PHI被動(dòng)房的無(wú)熱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)不僅由可以視作平面的、可無(wú)限伸展的墻體和屋面組成。還有許多邊角、接頭和穿透口。在所有這些位置，實(shí)際熱損失都可能髙于標(biāo)準(zhǔn)熱損失Q_實(shí)際≥Q_{標(biāo)準(zhǔn)}＝Σ_iU_i*A_i*??。在這些位置增加的熱損失部分被稱(chēng)為熱橋效應(yīng)。
   根據(jù)后面闡述的基本原則進(jìn)行認(rèn)真設(shè)計(jì)，可以在很大程度上避免熱橋效應(yīng)，或者說(shuō)至少可以大幅度減少熱橋。如果某個(gè)細(xì)部節(jié)點(diǎn)處的熱橋效應(yīng)為零或者甚至是負(fù)值，這就是我們所說(shuō)的“無(wú)熱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”。
   將建筑構(gòu)件的熱橋系數(shù)U [W/(m²?K)]乘以該構(gòu)件的面積A[m²]和溫差??[K]，就可得出該面積的標(biāo)準(zhǔn)熱損失。??= ?_i- ?_a表示室內(nèi)?_i和室外?_a溫差。接著就可以對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的所有建筑構(gòu)件面積求和：Q_{標(biāo)準(zhǔn)}＝Σ_iU_i*A_i*?? [W]。
   對(duì)所有建筑構(gòu)件按外部尺寸計(jì)算，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程。設(shè)計(jì)師可以用卷尺沿著供暖圍護(hù)結(jié)構(gòu)量一圈。除了計(jì)算簡(jiǎn)單，取外部尺寸也留出了一定的余地：因?yàn)檎麠澖ㄖo(hù)結(jié)構(gòu)的外表面積一定大于內(nèi)表面積，由此計(jì)算得出的標(biāo)準(zhǔn)熱損失就一定大于實(shí)際熱損失，從而使計(jì)算結(jié)果比較可靠。
   當(dāng)然，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)熱損失只是一個(gè)近似值，因?yàn)閷?shí)際熱損失Q_實(shí)際是三維熱流的積分值。這個(gè)積分值隨著建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不平整幾何尺寸在空間上是變化的。對(duì)于結(jié)構(gòu)熱橋，如外挑陽(yáng)臺(tái)板（線(xiàn)性熱橋）或穿透保溫層的金屬支架（點(diǎn)狀熱橋），其產(chǎn)生的誤差很容易看出來(lái)，因?yàn)檫@里增加了熱損失。



圖1:混凝土底板與上面墻體的結(jié)合部。為了進(jìn)行熱斷橋，墻體可以砌在一排加氣混凝土塊或?qū)嵯禂?shù)較小的類(lèi)似材料上[λ≤0.1W/（m?K）]

   將線(xiàn)性熱橋系數(shù)Ψ[W/( m?K)]乘以熱橋長(zhǎng)度s[m]和溫差?? [K]得出線(xiàn)性熱橋的附加熱損失。點(diǎn)狀熱橋則可以乘以一個(gè)系數(shù)х [W/K]。然后按照公式計(jì)算出通過(guò)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總熱流Q_實(shí)際＝Q_{標(biāo)準(zhǔn)}+(Σ_jΨ_js_j+Σ_kх_k)??。
   利用被動(dòng)房設(shè)計(jì)計(jì)算軟件PHPP，在熱平衡計(jì)算中可以考慮熱橋效應(yīng)，計(jì)算工作量很小。當(dāng)已知各部分損失系數(shù)時(shí)，比如條狀基礎(chǔ)或某個(gè)結(jié)構(gòu)上不可避免的穿透口造成的熱損失時(shí)，就可以將它們和熱橋長(zhǎng)度一起輸入系統(tǒng)。增加的熱損失就會(huì)加到其他建筑構(gòu)件的熱損失上。



圖2：窗戶(hù)連接處的熱橋可以沿洞口在窗框上覆蓋完整的保溫加以有效控制：窗戶(hù)安裝在砌筑墻體外側(cè)，然后被包裹在保溫層內(nèi)

   當(dāng)不同方向的建筑構(gòu)件互相對(duì)接，并且其外部尺寸與內(nèi)部尺寸不同時(shí)會(huì)產(chǎn)生幾何熱橋，例如墻角、檐口連接處、屋脊等部位。如果對(duì)所有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的建筑構(gòu)件都采用外部尺寸，則沒(méi)有附加結(jié)構(gòu)干擾的建筑構(gòu)件的幾何熱橋一般為負(fù)值。也就是說(shuō)，按建筑構(gòu)件外部尺寸近似計(jì)算得出的相應(yīng)溫度下的熱失ΣU_i* A_i*??將大于實(shí)際損失。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)凹部分（如陰角）則例外。但其幾何熱橋正值總是被外凸區(qū)域的熱橋負(fù)值所抵消。
   如果幾何連接處有附加的結(jié)構(gòu)穿透影響，則這部分節(jié)點(diǎn)可能需要進(jìn)行二維計(jì)算。這種結(jié)構(gòu)方案必須認(rèn)真審視，它不僅會(huì)很貴，而且熱工性能很差，在被動(dòng)房上不推薦使用。解決這種沖突的方案已經(jīng)在常規(guī)構(gòu)造部分做了介紹。墻體構(gòu)造分為承載層和外置保溫層兩種形式。
   被動(dòng)房應(yīng)盡可能避免熱橋，或至少應(yīng)將其限制到可以忽略的程度。基本原則是“無(wú)熱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”。衡量標(biāo)準(zhǔn)是必須保證熱橋系數(shù)Ψa≤0.01W/(m?K)。如果通過(guò)選擇有利的結(jié)構(gòu)細(xì)部節(jié)點(diǎn)使每個(gè)熱橋系數(shù)最多達(dá)到該上限值，那么這些附加熱橋之和原則上是負(fù)值，或小到可以忽略不計(jì)。如果收集了能夠達(dá)到上述熱橋標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)部節(jié)點(diǎn)，并且只使用這類(lèi)細(xì)部節(jié)點(diǎn)，那么只進(jìn)行常規(guī)熱損失計(jì)算就可以了。此時(shí)，對(duì)傳熱系數(shù)U（?U_WB）的追加值可以取0。建筑節(jié)能法規(guī)EnEV也采用這種方式：如果在常規(guī)傳熱系數(shù)中包括了熱橋，則熱橋追加值可以取0,即?U_WB＝0。下面我們將給出一些主要細(xì)部節(jié)點(diǎn)的具體結(jié)構(gòu)建議， 按照這些建議可以設(shè)計(jì)無(wú)熱橋被動(dòng)房。
   建議：無(wú)熱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
   事實(shí)表明，只要認(rèn)真構(gòu)造細(xì)部節(jié)點(diǎn)，則按照外部尺寸計(jì)算的常規(guī)熱損失已經(jīng)包含了全部熱橋損失。如果是這樣，那么從定義上說(shuō)，它就是整體上的“無(wú)熱橋構(gòu)造”。此時(shí)可以省去精確的（復(fù)雜的）熱橋計(jì)算。
   舉例：按照外部尺寸計(jì)算的無(wú)窗戶(hù)的方塊形建筑體的標(biāo)準(zhǔn)熱損失Q_{標(biāo)準(zhǔn)}始終大于實(shí)際熱損失，因?yàn)榉綁K體邊角處的幾何熱橋是負(fù)值Ψ，只要它們不受到禁用的結(jié)構(gòu)穿透干擾的話(huà)。
   無(wú)熱橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則：一種木工鉛筆原則。選擇一張建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的比例尺寸圖（平面、剖面圖），取一支繪圖筆，其寬度相當(dāng)于傳熱阻R＝6m²K/W。當(dāng)保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為λ＝0.04W/(m?K)時(shí)，相當(dāng)于24cm厚的保溫層。如果拿著這支筆沿著建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)在保溫材料內(nèi)能夠以全額寬度走通的話(huà)，就可以肯定如此測(cè)試的細(xì)部節(jié)點(diǎn)符合無(wú)熱橋準(zhǔn)則。
   “寬鉛筆原則”綜合了下列設(shè)計(jì)原則：
   (1)避免原則：只要可能就不要中斷保溫的圍護(hù)結(jié)構(gòu)；
   (2)穿透原則：如果穿透不可避免，則在保溫層內(nèi)穿透材料的熱阻應(yīng)該盡可能高。 比如受力支架采用玻璃纖維加強(qiáng)的塑料，而不是鋼材；
   (3)節(jié)點(diǎn)原則：建筑構(gòu)件連接處的保溫層必須無(wú)空缺地全面積搭接，比如窗戶(hù)節(jié)點(diǎn)；
   (4)幾何原則：邊角應(yīng)盡可能選擇鈍角。
   已經(jīng)在常規(guī)U值計(jì)算中考慮的建筑元素，如一定間隔的木支架、外墻外保溫系統(tǒng)中的錨栓或者結(jié)構(gòu)力學(xué)要求的預(yù)制構(gòu)件的混凝土截面積都不算保溫中斷；相反，從里向外穿透墻體的高導(dǎo)熱性能材料，即使很薄，如鋁箔也是對(duì)無(wú)熱橋構(gòu)造原則的傷害。只要利用“寬鉛筆原則”遇到的顯然不能滿(mǎn)足條件的接頭或穿透口，都要認(rèn)真審核。對(duì)于這類(lèi)細(xì)部節(jié)點(diǎn)最好采用二維數(shù)字熱橋計(jì)算方法。不合理的細(xì)部結(jié)構(gòu)會(huì)造成嚴(yán)重的熱橋：
   （1）保溫層中斷；
   （2）保溫層錯(cuò)位；
   （3）高導(dǎo)熱材料的穿透（如金屬材料）；
   （4）外挑構(gòu)件；
   （5）高導(dǎo)熱材料從外向里穿透保溫層。
   在被動(dòng)房上應(yīng)盡量避免這類(lèi)結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)。在詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該特別關(guān)注這類(lèi)細(xì)部節(jié)點(diǎn)，以保證現(xiàn)場(chǎng)正確施工。在招標(biāo)文件中，應(yīng)該精確描述設(shè)計(jì)要求，即對(duì)于無(wú)熱橋和氣密性的要求。



圖3：利用高強(qiáng)度再生聚氨酯[λ＝0.075W/(m?K)]制作窗戶(hù)和欄桿（防護(hù)欄桿）的安裝預(yù)埋件

   這里還要反復(fù)強(qiáng)調(diào)：使用的保溫系統(tǒng)必須經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)和認(rèn)證。如果外保溫體系或預(yù)制結(jié)構(gòu)體系供應(yīng)商能夠證明他們的細(xì)部節(jié)點(diǎn)已通過(guò)第三方熱橋檢驗(yàn)，則建筑師和建設(shè)方可以得到兩項(xiàng)好處：首先，所有重要細(xì)部節(jié)點(diǎn)的熱橋已減到最??；另一方面剩下的或者無(wú)法避免的熱橋的熱橋系數(shù)（Ψ）是已知的，這樣可以在不增加設(shè)計(jì)工作量的情況下在能量平衡中計(jì)算進(jìn)去。
   外挑陽(yáng)臺(tái)板和重型挑檐，它們的承載結(jié)構(gòu)會(huì)穿透保溫層，從熱工角度這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)落后。陽(yáng)臺(tái)和連廊原則上可以獨(dú)立支撐立在外立面的前面，只需要用很細(xì)的熱斷橋錨固件固定到建筑物上。在這些被動(dòng)房上，樓梯間和連廊支撐在混凝土底座上，立于外保溫系統(tǒng)的前面，只有在幾個(gè)部位與建筑物固定。



圖4：自由立在外立面前面的連廊，可有效避免熱橋

   于輕型挑檐、欄桿、燈具和其他外挑的立面元件，有玻璃纖維組合材料和抗壓保溫材料制作的專(zhuān)用錨栓和預(yù)埋件，它們?cè)试S穿透外墻外保溫體系的保溫層，但不會(huì)形成明顯的熱橋。木結(jié)構(gòu)建筑有結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)楸貙佣家蒙w板封閉，在它上面可以固定輕質(zhì)構(gòu)件，而不必穿透保溫層。重型欄桿、挑檐和遮棚必須固定在有足夠承載力的墻體支架上，在通常的錨固間隔下熱橋影響不會(huì)很大。
   圖3給出了在與居室同高度的窗戶(hù)前面安裝防護(hù)欄桿的預(yù)埋件例子。用再生聚氨酯材料[λ＝0.075W/(m?K)]制作的預(yù)埋件裝在了外保溫體系的里面。預(yù)埋件用螺栓固定在墻上。在該預(yù)埋件上安裝防護(hù)欄桿，這樣就不會(huì)穿透保溫層。在許多情況下，也可以采用膠合板、塊做預(yù)埋件。
   上升墻體勒腳位置的熱橋處理是一項(xiàng)特殊挑戰(zhàn)。樓板與墻體的結(jié)合部是沒(méi)有問(wèn)題的，只要在該部位有足夠厚的保溫板 [24cm，λ＝0.04W/(m?K)]將結(jié)合部蓋住。非承重內(nèi)墻與外墻或屋面的結(jié)合同樣如此。其他細(xì)部節(jié)點(diǎn)處理可參閱大量的參考資料。

   1.將內(nèi)尺寸改為外尺寸
   在許多出版物和數(shù)據(jù)表上，迄今為止都采用針對(duì)內(nèi)尺寸的熱橋系數(shù)Ψ，它們無(wú)法和PHI的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。但是，如果你有相應(yīng)的尺寸，就可以進(jìn)行換算：
Ψ_a＝Ψ_i-U₁(s_1a-s_1i)-U₂(s_2a-s_2i)
   上式中，下標(biāo)1和2表示兩個(gè)相對(duì)接的建筑構(gòu)件，s_{1a, 2a}以及s_{1i, 2i}表示建筑構(gòu)件的內(nèi)、外尺寸，也可參見(jiàn)圖5。近來(lái)，熱橋系數(shù)大多參照外尺寸。



圖5：輕型木結(jié)構(gòu)建筑的外墻邊角。除了在傳熱系數(shù)計(jì)算中已經(jīng)考慮的均勻分隔的支柱外，這里只增加了一根加強(qiáng)邊角剛度的支柱。所以它基本上是一種幾何熱橋，熱橋系數(shù)為負(fù)值：Ψ_a＝-0.064W/(m²?K)，U_墻＝0.12W/(m²?K)

   在利用PHPP計(jì)算勒腳時(shí)也應(yīng)該采用外尺寸，即從保溫底板或地下室頂板的下沿開(kāi)始計(jì)算外墻高度。所以，此處細(xì)部節(jié)點(diǎn)的熱橋系數(shù)Ψ_a和所有外邊角一樣很小，可以忽略不計(jì)。建筑節(jié)能法規(guī)從底板的上沿開(kāi)始計(jì)算。所以，由此得出的熱橋系數(shù)Ψ必須加以考慮，即進(jìn)行計(jì)算，從而增加了工作量。

   2.注意所參照的建筑構(gòu)件
   注意：采用傳熱系數(shù)差的建筑構(gòu)件時(shí)，熱橋系數(shù)Ψ有時(shí)候會(huì)顯得很低！關(guān)鍵不是熱橋系數(shù)Ψ本身，而是兩者造成的總傳熱損失。所以，利用高的標(biāo)準(zhǔn)傳熱系數(shù)U去換取低的熱橋系數(shù)Ψ是沒(méi)有意義的。
   熱橋損失系數(shù)原則上只適用于需要計(jì)算的建筑構(gòu)件體系。所以，除了需要給出熱橋系數(shù)Ψ外，同時(shí)至少也應(yīng)該給出相關(guān)結(jié)構(gòu)的全部尺寸和所有互相對(duì)接構(gòu)件的傳熱系數(shù)。特別需要注意：對(duì)于被動(dòng)房窗戶(hù)節(jié)點(diǎn)的熱橋系數(shù)Ψ會(huì)得出超乎實(shí)際的很低的值，如果此節(jié)點(diǎn)按照傳熱系數(shù)很髙的[如U_墻＝0.5W/(m²?K](對(duì)被動(dòng)房是不適合的）墻體計(jì)算的話(huà)。這意味著：從標(biāo)準(zhǔn)建筑構(gòu)件的數(shù)據(jù)表查出的熱橋系數(shù)不允許直接用于被動(dòng)房。