木結構墻體熱橋效應的研究現狀和展望

甘心怡，朱一辛

(南京林業大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037)

現階段，我國以高昂的能源消耗為代價高速發展經濟，對生態環境造成了不可忽視的影響。隨著人們節約能源、保護環境的意識增強和現代木結構建筑理論與實踐的發展，節能保溫、健康舒適的木結構建筑得到人們的關注。我國的建筑行業能耗高且耗材量大，減少建筑能耗、發展低碳建筑，是我國經濟社會可持續發展的必由之路，同時為木結構建筑的發展提供了歷史機遇。在建筑總能耗中，大部分是由圍護結構直接或間接引起的。建筑圍護結構是分隔空間、抵擋外界不良環境的構件，主要包含墻體、門窗、屋面等，通常具有保溫隔熱、防水防潮的作用。在住宅建筑中，墻體面積通常占全部維護結構的60%以上，而熱流損失占維護結構總能耗的60%～70%[1]。因此，研究木結構墻體的熱工性能對減少木結構建筑能耗具有重要意義。本文圍繞建筑熱橋展開概述，從數值模擬的方法和實驗與模擬結合的方法總結國內外建筑熱橋的研究現狀，并對木結構墻體熱橋效應的研究進行分析和展望。

1 建筑熱橋概述

1.1 建筑熱橋定義

熱橋即傳導熱流的橋梁，是建筑中墻體等圍護結構的鋼筋混凝土或金屬梁、柱、肋等部位。由于鋼筋混凝土或金屬等材料熱傳導性好，這些熱橋部位的傳熱能力比主墻體強，熱流密度大，在室內外溫差的影響下，墻體易受熱不均，造成熱量損失。國際上定義熱橋是圍護結構的全部或部分被不同熱工性能的材料貫穿，構件或保溫材料厚度發生變化，或結構內外面積不同造成熱量損失，如墻體、地板的連接部位，滿足三者其一即為熱橋[2]。

熱橋可分為多種類型，根據圍護結構的位置和結構特點，分為墻體、梁、柱、屋頂、陽臺熱橋等八類，現代建筑形式與結構的多樣化也會帶來新的熱橋部位出現。各熱橋的位置區域如圖1所示。

圖1 常見熱橋結構

1.2 建筑熱橋影響

熱橋的存在給建筑帶來的危害是非常大的，主要表現在三個方面。第一，熱橋的存在使墻體局部傳熱量增大，墻體的平均熱阻減小，導致保溫性能下降。第二，熱橋部位熱流密集，是墻體保溫的薄弱環節，尤其是到了寒冬時節，墻體內表面溫度若降低至露點溫度以下，水蒸氣易在表面發生凝結，從而產生結露現象，甚至會使該區域長菌、發黑、霉變等，墻體結構被破壞，室內空氣變得潮濕，嚴重影響人體居住舒適度和建筑安全性。第三，墻體熱橋部位在溫度和濕度的共同影響下，濕傳遞和熱傳遞均被加強，兩者相互作用，增大了建筑能耗[3]。

2 國外建筑熱橋研究現狀

國外在建筑熱橋研究方面較為成熟，早在20世紀50年代就開始了相關研究，目前國外主要采用數值模擬的方法和實驗與模擬相結合的方法研究熱橋，國外學者的研究多集中于研究改進計算和建模方法，減小評估和預測熱橋影響誤差等方面。

2.1 數值模擬研究

目前對于熱橋問題的數值計算方法主要有三種，分別是有限差分法、有限元法和控制體積法，隨著計算機科學與技術的進步，各國公司及研究機構相繼基于數值計算方法編制了相關模擬計算和分析軟件。

2.1.1 數值計算方法

有限差分法和有限元法常用于熱反應系數的求解。2002年，Kossecka等[4]用有限差分法求解熱橋的反應系數。另一方面，1996年，Huang et al等[5]用有限元法計算了鋼結構墻體截面和熱橋的反應系數。此外，1997年，Guofeng Mao等[6]利用有限元分析法和節點熱平衡法計算了熱橋內表面溫度與熱流量分布。2008年，Wrobel等[7]在紅外熱成像技術的輔助下用有限元法研究了結構性熱橋。2018年，Stefano Bergero等[8]利用二維有限元分析法和專業軟件分別計算了熱橋的線性透射率，并得出有限元數值分析法計算熱橋能耗更為精確的結論。

控制體積法也是一種常用的數值計算方法。2003年，Al-Sanea[9]輔助以TEACH-C計算機程序對有限體積方程進行求解，把結果進行對比驗證了數值模型的有效性和精確度。2013年，Ascione等[10]應用Seem的傳熱傳遞函數狀態空間表示法求解熱橋傳熱傳遞函數，并與有限體積方法進行模擬比較驗證了準確性。

2.1.2 數值模擬軟件

ANSYS、Comsol是基于有限元分析法的數值模擬軟件，FLUENT是基于控制體積法的模擬分析軟件，Heat 2和Heat 3分別是二維和三維的動態熱橋模擬軟件，THERM是一款開源傳熱軟件，其應用廣泛，功能強大，可用于圍護結構傳熱分析，此外還有WUFI、Energy plus、Flixo、HTflux等軟件也常用于求解建筑熱橋傳熱系數。

2011年，Francesca Cappelkti等[11]利用THERM 5.2軟件計算了窗的線性傳熱系數，評估了窗熱橋的熱損失。2013年，Adriano Pinto Gomes等[12]利用Energy plus軟件研究了圍護結構熱橋對建筑能耗的影響。2014年，Mohamad Ibrahim等[13]利用MATLAB和Energy plus軟件研究了窗熱橋能耗，并得出結論絕緣涂料可以減少熱橋能耗，同年，Enrico de Angelis等[14]使用Therm軟件與WUFI軟件分析了不同情況下的熱橋，從而使評估平均傳熱系數更容易。2015年，Sierra F等[15]利用HEAT2D軟件計算了窗-外墻之間的熱橋能耗，并發現窗的傳熱系數越大越易表面凝結和生長霉菌。

木結構建筑熱橋的研究與鋼筋混凝土建筑類似。2015年，H.Viot[16]用動態模擬的方法對比分析了不同熱橋計算方法，研究了輕型木結構建筑中龍骨處的熱橋，同年，Jenni Pusila[17]用Flixo軟件模擬研究了CLT中的熱橋，并得出結論CLT在平面表面與墻體連接處的熱量損失低于混凝土建筑，Ligia Moga[18]則使用了PSIPLAN計算機程序分析了輕型木結構墻體含有外保溫條件下的熱橋情況，并驗證了軟件的準確性。

2.2 實驗與模擬相結合

用定性的分析方法解決熱橋傳熱計算問題具有一定的局限性，無法清楚地反映熱橋處空氣滲透、潮濕發霉等問題。實驗研究方法是一種重要的研究熱橋特征的方法，可以驗證模擬結果的準確性，常用的實驗研究熱橋問題方式主要有現場檢測實驗和物理建模實驗研究兩種。

2.2.1 現場檢測實驗

1997年，WcGowon A G等通過現場檢測法對墻體兩處熱橋部位進行分析計算，得出墻體連接處傳熱量約為墻體中部1.5倍的結論。2007年，Lee BC等[19]通過現場檢測的方法研究自保溫墻體的L型、T型熱橋，同時基于Fluent軟件模擬分析，得出該兩處熱橋部位發生熱損失可能性大于其他部位的結論。2012年，Thomas Haavi等[20]使用熱箱測量與數值模擬結合的方法研究了三種不同龍骨形式木結構墻體的熱性能?，F場檢測實驗研究雖可彌補定性分析熱橋方法的不足，但最大的問題在于無法控制室外環境條件。

2.2.2 物理建模實驗

2012年，Francesco Asdrubali等[21]用實驗和數值分析結合的方法計算了不同類型熱橋的能耗，得出結論熱橋效應可以通過墻壁傳熱系數的增長率衡量。2018年，Joana Prata[22]建立邊界元模型來研究正交膠合木建筑墻體轉角處的線性熱橋動態熱損失，并通過實驗驗證，發現實驗與模擬結果相符合。2019年，Seong Jin Chang[23]用實驗與模擬結合的方法研究了以韓國國產膠合板作為正交膠合木芯材的墻體傳熱，得出結論正交膠合木墻體的熱橋效應要弱于木框架墻體。而物理建模實驗研究的局限性在于難以對建筑整體進行熱工性能研究，通常只能針對局部熱橋實驗。

上述國外研究案例表明，在研究方法上，數值模擬研究常用在研究熱橋傳熱細節方面，需要對建筑的結構及材料充分了解，缺點在于計算時間長，實驗與模擬相結合的研究方法則可進行比較驗證，更能體現結果準確性，便于反映多種因素對熱橋的影響程度，以解決實際工程中的熱橋問題。

3 國內建筑熱橋研究現狀

國內對于建筑熱橋的研究開始較晚，目前的很多研究都借鑒了國外的成果，相對來說，當前國內學者主要結合我國的具體情況需要，著重研究熱橋對建筑能耗的影響和改進熱橋降低能耗等方面。國內對建筑熱橋的研究可分為數值模擬和實驗研究兩種。

3.1 數值模擬

為了解決熱橋傳熱問題，我國科研人員相繼編制了熱橋模擬分析程序進行數值計算。1995年，郭駿等[24]基于二維穩態傳熱理論研發了我國首個熱橋分析程序TBAP，對建筑墻體等典型熱橋進行了系統的分析。國內學者研究墻體的熱橋效應大多采用有限元軟件分析熱橋部位的溫度場及熱橋的影響區域。1999年，林海燕等[25]用自主研發的二維穩態傳熱模擬軟件PTDA研究不同結構的墻體，求解出平均傳熱系數并與試驗結果對比分析，證明了PTDA數值分析結果較為精確，并修正了現行規范中一維簡化算法的誤差。2005年，郁文紅等[26]用ANSYS軟件分析了我國北方居住建筑節能改造后的熱橋部位，結果表明內保溫系統的傳熱系數是外保溫系統的2倍。2007年，南艷麗等[27]用PTemp軟件對自保溫體系典型熱橋進行了穩態分析和試驗測試，數值模擬結果與實驗結果相符。2017年，中國建筑科學研究院用自主研發的二維溫度場計算軟件PTemp研究了輕型木結構墻體的熱工性能，得出了不同墻體構造的平均傳熱系數，為輕型木結構建筑的節能改進提供參考依據。

在改進熱橋計算方法方面，1996年，楊萬楓等[28]提出了熱場畸變法，該方法以熱橋傳熱理論為依據，提高了求解熱橋傳熱系數的速度和精確度，適用于實際工程計算。2008年，謝曉娜等[29]提出了等效平板法，該方法在瞬態條件下模擬樓地部位的熱橋傳熱，計算準確高效。2012年，高巖等[30]提出了模型減秩法，建立了熱橋動態三維模擬的低階模型并與熱模擬軟件耦合，使計算量減小，更加方便快捷。

3.2 實驗研究

1996年，厲風卿等[31]用大型標定式熱箱對不同熱橋的保溫墻體進行測試和分析，研究了節能墻體熱橋能耗的影響。2010年，陶然等[32]用熱流計法測量了墻體傳熱系數，通過穩態模擬溫度場與實驗數據對比，研究了墻體構造柱的寬度及形狀對墻體熱橋效應的影響。2015年，王智等[33]搭建了一座兩層的實驗樓，對浙江地區5種不同自保溫外墻的T型樓板熱橋進行了熱工測試，發現采用半包柱的構造做法能夠減少熱橋部位的熱量損失。除此之外，紅外熱成像技術是一種通過紅外輻射原理來檢測物體表面熱輻射的常用技術，測速快、范圍廣，常用于定量分析和檢測實驗結果。2018年，沈卉等[34]利用外紅熱像儀對南京一處井干式木結構住宅墻體等熱橋部位進行測試分析，找出了圍護結構中存在的熱量損失部位。

綜合比較，國內外對裝配式木結構建筑熱橋效應的研究較少，國內研究主要針對樓地或單一典型熱橋的數值分析，實驗與模擬結合較少，仍未解決熱橋存在形式和表面溫度計算問題。數值模擬程序動態計算熱橋耗時長，不能實時計算，紅外熱成像技術等實驗方法效率雖高但一定程度上缺乏準確性。國內外學者的研究尚存在一定的局限性，現階段建筑的總能耗依然超出節能標準，還需要進一步加強理論研究與應用實踐。

4 結論與展望

墻體的連接、復合、開門窗等構造，易形成一個不均勻傳熱體，無法避免會產生熱橋效應。木結構墻體的熱橋效應與木結構建筑的設計、建造、檢測、維護密切相關。我國“十三五”規劃中明確提出了建筑節能，開展木結構墻體熱橋效應的研究，既關系到木結構建筑整體的節能改進，又對全世界范圍內發展綠色建筑具有重要意義。故非常有必要深入研究，尋求方法降低熱橋能耗，保護木結構建筑的結構安全，提高居住舒適度和使用年限。鑒于此，筆者提出進一步做好木結構墻體熱橋效應研究的幾條主要途徑。

(1)國內有關木結構建筑的設計及施工規范已經確立，但國內外關于木結構建筑熱橋的規范還不完善，故應做好對木結構建筑熱橋規范的制訂。

(2)理論應與實驗相結合，更為準確地研究木結構墻體的熱橋效應，如采用紅外熱成像技術定量分析，利用Therm軟件進行二維穩態數值模擬，研究井干式木結構建筑墻體的構件搭接處與輕型木結構建筑墻體龍骨處的熱橋現象；改變井干式木結構墻體和輕型木結構墻體的模態參數，能較為便捷地計算熱橋對墻體傳熱系數的修正系數，傳熱系數的變化可以較好地反應熱橋對墻體傳熱的影響程度。

(3)考慮多因素條件下木結構墻體熱橋傳熱性能。除了環境溫度、相對濕度、氣流等因素以外，墻體結構和材料性能也是影響木結構墻體熱橋傳熱特性的主要因素。根據相關文獻可知，井干式木結構墻體構件搭接處所形成的熱橋屬于邊緣性熱橋，是一種微觀熱橋，因此在建立其分析模型時，要考慮墻體厚度、墻體材料導熱系數、企口處密封材料導熱系數、構件間距以及企口形狀這幾個方面；而輕型木結構墻體中龍骨處形成的熱橋屬于重復熱橋，是一種無法避免的熱橋現象，在建立物理模型時，要考慮保溫材料種類、覆面板材料、龍骨數量等。

(4)研究不同地區木結構墻體熱橋特性。我國的木結構建筑分布廣泛，從南方森林資源豐富地區到北方嚴寒地帶林區均有分布，由于我國五大氣候區的建筑熱橋對建筑能耗的影響存在差異，因此應分區域對木結構墻體熱橋效應進行研究。