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【模拟研究】内置保温在严寒寒冷地区被动房上的实施方案2022-09-22 07:19来源：建筑环境与能源应用分会作者：河北建研科技有限公司 田靖 刘少亮，河北建研工程技术有限公司 崔佳豪
 图1 结构挑板（外侧无保温）构造模型 在建筑能耗中，外围护结构的热损耗占较大比重，开发和应用外墙保温技术不仅能实现建筑节能，还能提高建筑的耐久性和舒适性。被动式超低能耗建筑正是很好地采用了高效保温隔热的围护结构系统实现了降低能源消耗、提供舒适室内环境的目的。近些年在外墙外保温实践中，有不少工程因对风荷载影响考虑不周，造成保温层大面积开裂、脱落或装饰构件脱落，外墙保温系统的安全耐久、防火、防水等问题成为社会关注的热点。尤其是被动式超低能耗建筑，由于保温层较厚（一般在200mm～300mm），且多为粘锚薄抹灰外保温系统，更是成为业界讨论的焦点。目前部分学者提出应考虑采用内置保温系统。由于被动式超低能耗建筑外墙保温较厚，应有明确的重力荷载传力路径，宜每层设置有效承托，并采取防火、断热桥和气密处理措施；对内置保温系统，应设置与主体可靠连接的承托措施，但若将楼层结构受力挑板与外侧防护层进行拉结又会形成较明显的热桥，为此，应进行热桥计算、防结露验算并对能耗影响进行分析研究。 1 热桥值和内表面温度 1.1 结构挑板外侧无保温 采用Flixo热桥计算软件进行线性热桥值和内表面温度模拟，结构挑板（外侧无保温）部位构造模型如图1所示。结构形式为钢筋混凝土剪力墙，中间保温层厚240mm，外侧防护层为50mm厚细石混凝土，楼板和结构挑板均为120mm厚，模型高度为2.2m，楼板基本居中。由于热桥计算软件无法考虑系统修正系数，故本模拟仅考虑保温材料修正系数（石墨聚苯板热导率为0.030W/(m·K)，修正系数为1.05），线性热桥值模拟结果如图2所示。
图2 线性热桥构造示意
式中：Km为围护结构单元的平均传热系数[W/(㎡·K)]；K为围护结构平壁的传热系数[W/(㎡·K)]； 按建筑层高3m计算，结构挑板（外侧无保温）这一热桥部位产生的传热系数附加值为0.153W/(㎡·K)。根据DB13（J）/T 273—2018《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》和DB13（J）/T 263—2018《被动式超低能耗公共建筑节能设计标准》，外墙平均传热系数限值与结构挑板（外侧无保温）热桥部位产生的传热系数附加值数值相当，可见内置保温系统结构挑板（外侧无保温）对被动式超低能耗建筑的影响不容忽视。 考虑到严寒地区实际项目的适用性，内表面温度模拟时室外环境温度取-20℃，室内环境取20℃，模拟结果如图3所示。
图3 内表面温度分布 当室内温度20℃、相对湿度60％时，露点温度为11.9℃；当室内温度提升至22℃、相对湿度不变，露点温度为13.7℃；室内温度提升至24℃、相对湿度60％时，露点温度为15.6℃。当层间结构挑板热桥部位室内空间无遮挡物时，热桥周边室内温度20℃、相对湿度60％时室内侧均不结露；当室内温度在22℃或更高时有结露风险。当层间结构挑板热桥部位存在遮挡物而导致室内温度场分布不均时也有结露风险，但此种情形受风口布置、送风温度、室内家具、装饰布局等多种因素综合影响，温度场、湿度场情形复杂，当前软件无法做具体考虑。 1.2 结构挑板外侧有保温 将图1模型进行优化，结构挑板外侧粘贴保温层以削弱热桥，优化方案为在结构挑板外侧粘贴30mm厚石墨聚苯板、50mm厚石墨聚苯板、20mm厚真空绝热板且板上及板下均延伸不同尺寸（图4），具体参数见表1。
图4 优化外贴保温模型
表1 优化处理模型参数 mm 针对图2和表1的模型采用Flixo软件分别进行计算，优化处理后的热桥部位均按室外环境温度–20℃、室内温度20℃模拟，结果见表2。整理计算结果，以折线图表示（图5）。
表2 挑板外侧粘贴保温不同优化方案的线性热桥值及内表面最低温度
图5 层间结构挑板不同处理方式下线性热桥值及内表面最低温度 由于层间结构挑板热桥部位线性热桥值较大，本优化均采用保温效果较好的材料进行处理，本模拟仅考虑热桥值的降低，从计算结果（表2和图5）看，增加热桥部位外表面的保温性能和延长保温高度均对线性热桥值的降低有较明显作用；且随保温高度增加，外贴保温厚度，或改用更好的保温材料，对线性热桥值的降低越显著。 考虑项目的实际可行性，在防护层外侧粘贴保温材料违背了采用“建筑保温与结构一体化”的初衷，对保温系统整体的安全耐久和整体效果均有巨大影响，在项目实际开展过程中应慎重考虑。 1.3 结构挑板厚度 在本文1.1和1.2节中，热桥计算均建立在层间结构受力挑板120mm厚的基础上，而实际上结构可实现不同的挑板厚度，现通过Flixo热桥计算软件研究结构挑板厚度对线性热桥值的影响。 将图1模型进行优化，减小结构受力挑板厚度以削弱热桥，优化方案为：结构挑板外侧无保温，挑板厚度分别为60,70,80,90,100,110（mm），优化处理后的热桥部位内表面温度均按室内温度20℃模拟，模拟结果见表3。
表3 结构挑板不同厚度优化方案的线性热桥值及内表面最低温度 从表3可知，随层间结构受力挑板厚度减小，该热桥部位产生的线性热桥值逐渐降低，同时内表面最低温度逐渐升高。在实际项目中，可考虑通过降低层间结构受力挑板的厚度来降低这一热桥部位对建筑能耗和室内环境的影响。 2 建筑供暖年耗热量及供冷年耗冷量 在DB13（J）/T 273—2018《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》条文说明5.3.3中，明确“线热桥、点热桥在能耗计算部分进行考虑”。前面研究表明，内置保温系统层间结构受力挑板热桥部位产生的传热系数附加值对围护结构热工影响较大，会对被动式超低能耗建筑的能耗产生很大影响。 2.1 能耗模拟 本文选取河北省某典型高层居住建筑项目，采用DeST能耗模拟软件，以DB13（J）/T 273—2018《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》能效指标为基准，设定几个外墙传热系数分别进行能耗模拟计算。建筑类型为高层居住建筑，总建筑面积9326.81㎡。地下1层，层高为5.40m，建筑面积743.58㎡，主要功能为储藏间；地上17层，建筑面积8583.23㎡，主要功能为住宅，每层4户，共68户，建筑高度为53.30m，结构形式为剪力墙结构。 采用寒冷B区气象条件（饶阳），室内环境参数包括供热、供冷时间，人员密度、人员在室率，家电功率密度、电器设备开启率，照明功率密度、照明开启率，通风系统等均按DB13（J）/T 273—2018《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》相关要求设置。模拟结果见表4。
表4 寒冷B区建筑供暖年耗热量及供冷年耗冷量计算结果 kWh/(㎡·a) 由表4可见，当外墙传热系数为0.22kWh/(㎡·a)时，供暖年耗热量及供冷年耗冷量均在DB13（J）/T 273—2018《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》限值范围内；当外墙传热系数为0.28kWh/(㎡·a)及以上时，供暖年耗热量均超标准限值要求；供冷年耗冷量有增有减，但总体上不明显。因外墙传热系数对供暖年耗热量影响较大，故将外墙传热系数0.22W/(㎡·K)的情形按寒冷A区（承德）的气候条件进行模拟，其结果见表5。
表5 寒冷A区供暖年耗热量及供冷年耗冷量 kWh/(㎡·a) 由表5可见，在寒冷A区（承德），当外墙传热系数为0.22W/(㎡·a)时，供暖年耗热量达到20.47kWh/(㎡·a)，超出了DB13（J）/T 273—2018《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》规定的限值，严寒C区更是超过了标准限值。 2.2 内置保温系统保温厚度 由上节模拟计算结果可知，当能耗模拟计算时采用外墙平均传热系数K为=0.22W/(㎡·a)左右，建筑能效指标基本可以满足DB13（J）/T 273—2018《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》规定的限值要求。 现以外墙平均传热系数为K≤0.22W/(㎡·a)核算内置保温系统保温材料（石墨聚苯板）的厚度。根据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》中3.4.1,3.4.2,3.4.4,3.4.5,3.4.6可得到以下公式： 外墙平均传热系数=围护结构平壁的传热系数×系统修正系数+建筑整体线性热桥产生的传热系数附加值+结构挑板热桥部位产生的传热系数附加值 （2） 根据JGJ/T 451—2018《内置保温现浇混凝土复合剪力墙技术标准》，复合剪力墙保温层材料的热导率及蓄热修正系数的综合修正系数宜取1.3；复合剪力墙上悬挑构件应进行二次保温处理，并应进行冷凝验算，且应按结构性热桥计入外墙平均传热系数。由于内置保温各系统构造的连接件、斜腹丝规格和数量均不同，且主体部位传热系数降低后热桥对整体传热影响更为显著。因此，本文计算依据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》，并参考JGJ/T 451—2018《内置保温现浇混凝土复合剪力墙技术标准》，将石墨聚苯板热导率修正系数按1.05计，内置保温系统修正系数取1.2。此外，由被动式超低能耗建筑实际项目热桥计算经验可知，建筑整体线性热桥产生的传热系数附加值按0.03W/(㎡·a)计。则：围护结构平壁的传热系数×1.2+0.03+结构挑板热桥部位产生的传热系数附加值≤0.22。 以上公式存在两个变量，一个是保温材料（石墨聚苯板）的厚度，另一个是结构挑板热桥部位产生的传热系数附加值。这两个变量是互相关联的，通过假定保温材料（石墨聚苯板）厚度这一变量，采用Flixo软件计算结构挑板热桥部位产生的传热系数附加值，研究在严寒寒冷地区被动式超低能耗建筑外墙保温系统应用内置保温系统的可行性方案。 考虑现有技术实施的难度，内置保温系统保温材料（石墨聚苯板，热导率按0.030W/(m·K)计）的厚度在240mm～300mm之间取值，代入式（2）分别计算得到内置保温系统石墨聚苯板厚度为240，250，260,270,280,290,300（mm）时，结构挑板热桥部位产生的传热系数附加值最大分别为0.0388,0.0448,0.0496,0.0544,0.0592,0.0640,0.0676[W/(㎡·a)]。 根据1.3节的研究结果，层间结构受力挑板厚度按60mm设定；由1.1节和1.2节计算结果可考虑在结构挑板外侧粘贴保温板并上下延伸不同尺寸。从采用Flixo热桥计算软件模拟得到的结果可知，内置保温系统石墨聚苯板厚度增加，层间结构受力挑板外贴20mm厚真空绝热板且板上下各延伸500mm的热桥部位线性热桥值几乎无变化，仅内表面最低温度稍有增加。 按建筑层高3m计算，根据式（1）得到结构挑板（外侧粘贴保温不同的优化方案）这一热桥部位产生的传热系数附加值。由前述研究计算可知，当内置保温系统石墨聚苯板厚度为240mm时，层间结构受力挑板外侧粘贴保温板且板上下各延伸不同尺寸的方案均无法达到能耗模拟计算时外墙平均传热系数 3 结论 本文采用数值计算的方法针对内置保温系统在严寒寒冷地区被动式超低能耗建筑作为外墙保温系统应用的实施方案进行模拟研究，得到结论如下。 （1）层间结构受力挑板（外侧无保温）这一热桥部位产生的传热系数附加值较大，且内表面温度较低、有结露风险。 （2）增加层间结构受力挑板这一热桥部位外表面的保温性能和延长保温高度，均对线性热桥值的降低有较明显作用；且保温高度越增加，外贴保温层的厚度（或使用更好的保温材料）对线性热桥值的降低越显著，但从安全耐久角度出发应慎重考虑。 （3）层间结构受力挑板的厚度对线性热桥值和内表面温度影响显著。挑板厚度减小，其产生的线性热桥值逐渐降低，同时内表面温度逐渐升高。 （4）内置保温系统石墨聚苯板厚度增加，层间结构受力挑板外贴20mm厚真空绝热板且板上、板下延伸500mm，这一热桥部位的线性热桥值几乎无变化，仅内表面最低温度稍有增加。 （5）当内置保温系统石墨聚苯板厚度为240mm时，层间结构受力挑板外侧粘贴保温板且板上、板下延伸不同尺寸的方案均无法满足DB13（J）/T 273—2018《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》规定的能效指标要求；当内置保温系统石墨聚苯板厚度为250mm～300mm时，可通过增加层间结构受力挑板这一热桥部位外表面的保温性能和延长保温高度、减小结构挑板厚度的方案实现被动式超低能耗建筑标准中的能效指标要求。 上一篇： 上海市奉贤区水乐路幼儿园
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