超低能耗建筑中的幕墙连接结构传热分析及优化探索

海马（郑州）房地产有限公司

李殿起 魏梦举

超低能耗建筑设计过程中，为了增强外立面效果，外饰面常采用幕墙系统，幕墙系统与主体的连接结构通常由导热系数较大的金属材质组成，有产生热桥的风险[1]，本文以幕墙干挂系统的连接结构（以下简称“连接结构”）为研究对象，研究该连接结构对超低能耗建筑外墙传热量的影响，并提出合理的优化建议，为后期超低能耗建筑的断热桥设计提供参考。

连接结构由哈芬槽式预埋件、转接件、螺栓组组成。其组合关系，如图1所示。哈芬槽式预埋件（长300mm）固定在结构梁或柱中，转接件（360×100×8mm）通过螺栓组固定在槽式预埋件中，由转接件通过主次龙骨支撑整个幕墙干挂体系。由图1可以看出，槽式预埋件、螺栓组及大部分转接件被岩棉保温层包裹，保温层外的部分转接件和主龙骨裸露于空气夹层中，而空气夹层与室外空气连通，也就是说干挂体系的主龙骨及部分连接件处在室外环境中。

图1连接结构示意图

1数值模拟

1.1几何模型

为便于模拟分析，建立一个模型单元，模型单元选用安装有连接结构的典型墙体，墙体规格为

1750×1450（长×宽，mm），模型单元的几何形状，如2图~图4所示。

图2模型单元平面图

图3模型单元剖面图（a-a）

图4模型单元三维模型示意图

为便于计算，该模型进行如下简化处理：

（1）转接件与主龙骨连接处接触面积较小且已采用高强度聚氨酯垫片进行断热处理，本次模拟忽略主龙骨对转接件的传热影响，模拟范围不包含主龙骨。

（2）墙体内表面的抹灰层厚度较小，对围护结构总热阻影响不大，本次模拟忽略抹灰层的影响，墙体按200mm厚加气混凝土外墙+250mm厚岩棉进行考虑。

1.2基本假设

本模拟主要了解该连接结构的传热量及温度分布，为简化计算，对模拟计算作以下假设：

（1）物体是均匀连续的，即整个物体的体积都被组成这个物体的介质所填满，忽略层间热阻；

（2）不考虑模型单元与周边环境的辐射传热；

（3）不考虑模型单元之间及与周边环境之间的传湿传质；

（4）材料的热物性不随温度变化，本模拟所涉及材料热物性参数，见表1。

表1各材质热物性参数表

1.3基本方程及计算参数

基于上述假设，根据傅里叶定律和热力学第一定律，建立起温度场的通用微分方程[2]：

式中，λ为导热系数，ρ为材料密度，c为材料的比容。

对围护结构内/外表面采用第三类边界条件，设室内/外空气温度为Tin/Tout，室内空气与围护结构内/外表面对流换热系数为hin/hout，围护结构内/外表面温度为Ti/To，围护结构内/外表面与室内空气的对流热交换量可表达为：

根据《民用建筑热工设计规范》中规定，本文模拟中内表面换热系数hin为8.72W/(m2•k)，外表面换热系数hout为23.26W/(m2•k)。

本模拟室内空气温度Tin为18℃，室外空气温度Tout为-6℃（参考郑州地区冬季空调室外计算温度）。对模型进行网格离散，并对网格无关性进行检验。

2模拟结果

2.1连接结构对外墙体传热量的影响

连接结构对围护结构传热量的影响，主要通过对模型单元有连接结构和无连接结构两种工况的模拟计算，传热量的差值大小可代表连接结构对墙体传热影响大小。

依据模拟计算后的温度云图（图5、图6）可知，外墙上有连接结构的区域，其保温连续性被破坏、热桥明显。转接件裸露部分热流云图发现，转接件裸露部分局部热流达到78W/m2，散热较快。观察表2发现，连接结构存在导致围护结构总散热量增加，单个连接结构导致的传热量增量为1.726W。转接件裸露部分散热量占总散热量增量的94.5%。

图5沿连接结构横纵截面温度分布云图（单位：K）

图6转接件裸露部分热流分布云图（单位：W/m2）

表2外墙上有无连接结构的散热量对比表

2.2连接结构对外墙体传热影响范围的分析

针对连接结构对周边墙体传热影响范围，仍采用对模型单元的模拟计算方式进行分析，在不同范围内对比有无连接结构的两种外墙形式，其散热量差值代表连接结构对外墙体的。

对模型单元的墙体外表面进行分区。模型单元的外墙分区示意图，如图7所示。各分区域散热量对比，见表3。可知，连接结构仅在Wall1区域（750×450mm）散热量增加，传热效果增强，即连接结构产生的热桥仅对以转接件为中心的长750mm、高450mm范围有所影响。

图7模型单元的外表面分区图

表3不同区域散热量对比表

3优化措施

经过模拟可知，连接结构中的转接件，其裸露部分温度较高导致热流较大，局部热流达到78W/m2，散热较快，连接件裸露部分散热量占总散热量增量的94.5%，通过对连接件的裸露部分进行保温处理以减少其散热量，可有效降低热桥对外围护结构的影响，做法如图8所示。另外，预埋件与转接件均为金属材质，传热较快，利用高强度聚氨酯进行断热处理。

以下尝试在原模拟模型的基础上，采取如下措施对连接形式进行优化，并进一步模拟计算以分析措施的可行性：

（1）预埋件与连接件之间增设10mm厚高强度聚氨酯隔热垫片；

（2）对转接件裸露部分增设岩棉保温，但对裸露部分的保温层的厚度，需进行模拟计算分析确定。

由于预埋件与连接件之间的安装空隙有限，隔热垫片的厚度保持不变，按10mm厚计算。模拟计算分析主要以对裸露部分附加10mm、20mm、30mm厚的岩棉保温进行包裹为计算条件，模拟分析其传热量的变化。模拟结果对比，见表4。

图8拟采取保温断热措施示意图

表4不同保温隔热措施效果对比

模拟计算结果可知，对连接件裸露部分的保温包裹10mm厚时，散热量降低明显；包裹厚度由10mm增至20mm厚时，散热量减少效果次之；包裹厚度由20mm增至30mm厚时，散热量减少效果有限，故对裸露的连接件进行包裹建议采用20mm厚的保温层。其散热量较不采取措施时的减少45.9%，每个连接件产生的散热量增量为0.933W。

4结论

经过对干挂幕墙体系的连接结构模拟计算分析及优化措施模拟计算，得出以下结论：

（1）超低能耗建筑中，干挂幕墙体系的连接结构在外墙上热桥明显，每个连接结构的传热量增量为1.726W，在超低能耗建筑设计中，应对此区域增加断热措施。

（2）连接结构导致的传热增强主要由裸露在空气中的部分金属构件导致，对其进行保温包裹可有效降低传热增量，当连接结构裸露部分采用20mm厚保温材料包裹时，其散热量较不采取措施时减少45.9%，每个连接结构产生的散热量增量减少至0.933W。

（3）在超低能耗建筑设计中，可结合项目的总能耗控制目标和连接结构的使用数量对每个连接结构的断热措施进行调整。

本文探讨的重点在超低能耗建筑设计中，对一种典型干挂幕墙体系中的连接结构，其对外墙传热的热桥分析及优化措施。对于其他连接结构或使用不同材质的组合形式，其热桥影响将做进一步研究分析。

作者简介

李殿起，1980年生，男，河南郑州人，海马（郑州）房地产有限公司绿建研发负责人。研究方向为建筑节能与室内环境控制。

魏梦举，1991年生，女，河南郑州人，海马（郑州）房地产有限公司工程师，研究方向为超低能耗建筑技术应用。