夏熱冬冷地區(qū)熱橋?qū)Φ蛯咏ㄖ芎牡挠绊?/h1>
2020-11-13 03:35杜海存謝瀟宇郭興國劉向偉
南昌大學學報（工科版） 2020年3期
杜海存，謝瀟宇，郭興國，劉向偉
(南昌大學a.機電工程學院，江西 南昌 330031；b.建筑工程學院，江西 南昌 330031)
熱橋不僅對傳統(tǒng)建筑能耗有較大的影響，對于節(jié)能建筑其能耗熱量損失占建筑圍護結(jié)構(gòu)總能耗損失的比例更大，且在不斷增加[1-4]。為了使夏熱冬冷地區(qū)實現(xiàn)65%的節(jié)能目標，需要有效控制建筑能耗，而熱橋?qū)ㄖ芎挠钟兄@著的影響，故研究該地區(qū)熱橋?qū)ㄖ芎牡挠绊懢哂惺种匾囊饬x。
國外關于熱橋能耗的研究起步較早。Kosny等[5]和Kossecka[6]建立了等效墻模型。Aguilar等[7]通過對丁字熱橋的能耗分析，驗證了等效墻法的準確性。Martin等[8]進一步完善了等效墻熱橋模型。Déqué等[9]、Purdy等[10]、Gao等[11]分別通過建立二維、三維熱橋模型和運用等效U值等方法，提高了熱橋能耗的計算精度。我國對夏熱冬冷地區(qū)熱橋能耗的相關研究起步相對較晚。南艷麗等[12-14]通過模擬和實驗相結(jié)合的方法研究了熱橋?qū)o結(jié)構(gòu)能耗的影響。董孟能等[15]利用DOE-2從一維的角度分析了熱橋?qū)Χ?、高層建筑的能耗的影響，得出了熱橋面積百分比與建筑能耗的大小成正比的結(jié)論。李云等[16]通過研究熱橋能耗的影響，提出了對夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能建筑中熱橋的處理的原則。陶然等[17]利用ANSYS對實測墻體的溫度場進行模擬,確定了熱橋的影響范圍。汪越等[18]利用有限元分析軟件模擬出了混凝土框架柱熱橋的溫度場和熱流場。賈殿鑫等[19-20]對熱橋的影響范圍及其評價指標等進行了研究。王明民等[21]比較了在相同環(huán)境下，外墻內(nèi)、外保溫中熱橋?qū)χ黧w傳熱系數(shù)的影響大小。戴紹斌等[22]利用ANSYS軟件研究了不同墻體保溫體系的保溫效果，最終得出外保溫體系、熱橋處理型自保溫體系、內(nèi)保溫體系、自保溫體系的保溫效果依次減弱結(jié)論。吳衛(wèi)等[23]建立了二維穩(wěn)態(tài)熱橋傳熱模型，并對不同類型剪力墻、填充墻搭接的樓板熱橋節(jié)點進行了研究，得出有效阻斷熱橋節(jié)點可顯著增強節(jié)能效果的結(jié)論。黃俊等[24]建立了二維穩(wěn)態(tài)熱橋傳熱模型并對不同保溫體系下熱橋的熱損失進行了分析，發(fā)現(xiàn)了在外保溫、內(nèi)保溫、自保溫的體系下熱橋處熱損失會依次減少。王智等[25]建立了二維穩(wěn)態(tài)模型并對建筑中燒結(jié)頁巖多孔磚自保溫外墻中典型的T形樓板熱橋進行了模擬分析，確定了T形熱橋處的無機保溫砂漿層覆蓋范圍的最優(yōu)值。張舉等[26]詳細計算夏熱冬冷地區(qū)一體化系統(tǒng)中膨脹螺栓和各種龍骨對系統(tǒng)傳熱的影響，并對如何降低熱橋能耗提出了具體方案。阮方等[27]對分室間歇用能情況下居住建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫影響區(qū)域進行了研究，分析了人行為和容忍溫度對保溫節(jié)能的影響。何琛等[28]分析了熱橋?qū)﹂g歇供暖房間的影響。沈張等[29]利用COMSOL軟件建立了二維和三維的熱橋模型，確定了不同保溫材料的適用范圍。朱賽鴻等[30]建立了二維熱橋傳熱模型，并利用ANSYS軟件分析了不同墻體構(gòu)造、窗框材質(zhì)等8種因素下，墻體內(nèi)部等溫線和熱流量的分布、外墻窗洞口的內(nèi)表面溫度等參數(shù)。吳鋒等[31]利用CFD對自保溫體系下外墻轉(zhuǎn)角處熱橋的傳熱情況進行分析，計算結(jié)果表明，熱橋內(nèi)表面在冬季時會發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，防止結(jié)露需采相應的保溫措施。張欣苗[32]建立了三維熱橋傳熱模型，并利用GAMBIT和Fluent計算了熱橋的熱損失，研究表明熱橋?qū)o結(jié)構(gòu)建筑能耗影響較為顯著。
綜上所述，目前就夏熱冬冷地區(qū)熱橋能耗的研究主要是對各部分子熱橋進行單獨建模，并對子熱橋模型傳熱情況進行分析，忽視了熱橋傳熱的相似性與整體性，鮮有對同類熱橋如丁字熱橋進行整體建模的研究。而且對熱橋能耗分析時往往只考慮空氣溫度與熱橋間對流換熱所產(chǎn)生的影響而忽略了土壤溫度與熱橋間對流換熱以及太陽輻射換熱對熱橋能耗的影響。
本文建立起包括外墻-屋頂、外墻-中間層樓板、外墻-地面3處丁字熱橋的整體熱橋模型，考慮土壤溫度以及輻射換熱對二維熱橋傳熱模型的影響，通過THERM和Design Builder計算了建筑的負荷，并以此來分析夏熱冬冷地區(qū)熱橋?qū)Φ蛯咏ㄖ芎牡挠绊憽?/p>
1 熱橋模型
1.1 數(shù)學模型
1.1.1 模型假設
1) 建筑材料同性勻質(zhì)且為常物性。
2) 導熱過程始終為穩(wěn)態(tài)。
3) 內(nèi)部無熱源且考慮輻射換熱影響。
4) 不考慮濕傳遞及熱濕相互作用。
5) 墻體相鄰材料間接觸緊密，忽略接觸熱阻的影響。
1.1.2 熱橋傳熱模型
二維熱橋模型的傳熱計算以如下穩(wěn)態(tài)二維熱傳導公式為基礎。
(1)
式中：T為溫度，K。
二維熱橋模型內(nèi)部任意2種材料交界面的熱流密度q用式(2)計算
(2)
式中：q為總熱流密度，W·m-2；λ為材料的導熱系數(shù)，W·m-1·K-1；ex、ey分別為相鄰的2種材料交界面處的單位法向量在x和y方向的分量。
二維熱橋模型墻體外表面的熱流密度和換熱系數(shù)分別用式(3)和式(4)計算
q=qc+qr
(3)
式中：qr、qc為受輻射換熱和受對流換熱影響產(chǎn)生的熱流密度，W·m-2。
(4)
式中：h為墻體的換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；ΔT為傳熱界面兩側(cè)的溫度差，K。
1.1.3 邊界條件
絕熱墻體、屋頂兩者的外表面同時受到太陽輻射和空氣對流換熱的影響。假設天空由陰天和晴天2個區(qū)域構(gòu)成。那么太陽輻射的影響通過外部平均輻射溫度來表示。
Eex=σTrm
(5)
式中：Eex為外表面所受黑體輻射力，W·m-2；σ為斯忒藩為玻爾茲曼常數(shù),5.669 3×10-8，W·m-2·K-4；Trm為太陽輻射造成的表面溫升溫度，K。
(6)
式中：Fgd、Fsky為熱橋外表面到地面的視角因子(分別是地平線以下區(qū)域)與天空；fcir為天空中晴朗部分的因子；Jsky為天空中晴朗部分的光能傳遞，W·m-2；Tw為室外溫度，K。
qr=hr(Tw-Trm)
(7)
式中：hr為受輻射換熱影響下的換熱系數(shù)，W·m-2·K-1。
(8)
式中：ε為總半球發(fā)射率。
室內(nèi)表面對流換熱主要通過自然對流，室外表面對流換熱主要通過強制對流
qc=hc(Tw-Te)
(9)
式中：hc為受對流換熱影響下的換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；Te為墻體外表面溫度，K。
地面和中間層樓板兩者分別與室內(nèi)空氣的接觸面，和地面與土壤的接觸面，這3類都屬于第3類邊界條件，如式(10)、式(11)所示。
(10)
(11)
式中：Tn為室內(nèi)溫度，K。
其他斷面按絕熱邊界計算,如方程(12)所示。
(12)
1.2 幾何模型
利用THERM建立起包含外墻-屋頂、外墻-中間層樓板、外墻-地面3處丁字熱橋的二維熱橋模型如圖1所示。
2 負荷計算
將THERM計算出的夏、冬兩季墻體的傳熱系數(shù)分別設為kx和kd。保持墻體中水泥砂漿層和砌體空心磚層厚度不變，通過方程(13)調(diào)整絕緣層(松散礦棉)δ2的厚度，使得利用Design Builder計算冷、熱負荷時墻體的平均傳熱系數(shù)分別設置為kx和kd，并計算出新的冷、熱負荷。
(13)
式中：k為墻體的傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；kx、kd為夏季、冬季墻體的傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；Ri、Re，R分別為墻體的內(nèi)、外表面熱阻以及墻體熱阻，m2·K·W-1；hi、he分別為墻體內(nèi)、外表面換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；λ1、λ2、λ3分別為水泥砂漿層、礦棉層和砌體空心磚層的導熱系數(shù)，W·m-1·K-1；δ1、δ2、δ3分別為水泥砂漿層、礦棉層和砌體空心磚層的厚度，mm。
3 模擬對象及參數(shù)
以某二層居住建筑為研究對象，層高3.0 m，建筑面積約220 m2。室內(nèi)溫度：冬季293.15 K，夏季299.15 K。2個季節(jié)各選取1個計算日進行負荷計算。通過Design Builder建立三維建筑模型。熱橋各層的材料物性參數(shù)如圖1(b)和表1所示[23-33]。根據(jù)主要城市室外氣象設計計算參數(shù)以及張慧智等[34]對中國土壤溫度的季節(jié)性變化及其區(qū)域分異的相關研究，得到了南昌、成都、武漢、上海4個地區(qū)夏季和冬季的室外空氣溫度及土壤溫度，如表2所示。
表1 材料物性參數(shù)Tab.1 Material property parameter
表2 室外空氣溫度及土壤溫度參數(shù)Tab.2 Outdoor air temperature and soil temperature parameters
4 模擬結(jié)果分析
如圖2所示，夏、冬兩季外墻-屋頂、外墻-中間層樓板、外墻-地面3處丁字熱橋的熱流密度均大于單獨外墻處的熱流密度，且夏季熱流方向從外到內(nèi)而冬季則從內(nèi)到外。
利用THEAM建立二維熱橋模型，根據(jù)表2的室外參數(shù)條件，計算出該建筑位于南昌、成都、武漢、上海4個地區(qū)有熱橋與無熱橋2種情況下墻體的平均傳熱系數(shù)，并進行對比研究。如表3所示，在無熱橋情況下，夏、冬兩季的平均傳熱系數(shù)不變，這是因為沒有考慮到屋頂、中間層樓板以及地面對墻體傳熱的影響，而有熱橋情況下室外條件(包括室外空氣溫度以及土壤溫度)會對屋頂、中間層樓板以及地面的傳熱造成較大的影響，進而影響墻體傳熱，改變其平均傳熱系數(shù)。
表3 墻體平均傳熱系數(shù)Tab.3 Average heat transfer coefficient of the wall
在考慮熱橋影響后，夏季墻體平均傳熱系數(shù)增大27.02%～30.28%。冬季墻體平均傳熱系數(shù)增大20.81%～25.00%。其中成都、武漢、南昌3個地區(qū)夏季平均傳熱系數(shù)逐漸增加，這是因為三者屬于同一土壤溫度分區(qū)，土壤溫度相同，平均傳熱系數(shù)主要受室外空氣溫度的影響。夏季時墻體平均傳熱系數(shù)隨著室外空氣溫度的增加而增加，而冬季時墻體平均傳熱系數(shù)則會隨著室外空氣溫度的降低而增加。
夏季時上海地區(qū)室外空氣溫度比武漢低0.7 K，而其最終平均傳熱系數(shù)增長率卻高于武漢0.53%，這是因為上海地區(qū)土壤溫度比武漢低0.33 K，使得外墻-地面處熱橋的換熱增強，最終導致其外墻的平均傳熱系數(shù)大于武漢。同樣冬季時上海地區(qū)的室外空氣溫度與南昌相近，但由于上海地區(qū)土壤溫度比南昌低3.5 K，故其外墻-地面處熱橋的換熱強度較小，最終導致其外墻的平均傳熱系數(shù)增長率比南昌低3.73%，分析可得墻體的平均傳熱系數(shù)不僅受室外空氣溫度的影響還受土壤溫度的影響。
如表4所示，在考慮熱橋影響后，建筑冷負荷增大3.36%～4.63%，建筑熱負荷增大6.49%～7.76%。其中成都、武漢、南昌3個地區(qū)夏季冷負荷增長率逐漸增加，這是因為三者屬于同一土壤溫度分區(qū)，土壤溫度相同，夏季冷負荷增長率主要受室外空氣溫度的影響，所以冷負荷增長率會隨著室外空氣溫度的增加而增加，而冬季時熱負荷增長率則會隨著室外空氣溫度的降低而增加。
表4 2種情況下冷、熱負荷Tab.4 Cooling and heating load in two case
夏季時上海地區(qū)室外空氣溫度比武漢低0.7 K，而其最終冷負荷增長率卻高于武漢0.86%，這是因為上海地區(qū)土壤溫度比武漢低0.33 K，使得外墻-地面處熱橋的換熱增強，最終導致其冷負荷增長率大于武漢。同樣冬季時上海地區(qū)的室外空氣溫度與南昌相近，但由于上海地區(qū)土壤溫度比南昌低3.5 K，故其外墻-地面處熱橋的換熱強度較小，最終導致其冬季熱負荷增長率比南昌低1.09%，分析可得建筑負荷不僅受室外空氣溫度的影響還受土壤溫度的影響。
室外空氣溫度與土壤溫度都對墻體平均傳熱系數(shù)有較大的影響，下面進一步比較兩者對墻體平均傳熱系數(shù)的影響大小。以南昌地區(qū)氣候為例(如表2)，夏季：室外空氣溫度35.6 K，土壤溫度27.66 K；冬季：室外空氣溫度-1.3 K，土壤溫度11.33 K。根據(jù)控制變量法，設置了4個對照組，依次為：增加1、1.5 K；減少1、1.5 K。以表3中南昌地區(qū)有熱橋時計算的平均傳熱系數(shù)：夏季1.002 7 W·m-2·K-1，冬季0.961 5 W·m-2·K-1為標準。計算了室外空氣溫度或土壤溫度單獨作用時墻體的平均傳熱系數(shù)及其增長率如表5所示。
表5 對照組的平均傳熱系數(shù)及其增長率Tab.5 Average heat transfer coefficient and growth rate of the control group
表6 對照組冬季平均傳熱系數(shù)及其增長率Tab.6 Winter average heat transfer coefficient and growth rate of the control group
無論夏季還是冬季，在其他因素相同的情況下，土壤溫度對墻體平均傳熱系數(shù)的影響均大于相同變化量下室外空氣溫度對墻體平均傳熱系數(shù)的影響。
5 結(jié)論
1) 考慮熱橋后墻體平均傳熱系數(shù)增長率大于建筑負荷的增長率，其中夏季：墻體平均傳熱系數(shù)增大27.02%～30.28%，建筑冷負荷增大3.36%～4.63%；冬季：墻體平均傳熱系數(shù)增大20.81%～25.00%，建筑熱負荷增大6.49%～7.76%。
2) 同一季節(jié)與城市下，負荷變化與墻體平均傳熱系數(shù)變化成正相關。故若要研究某因素對建筑負荷的影響，可以先研究其對平均傳熱系數(shù)的影響。
3) 室外空氣溫度和土壤溫度均會對墻體的平均傳熱系數(shù)造成較大的影響，在其他條件相同且兩者變化量相同的情況下土壤溫度對墻體平均傳熱系數(shù)的影響大于室外空氣溫度。
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國外關于熱橋能耗的研究起步較早。Kosny等[5]和Kossecka[6]建立了等效墻模型。Aguilar等[7]通過對丁字熱橋的能耗分析，驗證了等效墻法的準確性。Martin等[8]進一步完善了等效墻熱橋模型。Déqué等[9]、Purdy等[10]、Gao等[11]分別通過建立二維、三維熱橋模型和運用等效U值等方法，提高了熱橋能耗的計算精度。我國對夏熱冬冷地區(qū)熱橋能耗的相關研究起步相對較晚。南艷麗等[12-14]通過模擬和實驗相結(jié)合的方法研究了熱橋?qū)o結(jié)構(gòu)能耗的影響。董孟能等[15]利用DOE-2從一維的角度分析了熱橋?qū)Χ?、高層建筑的能耗的影響，得出了熱橋面積百分比與建筑能耗的大小成正比的結(jié)論。李云等[16]通過研究熱橋能耗的影響，提出了對夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能建筑中熱橋的處理的原則。陶然等[17]利用ANSYS對實測墻體的溫度場進行模擬,確定了熱橋的影響范圍。汪越等[18]利用有限元分析軟件模擬出了混凝土框架柱熱橋的溫度場和熱流場。賈殿鑫等[19-20]對熱橋的影響范圍及其評價指標等進行了研究。王明民等[21]比較了在相同環(huán)境下，外墻內(nèi)、外保溫中熱橋?qū)χ黧w傳熱系數(shù)的影響大小。戴紹斌等[22]利用ANSYS軟件研究了不同墻體保溫體系的保溫效果，最終得出外保溫體系、熱橋處理型自保溫體系、內(nèi)保溫體系、自保溫體系的保溫效果依次減弱結(jié)論。吳衛(wèi)等[23]建立了二維穩(wěn)態(tài)熱橋傳熱模型，并對不同類型剪力墻、填充墻搭接的樓板熱橋節(jié)點進行了研究，得出有效阻斷熱橋節(jié)點可顯著增強節(jié)能效果的結(jié)論。黃俊等[24]建立了二維穩(wěn)態(tài)熱橋傳熱模型并對不同保溫體系下熱橋的熱損失進行了分析，發(fā)現(xiàn)了在外保溫、內(nèi)保溫、自保溫的體系下熱橋處熱損失會依次減少。王智等[25]建立了二維穩(wěn)態(tài)模型并對建筑中燒結(jié)頁巖多孔磚自保溫外墻中典型的T形樓板熱橋進行了模擬分析，確定了T形熱橋處的無機保溫砂漿層覆蓋范圍的最優(yōu)值。張舉等[26]詳細計算夏熱冬冷地區(qū)一體化系統(tǒng)中膨脹螺栓和各種龍骨對系統(tǒng)傳熱的影響，并對如何降低熱橋能耗提出了具體方案。阮方等[27]對分室間歇用能情況下居住建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫影響區(qū)域進行了研究，分析了人行為和容忍溫度對保溫節(jié)能的影響。何琛等[28]分析了熱橋?qū)﹂g歇供暖房間的影響。沈張等[29]利用COMSOL軟件建立了二維和三維的熱橋模型，確定了不同保溫材料的適用范圍。朱賽鴻等[30]建立了二維熱橋傳熱模型，并利用ANSYS軟件分析了不同墻體構(gòu)造、窗框材質(zhì)等8種因素下，墻體內(nèi)部等溫線和熱流量的分布、外墻窗洞口的內(nèi)表面溫度等參數(shù)。吳鋒等[31]利用CFD對自保溫體系下外墻轉(zhuǎn)角處熱橋的傳熱情況進行分析，計算結(jié)果表明，熱橋內(nèi)表面在冬季時會發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，防止結(jié)露需采相應的保溫措施。張欣苗[32]建立了三維熱橋傳熱模型，并利用GAMBIT和Fluent計算了熱橋的熱損失，研究表明熱橋?qū)o結(jié)構(gòu)建筑能耗影響較為顯著。
綜上所述，目前就夏熱冬冷地區(qū)熱橋能耗的研究主要是對各部分子熱橋進行單獨建模，并對子熱橋模型傳熱情況進行分析，忽視了熱橋傳熱的相似性與整體性，鮮有對同類熱橋如丁字熱橋進行整體建模的研究。而且對熱橋能耗分析時往往只考慮空氣溫度與熱橋間對流換熱所產(chǎn)生的影響而忽略了土壤溫度與熱橋間對流換熱以及太陽輻射換熱對熱橋能耗的影響。
本文建立起包括外墻-屋頂、外墻-中間層樓板、外墻-地面3處丁字熱橋的整體熱橋模型，考慮土壤溫度以及輻射換熱對二維熱橋傳熱模型的影響，通過THERM和Design Builder計算了建筑的負荷，并以此來分析夏熱冬冷地區(qū)熱橋?qū)Φ蛯咏ㄖ芎牡挠绊憽?/p>
1 熱橋模型
1.1 數(shù)學模型
1.1.1 模型假設
1) 建筑材料同性勻質(zhì)且為常物性。
2) 導熱過程始終為穩(wěn)態(tài)。
3) 內(nèi)部無熱源且考慮輻射換熱影響。
4) 不考慮濕傳遞及熱濕相互作用。
5) 墻體相鄰材料間接觸緊密，忽略接觸熱阻的影響。
1.1.2 熱橋傳熱模型
二維熱橋模型的傳熱計算以如下穩(wěn)態(tài)二維熱傳導公式為基礎。
(1)
式中：T為溫度，K。
二維熱橋模型內(nèi)部任意2種材料交界面的熱流密度q用式(2)計算
(2)
式中：q為總熱流密度，W·m-2；λ為材料的導熱系數(shù)，W·m-1·K-1；ex、ey分別為相鄰的2種材料交界面處的單位法向量在x和y方向的分量。
二維熱橋模型墻體外表面的熱流密度和換熱系數(shù)分別用式(3)和式(4)計算
q=qc+qr
(3)
式中：qr、qc為受輻射換熱和受對流換熱影響產(chǎn)生的熱流密度，W·m-2。
(4)
式中：h為墻體的換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；ΔT為傳熱界面兩側(cè)的溫度差，K。
1.1.3 邊界條件
絕熱墻體、屋頂兩者的外表面同時受到太陽輻射和空氣對流換熱的影響。假設天空由陰天和晴天2個區(qū)域構(gòu)成。那么太陽輻射的影響通過外部平均輻射溫度來表示。
Eex=σTrm
(5)
式中：Eex為外表面所受黑體輻射力，W·m-2；σ為斯忒藩為玻爾茲曼常數(shù),5.669 3×10-8，W·m-2·K-4；Trm為太陽輻射造成的表面溫升溫度，K。
(6)
式中：Fgd、Fsky為熱橋外表面到地面的視角因子(分別是地平線以下區(qū)域)與天空；fcir為天空中晴朗部分的因子；Jsky為天空中晴朗部分的光能傳遞，W·m-2；Tw為室外溫度，K。
qr=hr(Tw-Trm)
(7)
式中：hr為受輻射換熱影響下的換熱系數(shù)，W·m-2·K-1。
(8)
式中：ε為總半球發(fā)射率。
室內(nèi)表面對流換熱主要通過自然對流，室外表面對流換熱主要通過強制對流
qc=hc(Tw-Te)
(9)
式中：hc為受對流換熱影響下的換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；Te為墻體外表面溫度，K。
地面和中間層樓板兩者分別與室內(nèi)空氣的接觸面，和地面與土壤的接觸面，這3類都屬于第3類邊界條件，如式(10)、式(11)所示。
(10)
(11)
式中：Tn為室內(nèi)溫度，K。
其他斷面按絕熱邊界計算,如方程(12)所示。
(12)
1.2 幾何模型
利用THERM建立起包含外墻-屋頂、外墻-中間層樓板、外墻-地面3處丁字熱橋的二維熱橋模型如圖1所示。
2 負荷計算
將THERM計算出的夏、冬兩季墻體的傳熱系數(shù)分別設為kx和kd。保持墻體中水泥砂漿層和砌體空心磚層厚度不變，通過方程(13)調(diào)整絕緣層(松散礦棉)δ2的厚度，使得利用Design Builder計算冷、熱負荷時墻體的平均傳熱系數(shù)分別設置為kx和kd，并計算出新的冷、熱負荷。
(13)
式中：k為墻體的傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；kx、kd為夏季、冬季墻體的傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；Ri、Re，R分別為墻體的內(nèi)、外表面熱阻以及墻體熱阻，m2·K·W-1；hi、he分別為墻體內(nèi)、外表面換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；λ1、λ2、λ3分別為水泥砂漿層、礦棉層和砌體空心磚層的導熱系數(shù)，W·m-1·K-1；δ1、δ2、δ3分別為水泥砂漿層、礦棉層和砌體空心磚層的厚度，mm。
3 模擬對象及參數(shù)
以某二層居住建筑為研究對象，層高3.0 m，建筑面積約220 m2。室內(nèi)溫度：冬季293.15 K，夏季299.15 K。2個季節(jié)各選取1個計算日進行負荷計算。通過Design Builder建立三維建筑模型。熱橋各層的材料物性參數(shù)如圖1(b)和表1所示[23-33]。根據(jù)主要城市室外氣象設計計算參數(shù)以及張慧智等[34]對中國土壤溫度的季節(jié)性變化及其區(qū)域分異的相關研究，得到了南昌、成都、武漢、上海4個地區(qū)夏季和冬季的室外空氣溫度及土壤溫度，如表2所示。
表1 材料物性參數(shù)Tab.1 Material property parameter
表2 室外空氣溫度及土壤溫度參數(shù)Tab.2 Outdoor air temperature and soil temperature parameters
4 模擬結(jié)果分析
如圖2所示，夏、冬兩季外墻-屋頂、外墻-中間層樓板、外墻-地面3處丁字熱橋的熱流密度均大于單獨外墻處的熱流密度，且夏季熱流方向從外到內(nèi)而冬季則從內(nèi)到外。
利用THEAM建立二維熱橋模型，根據(jù)表2的室外參數(shù)條件，計算出該建筑位于南昌、成都、武漢、上海4個地區(qū)有熱橋與無熱橋2種情況下墻體的平均傳熱系數(shù)，并進行對比研究。如表3所示，在無熱橋情況下，夏、冬兩季的平均傳熱系數(shù)不變，這是因為沒有考慮到屋頂、中間層樓板以及地面對墻體傳熱的影響，而有熱橋情況下室外條件(包括室外空氣溫度以及土壤溫度)會對屋頂、中間層樓板以及地面的傳熱造成較大的影響，進而影響墻體傳熱，改變其平均傳熱系數(shù)。
表3 墻體平均傳熱系數(shù)Tab.3 Average heat transfer coefficient of the wall
在考慮熱橋影響后，夏季墻體平均傳熱系數(shù)增大27.02%～30.28%。冬季墻體平均傳熱系數(shù)增大20.81%～25.00%。其中成都、武漢、南昌3個地區(qū)夏季平均傳熱系數(shù)逐漸增加，這是因為三者屬于同一土壤溫度分區(qū)，土壤溫度相同，平均傳熱系數(shù)主要受室外空氣溫度的影響。夏季時墻體平均傳熱系數(shù)隨著室外空氣溫度的增加而增加，而冬季時墻體平均傳熱系數(shù)則會隨著室外空氣溫度的降低而增加。
夏季時上海地區(qū)室外空氣溫度比武漢低0.7 K，而其最終平均傳熱系數(shù)增長率卻高于武漢0.53%，這是因為上海地區(qū)土壤溫度比武漢低0.33 K，使得外墻-地面處熱橋的換熱增強，最終導致其外墻的平均傳熱系數(shù)大于武漢。同樣冬季時上海地區(qū)的室外空氣溫度與南昌相近，但由于上海地區(qū)土壤溫度比南昌低3.5 K，故其外墻-地面處熱橋的換熱強度較小，最終導致其外墻的平均傳熱系數(shù)增長率比南昌低3.73%，分析可得墻體的平均傳熱系數(shù)不僅受室外空氣溫度的影響還受土壤溫度的影響。
如表4所示，在考慮熱橋影響后，建筑冷負荷增大3.36%～4.63%，建筑熱負荷增大6.49%～7.76%。其中成都、武漢、南昌3個地區(qū)夏季冷負荷增長率逐漸增加，這是因為三者屬于同一土壤溫度分區(qū)，土壤溫度相同，夏季冷負荷增長率主要受室外空氣溫度的影響，所以冷負荷增長率會隨著室外空氣溫度的增加而增加，而冬季時熱負荷增長率則會隨著室外空氣溫度的降低而增加。
表4 2種情況下冷、熱負荷Tab.4 Cooling and heating load in two case
夏季時上海地區(qū)室外空氣溫度比武漢低0.7 K，而其最終冷負荷增長率卻高于武漢0.86%，這是因為上海地區(qū)土壤溫度比武漢低0.33 K，使得外墻-地面處熱橋的換熱增強，最終導致其冷負荷增長率大于武漢。同樣冬季時上海地區(qū)的室外空氣溫度與南昌相近，但由于上海地區(qū)土壤溫度比南昌低3.5 K，故其外墻-地面處熱橋的換熱強度較小，最終導致其冬季熱負荷增長率比南昌低1.09%，分析可得建筑負荷不僅受室外空氣溫度的影響還受土壤溫度的影響。
室外空氣溫度與土壤溫度都對墻體平均傳熱系數(shù)有較大的影響，下面進一步比較兩者對墻體平均傳熱系數(shù)的影響大小。以南昌地區(qū)氣候為例(如表2)，夏季：室外空氣溫度35.6 K，土壤溫度27.66 K；冬季：室外空氣溫度-1.3 K，土壤溫度11.33 K。根據(jù)控制變量法，設置了4個對照組，依次為：增加1、1.5 K；減少1、1.5 K。以表3中南昌地區(qū)有熱橋時計算的平均傳熱系數(shù)：夏季1.002 7 W·m-2·K-1，冬季0.961 5 W·m-2·K-1為標準。計算了室外空氣溫度或土壤溫度單獨作用時墻體的平均傳熱系數(shù)及其增長率如表5所示。
表5 對照組的平均傳熱系數(shù)及其增長率Tab.5 Average heat transfer coefficient and growth rate of the control group
表6 對照組冬季平均傳熱系數(shù)及其增長率Tab.6 Winter average heat transfer coefficient and growth rate of the control group
無論夏季還是冬季，在其他因素相同的情況下，土壤溫度對墻體平均傳熱系數(shù)的影響均大于相同變化量下室外空氣溫度對墻體平均傳熱系數(shù)的影響。
5 結(jié)論
1) 考慮熱橋后墻體平均傳熱系數(shù)增長率大于建筑負荷的增長率，其中夏季：墻體平均傳熱系數(shù)增大27.02%～30.28%，建筑冷負荷增大3.36%～4.63%；冬季：墻體平均傳熱系數(shù)增大20.81%～25.00%，建筑熱負荷增大6.49%～7.76%。
2) 同一季節(jié)與城市下，負荷變化與墻體平均傳熱系數(shù)變化成正相關。故若要研究某因素對建筑負荷的影響，可以先研究其對平均傳熱系數(shù)的影響。
3) 室外空氣溫度和土壤溫度均會對墻體的平均傳熱系數(shù)造成較大的影響，在其他條件相同且兩者變化量相同的情況下土壤溫度對墻體平均傳熱系數(shù)的影響大于室外空氣溫度。
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