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【模擬研究】內置保溫在嚴寒寒冷地區被動房上的實施方案

來源:建筑環境與能源應用分會作者:河北建研科技有限公司  田靖  劉少亮,河北建研工程技術有限公司  崔佳豪
文章附圖


圖1   結構挑板(外側無保溫)構造模型




在建筑能耗中,外圍護結構的熱損耗占較大比重,開發和應用外墻保溫技術不僅能實現建筑節能,還能提高建筑的耐久性和舒適性。被動式超低能耗建筑正是很好地采用了高效保溫隔熱的圍護結構系統實現了降低能源消耗、提供舒適室內環境的目的。近些年在外墻外保溫實踐中,有不少工程因對風荷載影響考慮不周,造成保溫層大面積開裂、脫落或裝飾構件脫落,外墻保溫系統的安全耐久、防火、防水等問題成為社會關注的熱點。尤其是被動式超低能耗建筑,由于保溫層較厚(一般在200mm~300mm),且多為粘錨薄抹灰外保溫系統,更是成為業界討論的焦點。目前部分學者提出應考慮采用內置保溫系統。由于被動式超低能耗建筑外墻保溫較厚,應有明確的重力荷載傳力路徑,宜每層設置有效承托,并采取防火、斷熱橋和氣密處理措施;對內置保溫系統,應設置與主體可靠連接的承托措施,但若將樓層結構受力挑板與外側防護層進行拉結又會形成較明顯的熱橋,為此,應進行熱橋計算、防結露驗算并對能耗影響進行分析研究。


1 熱橋值和內表面溫度


1.1   結構挑板外側無保溫

采用Flixo熱橋計算軟件進行線性熱橋值和內表面溫度模擬,結構挑板(外側無保溫)部位構造模型如圖1所示。結構形式為鋼筋混凝土剪力墻,中間保溫層厚240mm,外側防護層為50mm厚細石混凝土,樓板和結構挑板均為120mm厚,模型高度為2.2m,樓板基本居中。由于熱橋計算軟件無法考慮系統修正系數,故本模擬僅考慮保溫材料修正系數(石墨聚苯板熱導率為0.030W/(m·K),修正系數為1.05),線性熱橋值模擬結果如圖2所示。


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圖2   線性熱橋構造示意

根據圖2可知,圖1結構挑板(外側無保溫)構造的線性熱橋值為0.459W/(m·K),這一熱橋對外墻熱工的影響可通過公式(1)計算得到:

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式中:Km為圍護結構單元的平均傳熱系數[W/(·K)];K為圍護結構平壁的傳熱系數[W/(·K)];圖片為圍護結構上的第j個結構性熱橋的線傳熱系數[W/(m·K)];l為圍護結構第j個結構性熱橋的計算長度(m);A為圍護結構的面積()。

按建筑層高3m計算,結構挑板(外側無保溫)這一熱橋部位產生的傳熱系數附加值為0.153W/(·K)。根據DB13(J)/T 273—2018《被動式超低能耗居住建筑節能設計標準》和DB13(J)/T 263—2018《被動式超低能耗公共建筑節能設計標準》,外墻平均傳熱系數限值與結構挑板(外側無保溫)熱橋部位產生的傳熱系數附加值數值相當,可見內置保溫系統結構挑板(外側無保溫)對被動式超低能耗建筑的影響不容忽視。

考慮到嚴寒地區實際項目的適用性,內表面溫度模擬時室外環境溫度取-20℃,室內環境取20℃,模擬結果如圖3所示。


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圖3   內表面溫度分布

當室內溫度20℃、相對濕度60%時,露點溫度為11.9℃;當室內溫度提升至22℃、相對濕度不變,露點溫度為13.7℃;室內溫度提升至24℃、相對濕度60%時,露點溫度為15.6℃。當層間結構挑板熱橋部位室內空間無遮擋物時,熱橋周邊室內溫度20℃、相對濕度60%時室內側均不結露;當室內溫度在22℃或更高時有結露風險。當層間結構挑板熱橋部位存在遮擋物而導致室內溫度場分布不均時也有結露風險,但此種情形受風口布置、送風溫度、室內家具、裝飾布局等多種因素綜合影響,溫度場、濕度場情形復雜,當前軟件無法做具體考慮。


1.2   結構挑板外側有保溫

將圖1模型進行優化,結構挑板外側粘貼保溫層以削弱熱橋,優化方案為在結構挑板外側粘貼30mm厚石墨聚苯板、50mm厚石墨聚苯板、20mm厚真空絕熱板且板上及板下均延伸不同尺寸(圖4),具體參數見表1。


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圖4   優化外貼保溫模型




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表1 優化處理模型參數 mm

針對圖2和表1的模型采用Flixo軟件分別進行計算,優化處理后的熱橋部位均按室外環境溫度–20℃、室內溫度20℃模擬,結果見表2。整理計算結果,以折線圖表示(圖5)。


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表2   挑板外側粘貼保溫不同優化方案的線性熱橋值及內表面最低溫度



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圖5   層間結構挑板不同處理方式下線性熱橋值及內表面最低溫度


由于層間結構挑板熱橋部位線性熱橋值較大,本優化均采用保溫效果較好的材料進行處理,本模擬僅考慮熱橋值的降低,從計算結果(表2和圖5)看,增加熱橋部位外表面的保溫性能和延長保溫高度均對線性熱橋值的降低有較明顯作用;且隨保溫高度增加,外貼保溫厚度,或改用更好的保溫材料,對線性熱橋值的降低越顯著。

考慮項目的實際可行性,在防護層外側粘貼保溫材料違背了采用“建筑保溫與結構一體化”的初衷,對保溫系統整體的安全耐久和整體效果均有巨大影響,在項目實際開展過程中應慎重考慮。


1.3   結構挑板厚度

在本文1.1和1.2節中,熱橋計算均建立在層間結構受力挑板120mm厚的基礎上,而實際上結構可實現不同的挑板厚度,現通過Flixo熱橋計算軟件研究結構挑板厚度對線性熱橋值的影響。

將圖1模型進行優化,減小結構受力挑板厚度以削弱熱橋,優化方案為:結構挑板外側無保溫,挑板厚度分別為60,70,80,90,100,110(mm),優化處理后的熱橋部位內表面溫度均按室內溫度20℃模擬,模擬結果見表3。


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3 結構挑板不同厚度優化方案的線性熱橋值及內表面最低溫


從表3可知,隨層間結構受力挑板厚度減小,該熱橋部位產生的線性熱橋值逐漸降低,同時內表面最低溫度逐漸升高。在實際項目中,可考慮通過降低層間結構受力挑板的厚度來降低這一熱橋部位對建筑能耗和室內環境的影響。


2 建筑供暖年耗熱量及供冷年耗冷量


在DB13(J)/T 273—2018《被動式超低能耗居住建筑節能設計標準》條文說明5.3.3中,明確“線熱橋、點熱橋在能耗計算部分進行考慮”。前面研究表明,內置保溫系統層間結構受力挑板熱橋部位產生的傳熱系數附加值對圍護結構熱工影響較大,會對被動式超低能耗建筑的能耗產生很大影響。


2.1   能耗模擬

本文選取河北省某典型高層居住建筑項目,采用DeST能耗模擬軟件,以DB13(J)/T 273—2018《被動式超低能耗居住建筑節能設計標準》能效指標為基準,設定幾個外墻傳熱系數分別進行能耗模擬計算。建筑類型為高層居住建筑,總建筑面積9326.81。地下1層,層高為5.40m,建筑面積743.58,主要功能為儲藏間;地上17層,建筑面積8583.23,主要功能為住宅,每層4戶,共68戶,建筑高度為53.30m,結構形式為剪力墻結構。

采用寒冷B區氣象條件(饒陽),室內環境參數包括供熱、供冷時間,人員密度、人員在室率,家電功率密度、電器設備開啟率,照明功率密度、照明開啟率,通風系統等均按DB13(J)/T 273—2018《被動式超低能耗居住建筑節能設計標準》相關要求設置。模擬結果見表4。

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表4   寒冷B區建筑供暖年耗熱量及供冷年耗冷量計算結果 kWh/(·a)


由表4可見,當外墻傳熱系數為0.22kWh/(·a)時,供暖年耗熱量及供冷年耗冷量均在DB13(J)/T 273—2018《被動式超低能耗居住建筑節能設計標準》限值范圍內;當外墻傳熱系數為0.28kWh/(·a)及以上時,供暖年耗熱量均超標準限值要求;供冷年耗冷量有增有減,但總體上不明顯。因外墻傳熱系數對供暖年耗熱量影響較大,故將外墻傳熱系數0.22W/(·K)的情形按寒冷A區(承德)的氣候條件進行模擬,其結果見表5。


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表5   寒冷A區供暖年耗熱量及供冷年耗冷量 kWh/(·a)


由表5可見,在寒冷A區(承德),當外墻傳熱系數為0.22W/(·a)時,供暖年耗熱量達到20.47kWh/(·a),超出了DB13(J)/T 273—2018《被動式超低能耗居住建筑節能設計標準》規定的限值,嚴寒C區更是超過了標準限值。


2.2   內置保溫系統保溫厚度

由上節模擬計算結果可知,當能耗模擬計算時采用外墻平均傳熱系數K為=0.22W/(·a)左右,建筑能效指標基本可以滿足DB13(J)/T 273—2018《被動式超低能耗居住建筑節能設計標準》規定的限值要求。

現以外墻平均傳熱系數為K≤0.22W/(·a)核算內置保溫系統保溫材料(石墨聚苯板)的厚度。根據GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規范》中3.4.1,3.4.2,3.4.4,3.4.5,3.4.6可得到以下公式:

外墻平均傳熱系數=圍護結構平壁的傳熱系數×系統修正系數+建筑整體線性熱橋產生的傳熱系數附加值+結構挑板熱橋部位產生的傳熱系數附加值   (2)

根據JGJ/T 451—2018《內置保溫現澆混凝土復合剪力墻技術標準》,復合剪力墻保溫層材料的熱導率及蓄熱修正系數的綜合修正系數宜取1.3;復合剪力墻上懸挑構件應進行二次保溫處理,并應進行冷凝驗算,且應按結構性熱橋計入外墻平均傳熱系數。由于內置保溫各系統構造的連接件、斜腹絲規格和數量均不同,且主體部位傳熱系數降低后熱橋對整體傳熱影響更為顯著。因此,本文計算依據GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規范》,并參考JGJ/T 451—2018《內置保溫現澆混凝土復合剪力墻技術標準》,將石墨聚苯板熱導率修正系數按1.05計,內置保溫系統修正系數取1.2。此外,由被動式超低能耗建筑實際項目熱橋計算經驗可知,建筑整體線性熱橋產生的傳熱系數附加值按0.03W/(·a)計。則:圍護結構平壁的傳熱系數×1.2+0.03+結構挑板熱橋部位產生的傳熱系數附加值≤0.22。

以上公式存在兩個變量,一個是保溫材料(石墨聚苯板)的厚度,另一個是結構挑板熱橋部位產生的傳熱系數附加值。這兩個變量是互相關聯的,通過假定保溫材料(石墨聚苯板)厚度這一變量,采用Flixo軟件計算結構挑板熱橋部位產生的傳熱系數附加值,研究在嚴寒寒冷地區被動式超低能耗建筑外墻保溫系統應用內置保溫系統的可行性方案。

考慮現有技術實施的難度,內置保溫系統保溫材料(石墨聚苯板,熱導率按0.030W/(m·K)計)的厚度在240mm~300mm之間取值,代入式(2)分別計算得到內置保溫系統石墨聚苯板厚度為240,250,260,270,280,290,300(mm)時,結構挑板熱橋部位產生的傳熱系數附加值最大分別為0.0388,0.0448,0.0496,0.0544,0.0592,0.0640,0.0676[W/(·a)]。

根據1.3節的研究結果,層間結構受力挑板厚度按60mm設定;由1.1節和1.2節計算結果可考慮在結構挑板外側粘貼保溫板并上下延伸不同尺寸。從采用Flixo熱橋計算軟件模擬得到的結果可知,內置保溫系統石墨聚苯板厚度增加,層間結構受力挑板外貼20mm厚真空絕熱板且板上下各延伸500mm的熱橋部位線性熱橋值幾乎無變化,僅內表面最低溫度稍有增加。

按建筑層高3m計算,根據式(1)得到結構挑板(外側粘貼保溫不同的優化方案)這一熱橋部位產生的傳熱系數附加值。由前述研究計算可知,當內置保溫系統石墨聚苯板厚度為240mm時,層間結構受力挑板外側粘貼保溫板且板上下各延伸不同尺寸的方案均無法達到能耗模擬計算時外墻平均傳熱系數圖片≤0.22W/(·a);當內置保溫系統石墨聚苯板厚度為250mm時,層間結構受力挑板外側粘貼20mm厚真空絕熱板且板上下各延伸500mm高的方案可滿足能耗模擬計算時外墻平均傳熱系數圖片≤0.22W/(·a);當內置保溫系統石墨聚苯板厚度為260mm時,層間結構受力挑板外側粘貼50mm厚石墨聚苯板且板上下各延伸500mm高、層間結構受力挑板外側粘貼20mm厚真空絕熱板且板上下各延伸400mm,500mm高的方案均可滿足能耗模擬計算時外墻平均傳熱系數圖片≤0.22W/(·a);當內置保溫系統石墨聚苯板厚度為270mm時,層間結構受力挑板外側粘貼30mm厚石墨聚苯板且板上下各延伸500mm高、層間結構受力挑板外側粘貼50mm厚石墨聚苯板且板上下各延伸400mm,500mm高、層間結構受力挑板外側粘貼20mm厚真空絕熱板且板上下各延伸300mm,400mm,500mm高的方案均可滿足能耗模擬計算時外墻平均傳熱系數圖片≤0.22W/(·a);當內置保溫系統石墨聚苯板厚度為280mm時,層間結構受力挑板外側粘貼30mm厚和50mm厚石墨聚苯板且板上下各延伸300mm,400mm,500mm高、層間結構受力挑板外側粘貼20mm厚真空絕熱板且板上下各延伸300mm,400mm,500mm高的方案均可滿足能耗模擬計算時外墻平均傳熱系數圖片≤0.22W/(·a);當內置保溫系統石墨聚苯板厚度為290mm時,層間結構受力挑板外側粘貼30mm厚和50mm厚石墨聚苯板且板上下各延伸200mm,300mm,400mm,500mm高、層間結構受力挑板外側粘貼20mm厚真空絕熱板且板上下各延伸200mm,300mm,400mm,500mm高的方案均可滿足能耗模擬計算時外墻平均傳熱系數圖片≤0.22W/(·a);當內置保溫系統石墨聚苯板厚度為300mm時,層間結構受力挑板外側粘貼30mm厚和50mm厚石墨聚苯板且板上下各延伸100mm,200mm,300mm,400mm,500mm高、層間結構受力挑板外側粘貼20mm厚真空絕熱板且板上下各延伸100mm,200mm,300mm,400mm,500mm高的方案均可滿足能耗模擬計算時外墻平均傳熱系數圖片≤0.22W/(·a)。


3 結論


本文采用數值計算的方法針對內置保溫系統在嚴寒寒冷地區被動式超低能耗建筑作為外墻保溫系統應用的實施方案進行模擬研究,得到結論如下。

(1)層間結構受力挑板(外側無保溫)這一熱橋部位產生的傳熱系數附加值較大,且內表面溫度較低、有結露風險。

(2)增加層間結構受力挑板這一熱橋部位外表面的保溫性能和延長保溫高度,均對線性熱橋值的降低有較明顯作用;且保溫高度越增加,外貼保溫層的厚度(或使用更好的保溫材料)對線性熱橋值的降低越顯著,但從安全耐久角度出發應慎重考慮。

(3)層間結構受力挑板的厚度對線性熱橋值和內表面溫度影響顯著。挑板厚度減小,其產生的線性熱橋值逐漸降低,同時內表面溫度逐漸升高。

(4)內置保溫系統石墨聚苯板厚度增加,層間結構受力挑板外貼20mm厚真空絕熱板且板上、板下延伸500mm,這一熱橋部位的線性熱橋值幾乎無變化,僅內表面最低溫度稍有增加。

(5)當內置保溫系統石墨聚苯板厚度為240mm時,層間結構受力挑板外側粘貼保溫板且板上、板下延伸不同尺寸的方案均無法滿足DB13(J)/T 273—2018《被動式超低能耗居住建筑節能設計標準》規定的能效指標要求;當內置保溫系統石墨聚苯板厚度為250mm~300mm時,可通過增加層間結構受力挑板這一熱橋部位外表面的保溫性能和延長保溫高度、減小結構挑板厚度的方案實現被動式超低能耗建筑標準中的能效指標要求。

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