装配式建筑外墙接缝对建筑能耗影响模拟分析

西安建筑科技大学建筑学院  胡宋舒，刘大龙

       【摘  要】装配式建筑采用拼接的建造方式，大量存在的拼接缝是否会对建筑能耗产生影响？为探索该问题，文章采用能耗模拟软件Energy plus，分别对位于寒冷地区和夏热冬暖地区的一栋装配式建筑及一栋传统砖混建筑的能耗进行模拟对比分析。针对装配式建筑，主要模拟了外墙接缝宽度和预制墙板尺寸变化对建筑能耗的影响；针对传统砖混建筑，模拟了经过外保温处理的热桥柱宽度变化对建筑能耗的影响。结果表明，装配式建筑外墙接缝对建筑能耗的影响要大于传统砖混建筑热桥柱对建筑能耗的影响；过小的预制外墙板尺寸对能耗影响尤为显著，当预制墙板尺寸小于1.46m*1.6m时，尺寸每减小20%可导致采暖能耗增加高达22%；接缝对建筑采暖能耗的影响要大于制冷能耗，因此应重视寒冷或严寒地区装配式建筑外墙拼接缝对能耗产生的不良影响。

       【关键词】装配式建筑；干连接；外墙拼接缝；能耗模拟

       【中图分类号】TU111.4+8             【文献标识码】A

       【基金项目】国家自然科学基金资助项目（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

       国民经济的飞速提升推动着建筑产业的发展，建筑能耗总量占据我国能源消耗总量约三分之一^[1]。为了改进传统建造方式的弊端，发展高效益、高质量、低耗能的建筑行业，我国提出了建筑工业化的建设目标。装配式建筑是实现建筑工业化的重要技术手段。装配式建筑的高效建造、低污染施工等优势使得其在建筑行业得到了广泛推广^[2]。在国家大力支持下，2019年全国新开工装配式建筑面积占新建建筑面积的13.4%，2020年装配式建筑依然成为行业热点，装配式建筑发展良好稳健，是未来建筑行业的大势所趋^[3]。

       装配式建筑的预制构件在工厂制作，现场拼接的建造方式极大提高了建造效率，同时也造成外墙存在大量的拼接缝。国内外的一些学者针对装配式建筑外墙的拼接缝展开了相关的研究。

       郭娟利、姜子信等^[4]对装配式剪力墙住宅拼缝处的热桥进行现场试验和有限元模拟分析，表明墙体施工误差造成的拼缝会产生一定程度的热桥效应，使墙体局部温度降热流增大，且随拼缝误差增加使得热桥影响也呈线性增大趋势。胡天河等^[5]对装配式复合墙体竖向连接缝处传热与构造进行分析，通过红外热像法以及有限元模拟研究了接缝处的热流分布特征，表明钢板连接件部位以及接缝部位易产生热桥，墙体接缝填充密封胶及保温材料可减小接缝区域热流。Lin Z等人^[6]针对轻型预制建筑系统的连接缝，采用CFD方法模拟了直接缝和异形接缝节点的气密性，发现与传统直缝相比，异形接缝（如舌槽型）有更好的气密性，并认为设计良好的接缝系统可减少对施工精度以及材料性能的依赖。Knyziak P^[7]讨论了由于预制构件接缝处未进行保温所产生的一系列问题，如热量散失、受潮、墙体开裂等。Asiz A等^[8]对一栋装配式木结构建筑外墙的热湿参数进行长期监测，发现墙体施工缝部位有空气渗透造成大量的热量损失。Kayello A 等^[9]对极寒环境中一栋预制结构保温板（SIP）房屋的8个类型接缝进行热工性能和气密性能测试，研究不同室内外压差和温差下各接缝的温、湿度状况，发现位于顶端的接缝最易受潮。Wyss等^[10]采用测试及二维模拟方式，对加拿大装配式建筑中的结构隔热板和连接部位的热湿状况进行研究，发现接缝部位产生热桥导致热侧主体与接缝部位产生1℃的温差。Kaczorek D等^[11]针对一栋装配式混凝土建筑，对墙板与天花板接缝部位进行二维模拟，发现该部位的平均温度比主体部位低2.2℃。

       以上研究表明装配式建筑外墙接缝部位是热工薄弱部位，容易产生热桥，传热剧烈使得主体与接缝部位产生温差；且接缝部位气密性较差，容易受潮。而装配式建筑外墙接缝部位传热剧烈，热量散失严重，其是否会对建筑整体能耗产生影响，目前尚未有相关文献对此展开研究。为了解装配式建筑外墙拼接缝对建筑能耗的影响情况，本文通过Energy plus对位于寒冷地区和夏热冬暖地区的一栋办公建筑进行能耗模拟，研究接缝变化对建筑采暖能耗及制冷能耗的影响。同时模拟了一栋传统砖混建筑，对比装配式建筑接缝与传统砖混建筑热桥柱对建筑能耗的影响情况。

1 研究内容及方法

       装配式建筑各构件在现场的连接依据其施工方式可分为干连接和湿连接两种。湿连接即预制构件之间通过现浇混凝土形成整体，传统的湿连接使得建筑整体性更好，但施工程序繁琐。干式连接也称作机械连接，通过螺栓、焊接等方式连接各构件^[12]；干连接方式施工方便且周期短，精度高承载力高，装配率更高，未来将成为装配式连接的发展趋势，因此本文针对装配式混凝土结构外墙板干连接方式产生的接缝造成能耗损失问题进行研究。

       预制夹芯保温外墙板有着优越的保温防火性能，内外叶墙板对保温层的保护使得其有着良好的耐久性，且墙板厚度较小，能满足复杂的立面构造及防水需求，在装配式建筑外墙板中普遍应用^[13]。

       采用干连接方式建造的预制夹芯板在拼接时产生大量接缝，接缝宽度因施工精度而异，约为15~35mm；因拼接缝部位不便于通过局部保温的形式进行处理，故而造成接缝部位热量流失严重。有文献[14]表明市面上接缝部位的施工普遍不规范，甚至未在接缝部位填充泡沫条，使得接缝部位热损失严重，可能会对建筑能耗产生影响。

       预制夹芯墙板的尺寸大小决定着建筑外表面接缝的数量，接缝宽度大小影响着热量损失情况。因此文章对预制夹芯墙板尺寸以及拼接缝宽度这两个因素对建筑能耗的影响进行研究。为了对比装配式建筑外墙接缝对能耗影响的显著程度，文章同时也对一栋外保温的砖混建筑进行模拟，变换砖混建筑外墙中框架柱的宽度。

       为了探究外墙接缝对采暖及制冷能耗的影响情况，文章用Energy Plus分别对夏热冬暖地区及寒冷地区的一栋办公建筑进行能耗模拟。Energy Plus通过与Sketch Up和Open Studio三个软件结合使用，用带有Open Studio插件的Sketch Up进行建模，可以将模型表面进行编号，从而准确找到接缝或框架柱所在的表面，以便于对其进行材料设置，模拟出不同接缝或柱尺寸对应的建筑能耗。

2 模型建立

       2.1 模型简介

       所模拟的建筑为一栋5层小型办公楼，建筑面积为1575m²，体积为4252.5m³，建筑高13.5m，体型系数0.302，南北向窗墙比为0.185，东西向窗墙比为0.09。模拟中控制各朝向的窗墙比不变。

       为研究装配式建筑接缝对建筑采暖能耗及制冷能耗的影响情况，分别选取寒冷地区的石家庄市作为代表城市研究对采暖能耗的影响，夏热冬暖地区的广州市作为代表城市研究对制冷能耗的影响。所模拟的建筑模型立面图如图1所示。

图1 建筑模型

       2.2 参数设置

       2.2.1 围护结构参数

表1 装配式建筑围护结构构造参数

表2 传统砖混建筑围护结构构造参数

       2.2.2 建筑内部参数

       模型室内参数包括灯光、设备、人员活动情况等对室内热环境的影响，具体设置如表3所示。由于所模拟建筑为办公建筑，为简化模型，各设备开启使用时间为8：00~20：00。

表3 室内参数设置

       2.3 研究变量设置

       为分别研究预制外墙板尺寸以及墙板接缝部位的宽度的变化对建筑能耗的影响，针对每个因素设计六组组合进行模拟。根据《民用建筑热工规范》（GB50176-2016）以及《装配式混凝土结构技术规程》JGJ1-2014相关内容，将所模拟的装配式建筑墙体外墙板接缝宽度范围取15~40mm，对接缝宽度依次变化20%进行模拟。墙板尺寸以0.9m*1m为比例，最大尺寸取较为常用的2.7m*3m，即面积变化范围由0.9m2~8.1m²，将面积依次变化20%后计算所得的尺寸为墙板变化的尺寸。对每个因素影响作用的研究采用控制变量法，研究墙体尺寸变化的影响作用时，接缝宽度20mm为装配建筑中最广泛使用的接缝宽度；研究接缝宽度的影响作用时，墙板尺寸选取2.7m*3m为装配建筑中最常用的墙板尺寸。为满足寒冷地区保温要求，预制墙板保温层厚度设置为140mm。装配式建筑具体参数组合如表4所示。

表4 对装配式建筑两个因素进行模拟的各组合参数

       为与装配式建接缝对能耗的影响情况做对比，对一栋外保温的砖混建筑外墙框架柱尺寸变化对能耗产生的影响进行模拟。模拟的传统砖混房为外保温构造，墙体高2700mm,宽3000mm；外墙总厚520mm，外墙主体采用370mm的砌块砖，保温层为80mm的EPS保温板，热桥柱材料为钢筋混凝土。根据砌体结构构造柱设置规范，构造柱截面长度设为360mm，将宽度变化范围设由210mm~360mm，依次变化20%。

3 模拟结果分析

       3.1 装配式建筑接缝对能耗影响

       装配式建筑外墙接缝宽度对建筑能耗的影响如图2所示。可看出随着装配式建筑外墙接缝宽度的增加，建筑采暖能耗以及制冷能耗都随之增加。建筑采暖能耗均大于制冷能耗，可推断石家庄地区的采暖需求要大于广州地区的制冷需求。且接缝宽度每增加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%，因此装配式建筑外墙接缝产生的热桥对采暖能耗产生的影响更大；而对制冷能耗影响较小的原因可能是广州地区在初夏或夏末时，夜间室外温度较低，接缝部位热阻小，更方便室内与室外的热量交换。

图2 装配式建筑外墙接缝宽度对建筑能耗的影响

       装配式建筑外墙板尺寸对建筑能耗的影响如图3所示。随着预制墙板尺寸的减小，建筑采暖及制冷能耗都持续增加。墙板尺寸小则接缝数量大幅增加，使得能耗大幅增长。当预制板尺寸小于1.46m*1.6m时，墙板面积每变化20%，建筑采暖能耗增长高达22%，制冷能耗增长也超过10%。同时，墙板尺寸减小造成建筑采暖能耗的增长率要小于制冷能耗的增长率。

图3 装配式建筑外墙板尺寸对建筑能耗的影响

       3.2 传统砖混建筑框架柱对能耗影响

       传统砖混建筑外墙框架柱尺寸变化对建筑能耗的影响如图4所示。框架柱宽度的增加造成了建筑采暖及制冷能耗的增加，但增加幅度较小，外墙框架柱宽度每增加30mm，建筑采暖能耗增加约3.4%~4.2%，建筑制冷能耗增加约2.6%~3.6%。

图4 砖混建筑构造柱尺寸对建筑能耗的影响

       3.3 对比分析

       对比图2~图4，装配式建筑接缝变化对能耗的影响要大于传统砖混建筑框架柱尺寸变化对建筑能耗的影响，且对采暖能耗的影响均大于对制冷能耗的影响。对于装配式建筑而言，预制墙板尺寸的变化对建筑能耗的影响最为显著，当预制板尺寸过小时使得接缝数量大幅增加，造成建筑采暖能耗的增加高达22%。装配式建筑外墙接缝宽度对建筑能耗的影响其次。传统砖混建筑框架柱宽度变化对建筑能耗的影响最小，因框架柱部位进行外保温处理可以有效消除热桥效应。因此尽管装配式建筑接缝宽度较小，接缝部位未进行保温处理时，其对建筑能耗的影响是不可忽略的，且对于寒冷地区冬季的采暖能耗而言更为严重。

4 结论

       为了研究采用干连接方式建造的装配式建筑外墙拼接缝对建筑能耗的影响，本文采用Energy plus对位于夏热冬暖地区和寒冷地区的一栋办公建筑进行能耗模拟，同时模拟一栋外保温构造的传统砖混建筑，对比两者接缝或框架柱宽度对建筑能耗的影响情况。结果表明：

       （1）随着装配式建筑接缝宽度的增加或预制板尺寸的减小，建筑能耗增加。

       （2）装配式建筑外墙接缝变化对建筑采暖能耗的影响要大于制冷能耗的影响，因此更应当重视寒冷地区或严寒地区装配式建筑外墙接缝产生的热桥效应对建筑能耗产生的不良影响，提高接缝部位施工精度。

       （3）相对于外保温的传统砖混建筑而言，装配式建筑外墙接缝对建筑能耗产生的影响较大。且当墙板尺寸过小时，对建筑能耗影响最为显著，可使得采暖能耗增加高达22%；接缝尺寸对建筑能耗的影响其次。因此应当尽可能使用大尺寸的预制板，减少拼接缝数量。

参考文献

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       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。