被动式低能耗建筑外窗外挂式安装热桥数值模拟研究

1 引言

数据统计，建筑能耗从2000 年开始就占据社会总能耗的20% 以上，近些年建筑能耗已攀升至总能耗的40%，而通过门窗流失的能耗约占建筑能耗的50%。可以看到，建筑外门窗性能对建筑节能起关键作用。在《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》中，寒冷地区外门窗传热系数被限定在1.0 W/( ㎡ k) 以下[1]，因此高质量的窗户和窗户安装时的无热桥设计是实现被动式低能耗建筑的必要条件。

我国被动式低能耗建筑研究还处于发展阶段，在设计中存在过度重视窗户材料热工参数，忽视窗户安装节点细部研究的问题。

本文以被动式低能耗建筑中窗户的外挂式安装为例，利用THERM 二维数值模拟软件进行辅助计算，研究了外墙外保温围护结构体系下被动式低能耗建筑窗户外挂式安装在多种保温厚度及多种不同安装方式的条件下引起的安装热桥，在此基础上进行对比分析。希望对被动式低能耗建筑工作中合理的窗户安装节点选择提供依据。

2 热桥

2.1 热桥定义

建筑围护结构热工计算中，由于厚度方向的温度势远大于高度和宽度方向，因此通过围护结构的传热常按一维传热计算。但不可避免某些节点存在二维、三维传热，形成热桥。热桥定义为围护结构中热流强度显著增大的部位。欧盟标准EN ISO 10211-1 中关于建筑热桥定义如下：建筑围护结构热桥是由不同导热性能的材料贯穿或者结构厚度变化或者内外面积的不同( 如墙、天花板和地板连接处) 而引起的。热桥可以分为线热桥和点热桥，线热桥为沿一个方向具有相同截面的热桥，点热桥为可用一个点热桥系数表示的局部热桥。

热桥对建筑有两个影响。其一是增加了建筑能耗，热桥的存在，增加了单元墙体的平均传热系数，导致热流增大，能耗增加。其二是冬季热桥处内表面温度较主断面低，处理不好可能导致墙体内侧结露甚至发霉，影响室内卫生状况。

2.2 线热桥系数

热桥部分本身可看作二维甚至三维传热，而围护结构传热的计算通常按一维传热考虑，因此热桥系数用来衡量二维、三维传热部位比按一维传热计算后多出来的那部分传热量，即附加传热量。建筑中大部分热桥是线热桥，窗上下口和侧口处亦是如此。线热桥系数按下式计算：

3 窗户安装节点

3.1 不同保温厚度下常见安装节点

由于被动式低能耗建筑中对墙体保温的要求很严格，因此保温的厚度通常都在200mm 以上，本小节利用被动式低能耗建筑中常见窗户下口、侧口安装方案，通过改变保温层厚度分别为150mm、200mm、230mm、250mm，模拟计算不同保温厚度下的线热桥系数值。窗口安装方案示意图如图1。

窗下口方案中延伸型材下面布置厚度为型材2/3厚，高150mm 的隔热垫块，隔热垫块用螺栓与主墙体相连；侧口方案中外侧保温覆盖至窗框仅露出15mm，角钢与基层墙体之间为5mm 厚橡胶垫片。

图1 窗口常见节点

3.2 窗下口安装方案

窗下口设置六个方案，方案间进行对比。方案的节点示意图如图2 所示。

基础方案中窗框与主墙体之间用角钢连接，洞口与窗框底部平齐，角钢与墙体之间为5mm 橡胶垫片；方案1 至方案5 都采用了在窗框下连接相同尺寸延伸型材的安装方式。方案1 中延伸型材与主墙体之间用角钢连接，延伸型材底部与洞口平齐，角钢与墙体之间垫5mm 橡胶垫片；方案2 中延伸型材与墙体之间用角钢连接，延伸型材底部低于洞口15mm，角钢与墙体之间垫5mm 橡胶垫片；方案3 中延伸型材与角钢之间垫15mm 高强度聚氨酯隔热垫片，角钢与墙体之间垫5mm 隔热垫片；方案4 中延伸型材与角钢之间垫30mm 高强度聚氨酯隔热垫片，角钢与墙体之间垫5mm 隔热垫片；方案5 中窗框下面布置厚度为型材2/3厚，高150mm 的隔热垫块，隔热垫块用螺栓与主墙体相连。

图2 窗下口节点安装方案

3.3 窗侧口（上口）安装方案

窗侧口和上口节点构造完全相同，故本文只讨论窗侧口安装方案。窗侧口设置4 个方案，方案间进行对比。窗框与墙体之间用角钢连接。如图3 所示。

方案1 中外侧保温覆盖窗框30mm，角钢与基层墙体之间为5mm 厚橡胶垫片；方案2 中外侧保温覆盖至窗框仅露出15mm，角钢与基层墙体之间为5mm 厚橡胶垫片；方案3 中外侧保温覆盖至窗框仅露出15mm，角钢与基层墙体之间垫10mm 厚高强度聚氨酯隔热垫片；方案4 中外侧保温覆盖至窗框仅露出15mm，角钢与基层墙体之间垫10mm 厚高强度聚氨酯隔热垫片，角钢与窗框间垫10mm 厚高强度聚氨酯隔热垫片。

图3 窗侧口（上口）节点安装方案

4 模拟计算

本文采用THERM 软件来对窗户的安装方案进行数值模拟。

本文物理模型分别选取窗框及主墙体的一部分建立模型。为了避免玻璃边缘热桥对安装热桥的附加，本研究中将玻璃用一块导热系数为0.035 的板材代替。

本模拟涉及热传导、对流换热、辐射换热。而在THERM 中，导热系数考虑对流换热和辐射换热后，得到一个等效的导热系数λeff，利用等效导热系数进行计算。因此模拟中能量偏微分方程为一个导热方程，如下。

其他边界条件为绝热边界条件。

物理条件和几何条件如下：窗选用常用的被动式塑钢窗；保温层材料为岩棉条，基层墙体为钢筋混凝土墙，岩棉默认厚度取200mm；角钢材料为Q235 钢；模型中其他材料的导热系数以《实用供热空调设计手册》为参照，材料厚度和尺寸取工程中厚度和尺寸。室内外环境参数如下：室外计算温度为-10℃，墙体外表面对流换热系数为23w/(m2•K)；室内计算温度为20℃，墙体内表面对流换热系数为7.6w/(m2•K)。其他物理条件和几何条件见表1[2]。

表1 窗户安装节点材料及其参数

5 安装热桥对比分析

5.1 保温厚度变化对热桥的影响分析

模拟计算结果见表2。

表2 不同保温厚度的热桥系数

由表中可以看出，随着保温层厚度的增加，安装线热桥系数增大，即由热桥而产生的附加传热量增大。

从表2 数据可以看出，在安装方式保持不变、室内外温差相同的条件下，随着墙体保温层厚度的增加，外窗的安装线热桥系数不断升高。换句话说，主墙体平均传热系数越低，热桥附加传热量占比越高。本小节研究表明，在主墙体平均传热系数或墙体性能不同的情况下，外窗安装热桥值本身也会发生变化，附加传热量是不同的。主墙体保温性能越好，同样的节点构造热桥值越大，附加传热量增多。反之亦然。

因此，在对围护结构保温性能要求严苛的被动式低能耗建筑中，断热桥的节点细部设计更为重要，热桥引起的附加传热量的影响更加不容忽视，亟待更精细的考虑在能耗计算当中。

5.1 窗下口结果分析

窗户下口模拟计算结果见图4 和表3：

图4 窗下口方案5 温度场云图

表3 窗下口线热桥系数

从表3 中看出，基础方案的安装热桥系数最高，方案1 至方案5 的安装热桥系数依次减小。实际上，被动式低能耗建筑外窗外侧均应设置窗台板，为了固定窗台板，塑钢窗框下方的延伸型材是很有必要的。如果不设置延伸型材，窗台板只能安装在窗框下方的隔热垫块上，从而增加外保温系统的施工难度。因此，无论是从降低安装热桥的角度，还是从提升外窗的系统性，便于外窗系统与外保温系统的交叉作业施工的角度，基础方案都不能视作为一种优化方案。这也从一个侧面证明了，我国的门窗研发和生产单位，不仅仅应考虑外窗本身性能的提升，更应统筹考虑产品的系统性。

方案1 与基础方案相比，差异仅在于延伸型材，但热桥系数却减小26%，可见具有良好设计延伸型材的安装可以有效降低热桥值。方案2 与方案1 相比，安装线热桥系数减小0.004，表明将窗框延伸型材嵌入洞口以下15mm 这种方式对降低热桥影响仍有一定作用，但影响较小。

与方案1 和2 相比，方案3 和方案4 总体上安装热桥有所下降，说明在窗框下口与角钢之间设置隔热垫片具有积极作用。一方面，角钢能够更好地被包覆在保温层中; 另一方面，能够加大角钢最外端尖角与室外金属窗台板的距离，确保不会出现由于施工误差而造成的金属连通、墙体温度过低的现象。在方案3 和方案4 中，延伸型材与角钢之间分别垫15mm 和30mm 厚隔热垫片后，安装热桥系数相比方案1 分别减小29%、42%，断热桥效果显著。但降低热桥效应的程度与隔热垫片的厚度并非线性相关，随着隔热垫片厚度的增加，热桥值降低的趋势减小。因此, 隔热垫片的厚度选择可综合考虑经济性和实际效果。

方案5 热桥值最小，是被动式低能耗建筑中较好的一种窗户安装方式，将角钢用隔热垫块取代后，热桥系数相比方案1 降低超过65%。

5.2 窗侧口（上口）结果分析

窗侧口和窗上口用保温层材料覆盖窗框来减小热量损失。模拟计算结果见图5 和表4：

从图5 温度云图可以看出，二维传热的热流已不再是单向传递，而是沿着温度降最快的方向，即等温线法线方向。窗框附近的热流整体上不是垂直向外侧流动，而是向左偏下的方向流动。

从表4 中可以看出，侧口（上口）处方案1，当保温层仅覆盖窗框3cm 时，由角钢引起的热桥系数仍处于较高水平。而当保温覆盖至窗框露出15mm 时，方案2 热桥系数相比方案1 减小21%。

图5 窗侧（上）口方案温度云图

表4 窗侧（上）口线热桥系数

方案3 比方案2 热桥系数降低10%，方案4 比方案3 热桥系数降低20%。因此，我们可以推断出这样的结论，同样是10mm 的高强度聚氨酯隔热垫片，放在窗框和角钢之间比放在角钢与基层墙体之间断热桥效果更好。该结论有待进一步研究。

6 结论与展望

由本研究能够看出，窗户的不同安装方式会导致热桥系数的不同，进而造成围护结构传热量的不同。因此，尤其对节能建筑而言，安装节点处热桥的研究极为重要。本研究仅从热桥对传热的影响出发对窗户的一些常见安装做法进行模拟计算，定量的去比较不同窗户节点处热桥值的大小，得出结论。而在实际设计节点时，还应配合考虑经济性和节点安装的难易程度，从多个角度来衡量一个节点的优劣。

鉴于此，本研究结论如下：

（1）外挂式安装相同安装节点随着保温层厚度增加，热桥系数值有所增大，也即热桥附加传热量更多。因此相比于普通建筑，在被动式低能耗建筑中若对窗户节点不加以谨慎处理，热桥危害更大。（2）外挂式安装窗户下口节点处，设计良好的延伸型材能有效减小热桥引起的附加传热；以隔热垫块固定窗户的方式优于文中其他方案；在角钢与窗框之间增加聚氨酯隔热垫片，可以有效减小热桥值，但随着厚度增加，减小热桥值的程度降低；在不改变窗台板和窗框相对位置的情况下，将窗框部分地嵌入保温层对热桥值影响很小。（3）外挂式窗户上口和侧口节点，在窗框外侧覆盖保温的方法，能使热桥系数明显降低；在窗框型材和角钢之间或角钢与基层墙体之间垫10mm 高强度聚氨酯隔热垫片可有效降低热桥对建筑的影响，其中窗框型材和角钢之间隔热垫片的作用可能大于角钢与基层墙体之间隔热垫片的作用，有待进一步研究。

国际标准ISO-10211 中已有关于热桥数值模拟的一系列理论和方法，而我国在这一方面稍有欠缺。在热桥理论研究的基础上，本研究认为可在有条件的情况下更多地进行细部节点的热桥模拟实践后，最终确立一套符合我国国情的热桥和结露标准化工程数值计算方法。

参考文献

[1] 河北省住房和城乡建设厅发布. 被动式低能耗居住建筑节能设计标准DB13(J)/T177-2015[M]. 中国建筑工业出版社, 2015.

[2] 陆耀庆. 实用供热空调设计手册[M]. 中国建筑工业出版社, 1993.

 作者

北京康居认证中心 陈秉学 郝生鑫 曹恒瑞

北京建筑大学环境与能源工程学院  陈旭