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被动房设计
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PHI被动房无热桥结构设计

时间:2019-08-18 20:14:22   作者:实战被动房   来源:PHI   阅读:101  
内容摘要:建筑外围护结构不仅由可以视作平面的、可无限伸展的墙体和屋面组成。还有许多边角、接头和穿透口。在所有这些位置,实际热损失都可能髙于标准热损失Q实际≥Q标准=ΣiUi*Ai*∆ϑ。在这些位置增加的热损失部分被称为热桥效应。根据后面阐述的基本原则进行认真设计,可以在很大程度上避免热桥效应,或者说至少可以大幅度减少热桥。如果某...
建筑外围护结构不仅由可以视作平面的、可无限伸展的墙体和屋面组成。还有许多边角、接头和穿透口。在所有这些位置,实际热损失都可能髙于标准热损失Q实际≥Q标准=ΣiUi*Ai*∆ϑ。在这些位置增加的热损失部分被称为热桥效应。


根据后面阐述的基本原则进行认真设计,可以在很大程度上避免热桥效应,或者说至少可以大幅度减少热桥。如果某个细部节点处的热桥效应为零或者甚至是负值,这就是我们所说的“无热桥结构设计”。


将建筑构件的热桥系数U [W/(m2•K)]乘以该构件的面积A[m2]和温差∆ϑ[K],就可得出该面积的标准热损失。∆ϑ= ϑi- ϑa表示室内ϑi和室外ϑa温差。接着就可以对外围护结构的所有建筑构件面积求和:Q标准=ΣiUi*Ai*∆ϑ [W]


对所有建筑构件按外部尺寸计算,大大简化了计算过程。设计师可以用卷尺沿着供暖围护结构量一圈。除了计算简单,取外部尺寸也留出了一定的余地:因为整栋建筑围护结构的外表面积一定大于内表面积,由此计算得出的标准热损失就一定大于实际热损失,从而使计算结果比较可靠。


当然,这个标准热损失只是一个近似值,因为实际热损失Q实际是三维热流的积分值。这个积分值随着建筑围护结构的不平整几何尺寸在空间上是变化的。对于结构热桥,如外挑阳台板(线性热桥)或穿透保温层的金属支架(点状热桥),其产生的误差很容易看出来,因为这里增加了热损失。

1:混凝土底板与上面墙体的结合部。为了进行热断桥,墙体可以砌在一排加气混凝土块或导热系数较小的类似材料上[λ≤0.1W/mK]

将线性热桥系数Ψ[W/( m•K)]乘以热桥长度s[m]和温差∆ϑ [K]得出线性热桥的附加热损失。点状热桥则可以乘以一个系数х [W/K]。然后按照公式计算出通过建筑外围护结构的总热流Q实际=Q标准+(ΣjΨjsj+Σkхk)∆ϑ


利用被动房设计计算软件PHPP,在热平衡计算中可以考虑热桥效应,计算工作量很小。当已知各部分损失系数时,比如条状基础或某个结构上不可避免的穿透口造成的热损失时,就可以将它们和热桥长度一起输入系统。增加的热损失就会加到其他建筑构件的热损失上。

2:窗户连接处的热桥可以沿洞口在窗框上覆盖完整的保温加以有效控制:窗户安装在砌筑墙体外侧,然后被包裹在保温层内

当不同方向的建筑构件互相对接,并且其外部尺寸与内部尺寸不同时会产生几何热桥,例如墙角、檐口连接处、屋脊等部位。如果对所有外围护结构表面的建筑构件都采用外部尺寸,则没有附加结构干扰的建筑构件的几何热桥一般为负值。也就是说,按建筑构件外部尺寸近似计算得出的相应温度下的热失ΣUi* Ai*∆ϑ将大于实际损失。外围护结构的内凹部分(如阴角)则例外。但其几何热桥正值总是被外凸区域的热桥负值所抵消。


如果几何连接处有附加的结构穿透影响,则这部分节点可能需要进行二维计算。这种结构方案必须认真审视,它不仅会很贵,而且热工性能很差,在被动房上不推荐使用。解决这种冲突的方案已经在常规构造部分做了介绍。墙体构造分为承载层和外置保温层两种形式。


被动房应尽可能避免热桥,或至少应将其限制到可以忽略的程度。基本原则是“无热桥结构设计”。衡量标准是必须保证热桥系数Ψa0.01W/(m•K)。如果通过选择有利的结构细部节点使每个热桥系数最多达到该上限值,那么这些附加热桥之和原则上是负值,或小到可以忽略不计。如果收集了能够达到上述热桥标准的细部节点,并且只使用这类细部节点,那么只进行常规热损失计算就可以了。此时,对传热系数U∆UWB)的追加值可以取0。建筑节能法规EnEV也采用这种方式:如果在常规传热系数中包括了热桥,则热桥追加值可以取0,∆UWB0。下面我们将给出一些主要细部节点的具体结构建议, 按照这些建议可以设计无热桥被动房。

建议:无热桥结构设计


事实表明,只要认真构造细部节点,则按照外部尺寸计算的常规热损失已经包含了全部热桥损失。如果是这样,那么从定义上说,它就是整体上的“无热桥构造”。此时可以省去精确的(复杂的)热桥计算。


举例:按照外部尺寸计算的无窗户的方块形建筑体的标准热损失Q标准始终大于实际热损失,因为方块体边角处的几何热桥是负值Ψ,只要它们不受到禁用的结构穿透干扰的话。


无热桥结构的设计原则:一种木工铅笔原则。选择一张建筑外围护结构的比例尺寸图(平面、剖面图),取一支绘图笔,其宽度相当于传热阻R6m2K/W。当保温材料的导热系数为λ=0.04W/(mK)时,相当于24cm厚的保温层。如果拿着这支笔沿着建筑物外围护结构在保温材料内能够以全额宽度走通的话,就可以肯定如此测试的细部节点符合无热桥准则。

“宽铅笔原则”综合了下列设计原则:

(1)避免原则:只要可能就不要中断保温的围护结构;

(2)穿透原则:如果穿透不可避免,则在保温层内穿透材料的热阻应该尽可能高。 比如受力支架采用玻璃纤维加强的塑料,而不是钢材;

(3)节点原则:建筑构件连接处的保温层必须无空缺地全面积搭接,比如窗户节点;

(4)几何原则:边角应尽可能选择钝角。


已经在常规U值计算中考虑的建筑元素,如一定间隔的木支架、外墙外保温系统中的锚栓或者结构力学要求的预制构件的混凝土截面积都不算保温中断;相反,从里向外穿透墙体的高导热性能材料,即使很薄,如铝箔也是对无热桥构造原则的伤害。只要利用“宽铅笔原则”遇到的显然不能满足条件的接头或穿透口,都要认真审核。对于这类细部节点最好采用二维数字热桥计算方法。不合理的细部结构会造成严重的热桥:

1)保温层中断;

2)保温层错位;

3)高导热材料的穿透(如金属材料);

4)外挑构件;

5)高导热材料从外向里穿透保温层。

在被动房上应尽量避免这类结构薄弱环节。在详细设计时也应该特别关注这类细部节点,以保证现场正确施工。在招标文件中,应该精确描述设计要求,即对于无热桥和气密性的要求。

3:利用高强度再生聚氨酯[λ=0.075W/(mK)]制作窗户和栏杆(防护栏杆)的安装预埋件

这里还要反复强调:使用的保温系统必须经过检验和认证。如果外保温体系或预制结构体系供应商能够证明他们的细部节点已通过第三方热桥检验,则建筑师和建设方可以得到两项好处:首先,所有重要细部节点的热桥已减到最小;另一方面剩下的或者无法避免的热桥的热桥系数(Ψ)是已知的,这样可以在不增加设计工作量的情况下在能量平衡中计算进去。


外挑阳台板和重型挑檐,它们的承载结构会穿透保温层,从热工角度这种结构已经落后。阳台和连廊原则上可以独立支撑立在外立面的前面,只需要用很细的热断桥锚固件固定到建筑物上。在这些被动房上,楼梯间和连廊支撑在混凝土底座上,立于外保温系统的前面,只有在几个部位与建筑物固定。

4:自由立在外立面前面的连廊,可有效避免热桥

于轻型挑檐、栏杆、灯具和其他外挑的立面元件,有玻璃纤维组合材料和抗压保温材料制作的专用锚栓和预埋件,它们允许穿透外墙外保温体系的保温层,但不会形成明显的热桥。木结构建筑有结构上的优点,因为保温层都要用盖板封闭,在它上面可以固定轻质构件,而不必穿透保温层。重型栏杆、挑檐和遮棚必须固定在有足够承载力的墙体支架上,在通常的锚固间隔下热桥影响不会很大。


3给出了在与居室同高度的窗户前面安装防护栏杆的预埋件例子。用再生聚氨酯材料[λ=0.075W/(mK)]制作的预埋件装在了外保温体系的里面。预埋件用螺栓固定在墙上。在该预埋件上安装防护栏杆,这样就不会穿透保温层。在许多情况下,也可以采用胶合板、块做预埋件。


上升墙体勒脚位置的热桥处理是一项特殊挑战。楼板与墙体的结合部是没有问题的,只要在该部位有足够厚的保温板 [24cm,λ=0.04W/(mK)]将结合部盖住。非承重内墙与外墙或屋面的结合同样如此。其他细部节点处理可参阅大量的参考资料。

1.将内尺寸改为外尺寸

在许多出版物和数据表上,迄今为止都采用针对内尺寸的热桥系数Ψ,它们无法和PHI的数据进行比较。但是,如果你有相应的尺寸,就可以进行换算:

Ψa=Ψi-U1(s1a-s1i)-U2(s2a-s2i)

上式中,下标12表示两个相对接的建筑构件,s1a, 2a以及s1i, 2i表示建筑构件的内、外尺寸,也可参见图5。近来,热桥系数大多参照外尺寸。

5:轻型木结构建筑的外墙边角。除了在传热系数计算中已经考虑的均匀分隔的支柱外,这里只增加了一根加强边角刚度的支柱。所以它基本上是一种几何热桥,热桥系数为负值:Ψa-0.064W/(m2K)U墙=0.12W/(m2K)

在利用PHPP计算勒脚时也应该采用外尺寸,即从保温底板或地下室顶板的下沿开始计算外墙高度。所以,此处细部节点的热桥系数Ψa和所有外边角一样很小,可以忽略不计。建筑节能法规从底板的上沿开始计算。所以,由此得出的热桥系数Ψ必须加以考虑,即进行计算,从而增加了工作量。


2.注意所参照的建筑构件


注意:采用传热系数差的建筑构件时,热桥系数Ψ有时候会显得很低!关键不是热桥系数Ψ本身,而是两者造成的总传热损失。所以,利用高的标准传热系数U去换取低的热桥系数Ψ是没有意义的。


热桥损失系数原则上只适用于需要计算的建筑构件体系。所以,除了需要给出热桥系数Ψ外,同时至少也应该给出相关结构的全部尺寸和所有互相对接构件的传热系数。特别需要注意:对于被动房窗户节点的热桥系数Ψ会得出超乎实际的很低的值,如果此节点按照传热系数很髙的[U墙=0.5W/(m2K](对被动房是不适合的)墙体计算的话。这意味着:从标准建筑构件的数据表查出的热桥系数不允许直接用于被动房。


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