作為超低能耗建筑中最主要的部件之一，透明外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積雖只占圍護(hù)結(jié)構(gòu)的12%，但熱損失卻占整體熱損失的50%。門窗洞口對(duì)整窗的傳熱系數(shù)影響很大，若超低能耗建筑門窗安裝不當(dāng)產(chǎn)生熱橋，會(huì)完全抵消前期設(shè)計(jì)中提高門窗保溫性能的效果。由于熱橋部位的傳熱系數(shù)明顯高于其他部位，熱量會(huì)集中在這些部位快速傳遞而增大建筑能耗。在傳統(tǒng)建筑中，熱橋能耗占建筑總能耗的5%~7%，而在節(jié)能建筑中，通過熱橋的能耗則可達(dá)到20%以上，在超低能耗建筑中熱橋的影響更甚。

1??門窗洞口熱橋研究現(xiàn)狀

近年來，我國新建超低能耗建筑和既有建筑低能耗改造的數(shù)量雖有大幅增加，但體量仍較小。魏賀東等在保證門窗性能的基礎(chǔ)上，分別對(duì)磚結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)三種墻體門窗安裝位置進(jìn)行熱工性能分析，得出在有保溫層的不同墻體結(jié)構(gòu)中，盡可能地將窗框安裝到保溫層中有利于降低門窗洞口的傳熱系數(shù)及熱損失。魏賀東等分析影響幾何熱橋效應(yīng)的因素，認(rèn)為構(gòu)件幾何形狀是決定幾何熱橋?qū)嵯禂?shù)最主要的因素，構(gòu)件的空間組合關(guān)系基本決定了熱橋?qū)嵯禂?shù)的大小與正負(fù)值屬性；在一定傳熱系數(shù)條件下，增大保溫層厚度對(duì)改善熱橋?qū)嵯禂?shù)效果甚微甚至不會(huì)引起熱橋?qū)嵯禂?shù)的變化。吳自敏等在中建科技湖南有限公司產(chǎn)業(yè)化基地項(xiàng)目中，為避免門窗洞口的熱橋產(chǎn)生，在“三明治”夾心墻板中預(yù)埋固定門窗和遮陽用的預(yù)埋件，并用發(fā)泡劑填充保溫板與預(yù)埋件間的縫隙。

目前低層裝配式鋼結(jié)構(gòu)超低能耗建筑案例較少，門窗洞口處熱橋分析尚不完善，本文以裝配式鋼結(jié)構(gòu)超低能耗建筑為例，對(duì)門窗洞口安裝處理措施進(jìn)行熱工性能優(yōu)化分析，對(duì)比不同的熱橋處理措施，得出適合低層裝配式鋼結(jié)構(gòu)超低能耗建筑門窗洞口的熱橋處理方式。

2??普通低層裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑門窗洞口現(xiàn)狀

普通低層裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻大多采用非承重輕質(zhì)墻板，此類墻板優(yōu)勢在于防火隔音、保溫隔熱、施工簡單快捷、質(zhì)量輕、降低墻體成本等，但其承重能力較差，門窗洞口處需采取相應(yīng)的加固措施，如門窗洞口上下側(cè)安裝C形鋼、左右側(cè)安裝立樘等。但該類措施會(huì)加速門窗洞口處熱流散失，擴(kuò)大門窗洞口處熱橋面積。

為了保證研究數(shù)據(jù)的可對(duì)比性，首先對(duì)普通低層裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的門窗洞口進(jìn)行測試。根據(jù)測試原則及測試要求，采用紅外熱像儀對(duì)普通低層裝配式鋼結(jié)構(gòu)民居進(jìn)行現(xiàn)場測試，該民居為2層，建筑面積為224㎡，采用鋼結(jié)構(gòu)框架、檁鋼結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)形式。外墻采用120?mmASA板+50?mm聚苯板，K值為0.45?W/（㎡·K）。外窗采用6+12A+6的塑鋼雙層中空玻璃，K值為2.3?W/（㎡·K），門窗洞口上下兩側(cè)采用C型鋼加固，外門窗框與門窗洞間縫隙采用聚氨酯發(fā)泡填實(shí)并用密封膏嵌縫。

門窗洞口實(shí)景圖及測試結(jié)果如圖1所示。圖1（b）中，L0為垂直向門窗墻板的溫度，L1為水平向門窗墻板的溫度，L2為窗框邊緣處墻邊的溫度。L0, L1, L2處的溫度分布曲線如圖2所示。

（a）        （b）

圖1　門窗洞口溫度測試（計(jì)算機(jī)截圖）

（a）洞口實(shí)景；（b）測試結(jié)果

圖2?L0，L1，L2溫度分布

由圖2可知，窗戶玻璃處溫度高而窗框處溫度偏低，L2溫度較穩(wěn)定而L0及L1溫度突變明顯。統(tǒng)計(jì)圖2中標(biāo)記線的各溫度點(diǎn)如圖3所示。測試圖中各處溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。經(jīng)分析主體部位最低溫度為–0.28℃，最高溫度為8.06℃，平均溫度為3.83℃，溫度差異最大為8.34℃，溫差超過±1℃范圍的點(diǎn)占全部點(diǎn)的94.43%。

圖3　熱成像圖各個(gè)溫度點(diǎn)分布

表1??各處溫度統(tǒng)計(jì)   ℃

根據(jù)室外側(cè)熱工缺陷判定原則可知：?T=|T1–T2|=5.23>1℃，溫差超過±1℃的范圍點(diǎn)占全部點(diǎn)的94.43%，該位置存在嚴(yán)重的熱橋缺陷。

3??裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑門窗洞口無熱橋優(yōu)化分析

本節(jié)應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)冬季工況下低層裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑門窗洞口的不同優(yōu)化形式進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場模擬，并做如下假定：（1）熱橋節(jié)點(diǎn)處的各種材料均質(zhì)且各向同性；（2）熱橋節(jié)點(diǎn)處的材料彼此接觸良好且它們之間的熱阻可忽略不計(jì)；（3）忽略太陽輻射等其他輻射換熱；（4）混凝土預(yù)填充材料具有連續(xù)性。

門窗洞口節(jié)點(diǎn)傳熱特性符合第三類邊界條件，根據(jù)河北省氣候分區(qū)的特征，室內(nèi)外溫度、表面對(duì)流換熱系數(shù)參照GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》及DB13（J）/T 8360—2020《被動(dòng)式超低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)置。

本次模擬采用180?mm厚水泥基纖維復(fù)合輕質(zhì)板+175?mm厚石墨聚苯板做建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，該組合主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可達(dá)0.15?W/（㎡·K），滿足超低能耗建筑傳熱系數(shù)的要求。由于墻板承重能力相對(duì)較弱，被動(dòng)窗自重偏大，為增強(qiáng)安全性能在窗口部位分別采用增設(shè)C形鋼加固與增設(shè)防腐木墊塊兩種優(yōu)化方案。超低能耗外窗安裝形式主要為外掛式與外嵌式，其安裝節(jié)點(diǎn)如圖4、圖5所示。將安裝方式與優(yōu)化方案進(jìn)行兩兩組合，分別模擬保溫壓框長度在0~150?mm情況下的溫度及熱流密度分布。

圖4??外掛窗安裝節(jié)點(diǎn)

圖5??外嵌窗安裝節(jié)點(diǎn)

3.1??增設(shè)C形鋼加固

由圖6、圖7可知，在保溫長度延長為0~150?mm時(shí)，外掛窗框周圍溫度分布分別為12.5, 9.72, –6.28, –7.50, –10（℃）；外嵌窗框周圍溫度分布分別為12.5, 9.86?, –4.49, –5.24, –7.63（℃），隨保溫壓框長度增長，窗框溫度分布逐漸與主墻體溫度接近。在不同保溫壓框長度下，兩種安裝方式的熱流密度如圖8所示。

圖6??不同保溫壓框長度下的外掛窗節(jié)點(diǎn)溫度分布（計(jì)算機(jī)截圖）

（a）0；（b）30?mm；（c）70?mm；（d）100?mm；（e）150?mm

圖7??不同保溫壓框長度下的外嵌窗節(jié)點(diǎn)溫度分布（計(jì)算機(jī)截圖）

（a）0；（b）30?mm；（c）70?mm；（d）100?mm；（e）150?mm

圖8??不同保溫壓框長度下兩種安裝方式的熱流密度分布

根據(jù)圖8，在保溫壓框長度不小于100?mm后，熱流密度分布逐漸均勻，外掛窗的熱流密度比外嵌窗的熱流密度值略低。綜合考慮溫度分布與熱流密度分布，在采用C形鋼加固門窗洞口部位，選擇外掛窗、保溫壓框100?mm可有效保證大幅度降低熱橋。

3.2??增設(shè)防腐木加固

由圖9、圖10可知，保溫長度延長為0~150?mm時(shí)，外掛窗框周圍溫度分布分別為–2.57, –5.77, –8.35, –8.62, –8.78（℃）；外嵌窗框周圍溫度分布分別為–0.72, –4.56, –4.13, –5.07, –6.20（℃），隨保溫壓框長度增長，窗框溫度分布逐漸與主墻體溫度接近。在不同的保溫壓框長度下，2種安裝方式的熱流密度如圖11所示。

圖9??不同保溫壓框長度下的外掛窗節(jié)點(diǎn)溫度分布（計(jì)算機(jī)截圖）

（a）0；（b）30?mm；（c）70?mm；（d）100?mm；（e）150?mm

圖10??不同保溫壓框長度下的外嵌窗節(jié)點(diǎn)溫度分布（計(jì)算機(jī)截圖）

（a）0；（b）30?mm；（c）70?mm；（d）100?mm；（e）150?mm

圖11??不同保溫壓框長度下2種安裝方式的熱流密度分布圖

根據(jù)圖11，保溫壓框長度不小于70?mm后，熱流密度降低程度雖會(huì)變小，但外掛窗的熱流密度分布低于外嵌窗。綜合考慮溫度與熱流密度分布，在門窗洞口部位增設(shè)防腐木，選擇外掛窗且保溫壓框100?mm，可大幅度降低熱橋。

對(duì)比增設(shè)C形鋼加固與增設(shè)防腐木墊塊2種方案下的門窗洞口溫度及熱流密度分布，采用防腐木墊塊的方案優(yōu)于增設(shè)C形鋼加固的方案。因此，在條件允許時(shí)應(yīng)選用增設(shè)防腐木、外掛安裝且保溫材料壓框100?mm的方案；而在外掛窗連接有困難的情況下，也可采用外嵌安裝方式。

4??低層裝配鋼結(jié)構(gòu)建筑門窗洞口優(yōu)化效果

根據(jù)測試原則及測試要求，采用紅外熱像儀對(duì)普通低層裝配式鋼結(jié)構(gòu)民居進(jìn)行現(xiàn)場測試，門窗洞口實(shí)景及測試結(jié)果如圖12所示。其中，L0為垂直向門窗墻板的溫度，L1為水平向門窗墻板的溫度，L0和L1處的溫度分布曲線如圖13所示。

（a）      （b）

圖12??門窗洞口熱流測試（計(jì)算機(jī)截圖）

（a）洞口實(shí)景；（b）測試結(jié)果

圖13??L0和L1溫度分布

由圖13可知，室內(nèi)側(cè)窗戶玻璃處溫度低，窗框處溫度介于玻璃與外墻溫度間，外墻處溫度高。將圖13中標(biāo)記線的各溫度點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖14所示。經(jīng)分析，窗框部位最低溫度為17.33℃，最高溫度為21.39℃，平均溫度為19.25℃，溫度差異最大為4.06℃，溫差超過±1℃的范圍點(diǎn)占全部點(diǎn)的40.22%。

圖14??熱成像圖各溫度點(diǎn)分布

門窗洞口處的熱橋?yàn)椴豢杀苊鉄針颍扇o熱橋優(yōu)化措施后，門窗洞口處的溫差超過±1℃的范圍點(diǎn)為全部點(diǎn)的40.22%，溫差超過±1.5℃的范圍點(diǎn)降至全部點(diǎn)的9.0%，溫差超過±2℃的范圍點(diǎn)為全部點(diǎn)的0.26%，溫度分布均勻；而在無熱橋處理優(yōu)化前溫差超過±1℃的范圍點(diǎn)占全部點(diǎn)的94.43%，因此選用增設(shè)防腐木、外掛安裝、保溫材料壓框100?mm的無熱橋優(yōu)化方案合理，可避免嚴(yán)重?zé)針蛉毕荨?/p>

5??結(jié)論

本文根據(jù)河北省氣候分區(qū)特征，通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，對(duì)低層裝配式鋼結(jié)構(gòu)超低能耗建筑門窗洞口進(jìn)行無熱橋優(yōu)化分析，研究增設(shè)C形鋼加固與增設(shè)防腐木的不同優(yōu)化方案、外掛式與外嵌式的不同安裝方式、不同保溫壓框長度下的門窗洞口溫度及熱流密度情況，得到以下結(jié)論：（1）采用防腐木墊塊的方案優(yōu)于增設(shè)C形鋼加固的方案；（2）外掛窗的熱流密度低于外嵌窗的熱流密度分布；（3）保溫壓框不小于100?mm后，熱流密度分布逐漸均勻。在條件允許時(shí)低層裝配式鋼結(jié)構(gòu)超低能耗建筑門窗洞口，應(yīng)選用增設(shè)防腐木、外掛安裝、保溫材料壓框100?mm的方案，使室內(nèi)溫度分布均勻，無嚴(yán)重?zé)針蛉毕荨?/p>

摘自《建筑技術(shù)》2021年4月，郝雨杭，付素娟，時(shí)元元，朱志雨

（責(zé)任編輯：何雯麗）

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[責(zé)任編輯：Susan]