁或如有位于主墻體中間的構(gòu)造柱，其計算與主墻體完全相同)，其K值的計算應(yīng)明確以下二項要求：
(1)熱阻(R)的結(jié)構(gòu)計算厚度應(yīng)與主墻體相同。如主墻體有內(nèi)保溫層或內(nèi)抹灰層，應(yīng)分別計人與內(nèi)保溫層或內(nèi)抹灰層相同厚度的內(nèi)隔墻或樓板的熱阻；如主墻體有外保溫或外抹灰層．則熱橋部位也應(yīng)計入其熱阻(圖2)。
(2)雖該兩處熱橋內(nèi)側(cè)分別有內(nèi)隔墻或樓板延伸，在計算總熱阻(Ro)時，仍應(yīng)計人與主墻體部位相同的內(nèi)、外表面換熱阻，即0．11+0．04=0．15m2 K／W。
根據(jù)上述兩項計算要求，對照圖2可列出丁字墻構(gòu)造柱部位傳熱系數(shù)(Ke，)和樓板端頭部位傳熱系數(shù)(KB3)的具體計算如式(8)和式(9)：
3結(jié)語
熱橋種類繁多而且與各地氣候條件密切相關(guān)，因此，在進行熱橋傳熱分析時，只有了解工程的實際情況和熟悉建筑物的實際構(gòu)造，選擇相應(yīng)的計算方法，計算結(jié)果才能準確、科學(xué)。
建筑保溫早已引起足夠重視，多種多樣成熟而有效的保溫措施紛紛被采用，獲得了良好的節(jié)能效果?？墒墙ㄖ鈮θ绾芜M行保溫、減少或避免熱橋，至今還在研究實踐之中，正在努力尋找科學(xué)合理、性能優(yōu)異的外墻保溫技術(shù)。
