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裝配式建筑外墻接縫對建筑能耗影響模擬分析

  • 作者:
  • 中國暖通空調網
  • 發布時間:
  • 2021-09-07

西安建筑科技大學建筑學院  胡宋舒,劉大龍

       【摘  要】裝配式建筑采用拼接的建造方式,大量存在的拼接縫是否會對建筑能耗產生影響?為探索該問題,文章采用能耗模擬軟件Energy plus,分別對位于寒冷地區和夏熱冬暖地區的一棟裝配式建筑及一棟傳統磚混建筑的能耗進行模擬對比分析。針對裝配式建筑,主要模擬了外墻接縫寬度和預制墻板尺寸變化對建筑能耗的影響;針對傳統磚混建筑,模擬了經過外保溫處理的熱橋柱寬度變化對建筑能耗的影響。結果表明,裝配式建筑外墻接縫對建筑能耗的影響要大于傳統磚混建筑熱橋柱對建筑能耗的影響;過小的預制外墻板尺寸對能耗影響尤為顯著,當預制墻板尺寸小于1.46m*1.6m時,尺寸每減小20%可導致采暖能耗增加高達22%;接縫對建筑采暖能耗的影響要大于制冷能耗,因此應重視寒冷或嚴寒地區裝配式建筑外墻拼接縫對能耗產生的不良影響。

       【關鍵詞】裝配式建筑;干連接;外墻拼接縫;能耗模擬

       【中圖分類號】TU111.4+8             【文獻標識碼】A

       【基金項目】國家自然科學基金資助項目(51878536)

Abstract:Prefabricated buildings are constructed by splicing. Will the large number of splicing joints affect building energy consumption? To explore this problem, the energy consumption simulation software Energy plus is used to simulate and compare the energy consumption of a fabricated building and a traditional brick-concrete building in cold area, hot summer and warm winter area respectively. For the fabricated building, the influence of the change of the joint width of outer wall and the size of prefabricated wall panel on the energy consumption of building is mainly simulated; for the traditional brick-concrete building, the influence of the change of the width of thermal bridge column treated with external thermal insulation on the energy consumption of building is simulated. The results show that the impact of fabricated building outer wall joints on building energy consumption is greater than that of traditional brick-concrete building thermal bridge columns on building energy consumption. Excessively small size of prefabricated exterior wall panels has a significant impact on energy consumption. When the size of prefabricated wall panels is less than 1.46m*1.6m, every 20% reduction in size can increase heating energy consumption by up to 22%. Joints have a greater impact on building heating energy consumption than refrigeration energy consumption. Therefore, attention should be paid to the adverse impact of joints on energy consumption of fabricated building exterior walls in cold or severe cold areas.
Key words: fabricated building, dry connection, joints on the exterior wall,energy consumption simulation

0 引言

       國民經濟的飛速提升推動著建筑產業的發展,建筑能耗總量占據我國能源消耗總量約三分之一[1]。為了改進傳統建造方式的弊端,發展高效益、高質量、低耗能的建筑行業,我國提出了建筑工業化的建設目標。裝配式建筑是實現建筑工業化的重要技術手段。裝配式建筑的高效建造、低污染施工等優勢使得其在建筑行業得到了廣泛推廣[2]。在國家大力支持下,2019年全國新開工裝配式建筑面積占新建建筑面積的13.4%,2020年裝配式建筑依然成為行業熱點,裝配式建筑發展良好穩健,是未來建筑行業的大勢所趨[3]。

       裝配式建筑的預制構件在工廠制作,現場拼接的建造方式極大提高了建造效率,同時也造成外墻存在大量的拼接縫。國內外的一些學者針對裝配式建筑外墻的拼接縫展開了相關的研究。

       郭娟利、姜子信等[4]對裝配式剪力墻住宅拼縫處的熱橋進行現場試驗和有限元模擬分析,表明墻體施工誤差造成的拼縫會產生一定程度的熱橋效應,使墻體局部溫度降熱流增大,且隨拼縫誤差增加使得熱橋影響也呈線性增大趨勢。胡天河等[5]對裝配式復合墻體豎向連接縫處傳熱與構造進行分析,通過紅外熱像法以及有限元模擬研究了接縫處的熱流分布特征,表明鋼板連接件部位以及接縫部位易產生熱橋,墻體接縫填充密封膠及保溫材料可減小接縫區域熱流。Lin Z等人[6]針對輕型預制建筑系統的連接縫,采用CFD方法模擬了直接縫和異形接縫節點的氣密性,發現與傳統直縫相比,異形接縫(如舌槽型)有更好的氣密性,并認為設計良好的接縫系統可減少對施工精度以及材料性能的依賴。Knyziak P[7]討論了由于預制構件接縫處未進行保溫所產生的一系列問題,如熱量散失、受潮、墻體開裂等。Asiz A等[8]對一棟裝配式木結構建筑外墻的熱濕參數進行長期監測,發現墻體施工縫部位有空氣滲透造成大量的熱量損失。Kayello A 等[9]對極寒環境中一棟預制結構保溫板(SIP)房屋的8個類型接縫進行熱工性能和氣密性能測試,研究不同室內外壓差和溫差下各接縫的溫、濕度狀況,發現位于頂端的接縫最易受潮。Wyss等[10]采用測試及二維模擬方式,對加拿大裝配式建筑中的結構隔熱板和連接部位的熱濕狀況進行研究,發現接縫部位產生熱橋導致熱側主體與接縫部位產生1℃的溫差。Kaczorek D等[11]針對一棟裝配式混凝土建筑,對墻板與天花板接縫部位進行二維模擬,發現該部位的平均溫度比主體部位低2.2℃。

       以上研究表明裝配式建筑外墻接縫部位是熱工薄弱部位,容易產生熱橋,傳熱劇烈使得主體與接縫部位產生溫差;且接縫部位氣密性較差,容易受潮。而裝配式建筑外墻接縫部位傳熱劇烈,熱量散失嚴重,其是否會對建筑整體能耗產生影響,目前尚未有相關文獻對此展開研究。為了解裝配式建筑外墻拼接縫對建筑能耗的影響情況,本文通過Energy plus對位于寒冷地區和夏熱冬暖地區的一棟辦公建筑進行能耗模擬,研究接縫變化對建筑采暖能耗及制冷能耗的影響。同時模擬了一棟傳統磚混建筑,對比裝配式建筑接縫與傳統磚混建筑熱橋柱對建筑能耗的影響情況。

1 研究內容及方法

       裝配式建筑各構件在現場的連接依據其施工方式可分為干連接和濕連接兩種。濕連接即預制構件之間通過現澆混凝土形成整體,傳統的濕連接使得建筑整體性更好,但施工程序繁瑣。干式連接也稱作機械連接,通過螺栓、焊接等方式連接各構件[12];干連接方式施工方便且周期短,精度高承載力高,裝配率更高,未來將成為裝配式連接的發展趨勢,因此本文針對裝配式混凝土結構外墻板干連接方式產生的接縫造成能耗損失問題進行研究。

       預制夾芯保溫外墻板有著優越的保溫防火性能,內外葉墻板對保溫層的保護使得其有著良好的耐久性,且墻板厚度較小,能滿足復雜的立面構造及防水需求,在裝配式建筑外墻板中普遍應用[13]。

       采用干連接方式建造的預制夾芯板在拼接時產生大量接縫,接縫寬度因施工精度而異,約為15~35mm;因拼接縫部位不便于通過局部保溫的形式進行處理,故而造成接縫部位熱量流失嚴重。有文獻[14]表明市面上接縫部位的施工普遍不規范,甚至未在接縫部位填充泡沫條,使得接縫部位熱損失嚴重,可能會對建筑能耗產生影響。

       預制夾芯墻板的尺寸大小決定著建筑外表面接縫的數量,接縫寬度大小影響著熱量損失情況。因此文章對預制夾芯墻板尺寸以及拼接縫寬度這兩個因素對建筑能耗的影響進行研究。為了對比裝配式建筑外墻接縫對能耗影響的顯著程度,文章同時也對一棟外保溫的磚混建筑進行模擬,變換磚混建筑外墻中框架柱的寬度。

       為了探究外墻接縫對采暖及制冷能耗的影響情況,文章用Energy Plus分別對夏熱冬暖地區及寒冷地區的一棟辦公建筑進行能耗模擬。Energy Plus通過與Sketch Up和Open Studio三個軟件結合使用,用帶有Open Studio插件的Sketch Up進行建模,可以將模型表面進行編號,從而準確找到接縫或框架柱所在的表面,以便于對其進行材料設置,模擬出不同接縫或柱尺寸對應的建筑能耗。

2 模型建立

       2.1 模型簡介

       所模擬的建筑為一棟5層小型辦公樓,建筑面積為1575m2,體積為4252.5m3,建筑高13.5m,體型系數0.302,南北向窗墻比為0.185,東西向窗墻比為0.09。模擬中控制各朝向的窗墻比不變。

       為研究裝配式建筑接縫對建筑采暖能耗及制冷能耗的影響情況,分別選取寒冷地區的石家莊市作為代表城市研究對采暖能耗的影響,夏熱冬暖地區的廣州市作為代表城市研究對制冷能耗的影響。所模擬的建筑模型立面圖如圖1所示。


圖1 建筑模型

       2.2 參數設置

       2.2.1 圍護結構參數

表1 裝配式建筑圍護結構構造參數

表2 傳統磚混建筑圍護結構構造參數

       2.2.2 建筑內部參數

       模型室內參數包括燈光、設備、人員活動情況等對室內熱環境的影響,具體設置如表3所示。由于所模擬建筑為辦公建筑,為簡化模型,各設備開啟使用時間為8:00~20:00。

表3 室內參數設置

       2.3 研究變量設置

       為分別研究預制外墻板尺寸以及墻板接縫部位的寬度的變化對建筑能耗的影響,針對每個因素設計六組組合進行模擬。根據《民用建筑熱工規范》(GB50176-2016)以及《裝配式混凝土結構技術規程》JGJ1-2014相關內容,將所模擬的裝配式建筑墻體外墻板接縫寬度范圍取15~40mm,對接縫寬度依次變化20%進行模擬。墻板尺寸以0.9m*1m為比例,最大尺寸取較為常用的2.7m*3m,即面積變化范圍由0.9m2~8.1m2,將面積依次變化20%后計算所得的尺寸為墻板變化的尺寸。對每個因素影響作用的研究采用控制變量法,研究墻體尺寸變化的影響作用時,接縫寬度20mm為裝配建筑中最廣泛使用的接縫寬度;研究接縫寬度的影響作用時,墻板尺寸選取2.7m*3m為裝配建筑中最常用的墻板尺寸。為滿足寒冷地區保溫要求,預制墻板保溫層厚度設置為140mm。裝配式建筑具體參數組合如表4所示。

表4 對裝配式建筑兩個因素進行模擬的各組合參數

       為與裝配式建接縫對能耗的影響情況做對比,對一棟外保溫的磚混建筑外墻框架柱尺寸變化對能耗產生的影響進行模擬。模擬的傳統磚混房為外保溫構造,墻體高2700mm,寬3000mm;外墻總厚520mm,外墻主體采用370mm的砌塊磚,保溫層為80mm的EPS保溫板,熱橋柱材料為鋼筋混凝土。根據砌體結構構造柱設置規范,構造柱截面長度設為360mm,將寬度變化范圍設由210mm~360mm,依次變化20%。

3 模擬結果分析

       3.1 裝配式建筑接縫對能耗影響

       裝配式建筑外墻接縫寬度對建筑能耗的影響如圖2所示??煽闯鲭S著裝配式建筑外墻接縫寬度的增加,建筑采暖能耗以及制冷能耗都隨之增加。建筑采暖能耗均大于制冷能耗,可推斷石家莊地區的采暖需求要大于廣州地區的制冷需求。且接縫寬度每增加20%,建筑采暖能耗增加10%~15.4%,而建筑制冷能耗增加3.7%~6.5%,因此裝配式建筑外墻接縫產生的熱橋對采暖能耗產生的影響更大;而對制冷能耗影響較小的原因可能是廣州地區在初夏或夏末時,夜間室外溫度較低,接縫部位熱阻小,更方便室內與室外的熱量交換。


圖2 裝配式建筑外墻接縫寬度對建筑能耗的影響

       裝配式建筑外墻板尺寸對建筑能耗的影響如圖3所示。隨著預制墻板尺寸的減小,建筑采暖及制冷能耗都持續增加。墻板尺寸小則接縫數量大幅增加,使得能耗大幅增長。當預制板尺寸小于1.46m*1.6m時,墻板面積每變化20%,建筑采暖能耗增長高達22%,制冷能耗增長也超過10%。同時,墻板尺寸減小造成建筑采暖能耗的增長率要小于制冷能耗的增長率。


圖3 裝配式建筑外墻板尺寸對建筑能耗的影響

       3.2 傳統磚混建筑框架柱對能耗影響

       傳統磚混建筑外墻框架柱尺寸變化對建筑能耗的影響如圖4所示??蚣苤鶎挾鹊脑黾釉斐闪私ㄖ膳爸评淠芎牡脑黾?,但增加幅度較小,外墻框架柱寬度每增加30mm,建筑采暖能耗增加約3.4%~4.2%,建筑制冷能耗增加約2.6%~3.6%。


圖4 磚混建筑構造柱尺寸對建筑能耗的影響

       3.3 對比分析

       對比圖2~圖4,裝配式建筑接縫變化對能耗的影響要大于傳統磚混建筑框架柱尺寸變化對建筑能耗的影響,且對采暖能耗的影響均大于對制冷能耗的影響。對于裝配式建筑而言,預制墻板尺寸的變化對建筑能耗的影響最為顯著,當預制板尺寸過小時使得接縫數量大幅增加,造成建筑采暖能耗的增加高達22%。裝配式建筑外墻接縫寬度對建筑能耗的影響其次。傳統磚混建筑框架柱寬度變化對建筑能耗的影響最小,因框架柱部位進行外保溫處理可以有效消除熱橋效應。因此盡管裝配式建筑接縫寬度較小,接縫部位未進行保溫處理時,其對建筑能耗的影響是不可忽略的,且對于寒冷地區冬季的采暖能耗而言更為嚴重。

4 結論

       為了研究采用干連接方式建造的裝配式建筑外墻拼接縫對建筑能耗的影響,本文采用Energy plus對位于夏熱冬暖地區和寒冷地區的一棟辦公建筑進行能耗模擬,同時模擬一棟外保溫構造的傳統磚混建筑,對比兩者接縫或框架柱寬度對建筑能耗的影響情況。結果表明:

       (1)隨著裝配式建筑接縫寬度的增加或預制板尺寸的減小,建筑能耗增加。

       (2)裝配式建筑外墻接縫變化對建筑采暖能耗的影響要大于制冷能耗的影響,因此更應當重視寒冷地區或嚴寒地區裝配式建筑外墻接縫產生的熱橋效應對建筑能耗產生的不良影響,提高接縫部位施工精度。

       (3)相對于外保溫的傳統磚混建筑而言,裝配式建筑外墻接縫對建筑能耗產生的影響較大。且當墻板尺寸過小時,對建筑能耗影響最為顯著,可使得采暖能耗增加高達22%;接縫尺寸對建筑能耗的影響其次。因此應當盡可能使用大尺寸的預制板,減少拼接縫數量。

參考文獻

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       備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2021年4月刊 總第42期(第二十屆全國暖通空調模擬學術年會論文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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