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跟着菲斯特教授学被动房【五】

  《德国被动房基础理论》课程,共8节,由德国被动房研究所沃尔夫冈·菲斯特教授讲授,沈阳建筑大学夏晓东讲述,柴泽宾翻译,沈阳建筑大学建筑节能技术研究中心录制。本课程已获授权,转载必究。

  前面第二节和第四节课我们介绍了围护结构中常规部位的热损失计算方法,Hreg是常规部位的热损失,围护结构热损失就是各围护结构的传热系数乘以相应的面积的加和,这是比较容易计算的,因为围护结构的主体部分基本都是均匀的或有规律的,U值很好计○▲-•■□算,面积也▲★-●好计算,所以比较容易。

  但是实际上我们的建筑围护结构并不都是均匀的构造,在一些特殊的转角部位或交接部位,或者有导热系数较大的材料穿透围护结构的部位,热量传递的方向在变化,得热与失热的面积也在变化,那么常规的计算就不适合了。也就是说围护结构中常规部位的热损失量不等于建筑实际的传热损失量,而实际的传热损失量还应该包括热桥部位的传热损失。

  这里我们看一个例子,这是一个悬挑楼板的阳台构造,楼板一般是钢筋混凝土结构,这里我们可以看到外墙的保温已经做得很好了,保温层大概接近300mm厚,但是钢筋混凝土楼板穿过了围护结构,钢筋混凝土的导热系数大概在2.4左右,而保温层的导热系数是0.04,钢筋混凝土的导热系数大约是保温材料的60倍,大家可以想▼▼▽●▽●象一下,如果你是热量的话,在这样一个构造中你会怎么走?很明显热量会从上下两侧的砌体部分向钢筋混凝土楼板处汇集流失出去,因为钢筋混凝土部分的传热阻最小。

  那么像这样的一个部位的热损失计算就很复杂,需要做二维或者三维的数值模拟计算。法国的数学家傅里叶发现了计算方法,但是计算方法非常复杂,计算量也非常的大,那么现在我们用计算机来计算,我们可以通过在互联网上找到一些软件来解决热桥部位的计算问题,例如美国劳伦斯伯克利国家实验室的THERM软件,这个软件是免费的,可以在网上下载到的。

  通过输入材料尺寸、导热系数、室内外温度等信息,软件就可以将这样一个节点构造的热损失计算出来,大家可以在课后在网上下载下来学习。我们课件里的一些节点就是通过THERM软件计算出来的,他可以更直观的显示出热量是如何传递的。

  右下角这张图呢就是计算的结果,我们可以看到节点构造的温度分布情况,墙体内表面温度与室内空气温度是接近的,墙体外表面与室外空气温度是接近的,如果墙体的保温层上下是连续贯通的话,那么等温线将是在墙体中均匀分布的,正是因为悬挑出了一个钢筋混凝土阳台板,打断了围护结构保温层的连续性和均匀性,致使室内的转角部位温度比较低,这个案例中大概是16度,还没有太大的问题,不会结露产生冷凝,但是如果保温层做的不够好,或室外温度更低时,那么转角部位的温度将会更低,可能就会产生冷凝问题。

  像悬挑的阳台这种热桥部位的热损失是非常大的,对这种热桥部位热损失的衡量,我们用额外的热桥热损失系数来表示,像案例中这种阳台构造的热桥热损失系数是0.52瓦/米度,这个热桥部位的热损失是普通部位的4倍。就相当于在围护结构中增加了4.1m高的墙体面积。因此热桥部位的热量损失是不能够忽视的。

  下面我们介绍一下他是如何计算的,沿钢筋混凝土楼板的水平中线将节点分为上下两部分,首先是墙体常规部位的热损失计算,它是上部和下部的面积乘以相应的传热系数之和;而实际的热损失是大于常规部位热损失的,它的热损失量就是常规部位的热损失加上热桥部位的热损失。热桥部位的热损失等于前面讲到的额外的热桥热损失系数乘以这种构造截面的长度,比如阳台是3米长,那就是0.52乘以3米,热桥部位的额外热损失是比较大的。我们简要介绍一下热桥的热损失计算,是为了说明在围护结构中尽量避免热桥的重要性。

  这是我们对建筑提出的目标,也就是无热桥。为了实现这个目标,建筑细部节点需要设计得非常好,通过精细的设计可以使建筑热桥热损失系数达到非常小,进而可以忽略。

  也就是所有线性热桥的额外的热桥热损失系数的值要≤0.01。如果构造设计处理的非常好,这个额外的热桥热损失系数的值甚至可以是负数,那么也就是说处理的非常好的热桥部位不但不会有额外的热损失,甚至可以优于●常规部位。

  这里说一下什么是线性热桥,前面举的悬挑阳台的例子就是线性热桥,我们计算了二维截面的热损失系数的值,然后乘以它的长度,这种呈线状分布在围护结构中的构造部位就是线性热桥。

  再拓展一下点状热桥,我们知道墙体的保温层是通过锚栓固定在基层墙体上的,锚栓是很细的,但如果锚栓的导热系数较大,就会形成穿透保温的点状热桥,热量会从锚栓部位向外额外流失。这就是很多建筑通过红外热像仪可以看到锚栓的固定点的原因,由于▼▲锚栓是点状热桥,与保温层部位相比锚栓的部位就呈现高温的亮点。

  类似这样的点状热桥还有围护结构上锚固的雨水管锚固点,一些栏杆连接点,一些穿墙管部位等等,都是点▲=○▼状热桥。如果建筑控制好热桥,就可以实现实际热损失接近于或小于常规部位的热损失,这样就是我们所说的无热桥。

  那么如何实现建筑的无热桥呢,首先是需要无热桥的设计,我们依然拿出建筑的剖面图,我们需要找到建筑的外围护结构,可以用马克笔将建筑的保温层绘制出来,只要保证马克笔的线条是连续的,不被打断或者是贯穿,就基本可以做到这一点。

  第二,选材规则,在避免不了穿透围护结构保温层时,例如不采暖的地下室墙体,由于结构的支撑需要,穿透了保温层,就需要在穿透位置选用导热系数尽量低的材料,尽量避免使用金属或常规的混凝土材料,可以使用可承重的加气混凝土材料,还可以采用防腐木、发泡陶瓷等材料;

  第三,连接规则,在转角部位的保温层连接的厚度应该不低于整个建筑主体部位的保温层厚度;

  第四,几何规则:两个构件的连接处尽可能采用钝角连接,这样可以减少散热面积。如果采用锐角连接,那我们可以想象一下,两片外墙连接转角,如果室内一侧夹角是60度,那么室外一侧就是300度,也就是说室内只有60度范围在供热,而室外却有300度范围在散热。

  这几条规则初次听起来可能会有些困惑,接下来我们会通过一些已经建成的实例给大家详细的介绍一下。

  这是一栋在德国的砌体结构的被动房,照片中是南侧开的窗,他基本上是按照德国被动房的要求建造的,下面我们会通过这栋建筑的构造节点来分析减量避免热桥。

  这是这栋建筑的剖面图,首先用马克笔把这栋建筑外围护结构的保温层画出来,也就是黄颜色的部分,在外围护结构中有一些转角部位和构件穿插部位都是需要特别关注的,这里我们用红圈标示出不容易处理的热桥部位,屋面和外墙的交接处同样也是热桥部位,但是处理起来比较容易,所以我们并没有把他作为重点标示出来。

  我们先从常规围护结构的做法开始,左边这个构造图是地面,他的构造层次由下至上依次为,垫层,150mm厚混凝土底板层,35mm厚岩棉层、240mm厚保温层、50mm厚水泥砂浆层和19.5mm厚的饰面层,地面的传热系数U值是0.12;中间的构造图是外墙,他的构造层次由内向外依次为5mm厚抹灰层、175mm厚砌块墙体、300mm厚聚苯板保温层和15mm厚的抹面保护层,外墙的传热系数U值是0.11;右侧的构造图是屋面,他的构造层次由下向上依次为5mm厚抹灰层、180mm厚预制钢筋混凝土屋面板、460mm厚聚苯板保温层和15mm厚的抹面保护层,屋面的传热系数U值是0.09;这就是主要的常规围护结构的构造做法,下面我们来看一下这些构件连接的部位。

  首先我们来看一下,外墙和△▪▲□△地面之间的连接,左侧的一列是各种材料,第二列是各种材料的导热系数,通过图形可以标示出各种材料的尺寸,这里值得注意的点是外墙砌块和地面混凝土之间放了一个多孔的隔热砌块,他的导热系数只有0.14,还可以承重,这就是对应了我们前面讲的规则里面的第二条规则——选材规则,当不能避免穿透保温层时,就需要在穿透位置选用导热系数尽量低的材料。对这个二维的图形进行计算,就可以看到右侧的温度分布图,我们可以看到在外墙和地面的交角处的温度依然可以达到19度,此外我们可以计算出这个节点的线性热桥热损失系数的值为负的0.03,也就是说这个部位是优于常规围护结构的,也就不存在额外的热桥热损失。

  这张照片就是在室内拍摄的墙体与地面连接的部位,上部就是砌块墙体,墙体砌块的导热系数是1.1,墙体的最下面的一条就是承重的加气混凝土砌块,他的导热系数只有0.14,起到阻断热桥的作用,我们可以看到在加气混凝土砌块的下面还有一层防潮层,是防止地面的潮气进入加气混凝土影响材料的性能与寿命。

  这里补充一点,在德国几乎没有地震,所以这种做法是被允许的,在我国抗震设防区,砌体结构这种做法是不被允许的,因为不利于建筑抗震。

  如果不用导热系数较小的加气混凝土砌块阻断热桥,而将导热系数较大的砌块墙体直接落在混凝土底板上,会是什么样的结果呢?我们计算出这种做法的线性热桥热损失系数的值为接近0.1,就相当于围护结构中多了1.13米高的墙的热损失,由此可以看出这个阻断热桥的加气混凝土砌块的作用。因此,这是一个在建筑设计阶段就该考虑的问题,而不是▽•●◆留给施工阶段◆●△▼●才去解决。

  我们再来看一下内隔墙与地面混凝土底板的连接处,同样的断热桥处理方式,这种做法的线性热桥热损失系数的值为接近0.023,说明此处有点热损失,但是不太大了。

  下面我们看一下窗和墙的连接部位,这是传统的我们外窗框安装在墙体洞口内侧的安装方式,通过计算我们可以得出线性热桥热损失系数的值为0.150,我们可以看到等温线集中在砌体墙与保温层与窗框外皮的交接位置这一点上,因为在这个交接点上几乎没有保温,热量会通过这个节点向外大量流失。这种安装方式带来的热损失相当于把传热系数是0.8的外窗变成了1.08的外窗,也就是说如果不注意这个部位的热桥,虽然选用了高性能的外窗,但是安装完之后实际的整窗性能是打了折扣的。

  正确的安装方式是将外窗外挂在结构墙体的外侧,用保温层包住▪•★部分外窗框,窗框可以通过金属角码或附框或者是防腐木垫块作为转接件安装。通过计算我们可以得出这种安装方式的线性热桥热损失系数的值为0.001。

  这里需要提到很重要的一点,洞口四周安装外窗的角码或附框或垫块所形成的洞口尺寸要略小于外墙窗洞口的尺寸,也就是说外窗的尺寸要略小于墙体洞口的尺寸,这样可以从室内将外窗安装上去,或者是从室内可以拆卸下来。为什么这样做呢?

  他的原因是,外窗的寿命没有主体结构长,在建筑运营过程中难免要更换,这样便于从室内侧将外窗拆卸下来,并且能够将新的外窗安装上去,而不过多破坏外保温和外饰面层。如果外窗尺寸大于等于外墙窗洞口的尺寸,外窗是不能够从室内一侧拆卸下来的。这是一个外窗设计与安装过★-●=•▽程中,非常值得注意的关键点。

  如果不采用保温层包住部分外窗框这种构造设计会是什么样的效果呢?通过计算我们可以得出保温不压窗框这种构造做法,他的线性热桥热损失系数的值是0.029,也就是说窗和墙的连接处的保温还不够好。

  这是用角码托住外窗的安装照片,需要强调的是角码与窗框安装的这个边的尺寸要尽量短,满足外窗框安装的力学性能要求就好,如果这个边太长了依然会成为热桥。

  下面我们来看一下墙体与屋面的连接部位,这里可以看到外墙的保温和屋面的保温是连续的,为了加强屋檐处的强度,设计中采用了木材做了结构加强,木材的导热系数也很小,这就是规则一所说的外保温尽量不被打断。通过计算我们可以得出线性热桥热损失系数的值为负的0.044,那么它是优于常规部位的。

  这是这个屋面的施工照片,施工人员正在做屋檐的木材加强构造,右侧的保温板将铺在屋面板上方作为保温层。

  这是这栋建筑主要热桥部位的平衡,左侧是正的,也就是热损失的量,黄色的部分是内隔墙与地面交接处的热损失,玫瑰红色的部分是建筑南向落地外窗金属防护栏杆与墙体连接部位的热损失,这个热桥部位是在一开始设计时被忽略了的,结果这些部位造成了大量的热损失,其他还有一些小的热桥部位存在热损失;右侧是负的,也就是优于常规围护结构的部分,如果正值和负值的数量相等,或负值大于正值的数量,那么这就是一个无热桥的设计。

  这是外墙、地面▪▲□◁和屋面的常规构造,木结构建筑★▽…◇的特点是墙体和屋面的构造类似,都是两层OSB板夹着一系列的I型梁,内部填充岩棉类保温材料,然后墙体内饰面板是石膏板,外饰面板还是木板,屋面内饰面板是石膏板,外面板是屋面瓦。地面是混凝土底板、聚氨酯保温层、砂浆找平层、木龙骨层和面层。这三种围护结构的传热系数都小于0.1。

  这是这栋装配式木结构建筑的施工现场照片,墙板都是在工厂预制生产好的,用车运输到施工现场,用吊车起吊就位安装,这是一种非常高效率的方式,而且不只是可以建造低层建筑,还可以建造高层建筑,这种预制的墙板可以把外窗都在工厂安装好,然后整片安装。

  这里补充一点,随着我国建筑工业化的不断推进,装配式的施工方式是大势所趋,尤其在我们实践的案例中,我们发现装配式的施工方式实际效果要优于传统现场施工的,因为装配式的墙板或预制构件都是在工厂或地面加工生产完成的,对工人的操作和质量管控都非常有利。如果按传统的现场施工方式,就需要施工脚手架、吊车,工人需要上下传料等等高空作业,操作极为不便,也不利于建筑质量的控制。这是装配式建筑带来的优势。

  我们来看一下这栋建筑的剖面,这栋建筑有一个地下室,地上二层。对于木结构建筑,由于木材本身的导热系数很低,因此它产生热桥的部位并不多。这里我们标示出几个典型的热桥部位。分别是窗墙连接处、屋面板连接处(屋脊)、屋面板与墙板连接处◇…=▲(屋檐)、楼板和外墙交接处和外墙与地下室顶板的交▲●…△接处。

  首先我们来看外墙与地下室顶板的构造节点,我们前面解释了,木材导热系数较小,因此交接部位热损失都不大,那么这个节点通过计算我们可以得出线性热桥热损失系数的值为负的0.045,那么它是优于常规部位的,我们知道负值越大越好,越利于实现无热桥。

  这是在室内照的施工现场照片,墙板是OSB板。黄颜色的胶带就是气密性胶带。

  然后我们来看一看外墙与楼面板之间的连接处,先解释一下预制构件的施工,这个节点是先安装一层墙体,然后安装二层墙体,将两层墙体连接处的气密层做好之后,再吊装楼层板。一层和二层预制墙板之间需要有木结构作结构连接件,因此楼层板位置会出现一条木结构的贯穿带,但由于木材导热系数较小,因此线性热桥热损失系数的值才只有0.014。

  两面外墙之间的连接处的线性热桥热损失系数的值为负的0.016,我们可以看到木结构建筑的优势。

  另外一种连接方式外墙连接处的线性热桥热损失系数的值为负的0.066,它的效果更好。

  外窗与外墙之间的连接处的线性热桥热损失系数的值为负的0.007,外窗框是由墙体外侧的木饰面包住的。总的来讲木结构体系实现无热桥是相对比较容易的,砌体结构或钢筋混凝土剪力墙结构要做到无热桥相对困难一些,需要精细的构造设计。

  这里我们强调一下,目前德国被动房研究所已经认证了超过40种建筑技术体系,都可以实现无热桥,这其中至少15种以上是木结构技术体系,外墙外保温薄抹灰或厚抹灰技术体系也就是EIFS体系超过了10种,免拆模的聚苯模块浇筑混凝土的技术体系,也就是ICFS体系,大概有5种以上。

  还有一部分是预制的混凝土结构或钢结构体系,其他的是一些砌块结构体系。目前大部分的建筑都可以找到相应的技术体系来实现无热桥,大家也可以在这个网站上下载到已经认证过的技术体系的相关信息。

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