热湿气候地区断热桥悬挑阳台热湿传递特性研究

Study on heat and moisture transfer characteristics of thermal break cantilevered balconies in hot-humid climate zones

摘要

阳台显著影响建筑围护结构热工性能，往往由多孔介质材料构成，在热湿气候作用下的热湿耦合传递亟待深入研究。本文采用数值模拟方法，以普通悬挑阳台、断热桥悬挑阳台为对照，研究热湿气候地区一种新型断热桥悬挑阳台的热湿传递特性。研究发现：1）仅考虑热传递时，新型断热桥悬挑阳台的热桥影响范围比普通阳台少69.9%，比传统断热桥阳台少18.4%；考虑热湿耦合传递，新型断热桥悬挑阳台的热桥影响范围分别减少89.1%与45.1%。2）新型断热桥悬挑阳台湿分排除更快，新型断热桥悬挑阳台湿分、断热桥悬挑阳台和普通阳台三年平均含湿量分别降低7.0%、5.1%和4.7%。本研究可为热湿气候地区建筑围护结构优化提供参考。

Abstract

Balconies significantly affect the thermal performance of building envelopes. They are mostly constructed with porous materials， so the coupled heat and moisture transfer under hot-humid climatic conditions requires in-depth research. This study adopts numerical simulation method to investigate the heat and moisture transfer characteristics of a novel thermal break cantilever balcony in hot-humid climate regions， with ordinary cantilever balconies as the control group. The results show that： 1） When only heat transfer is considered， the thermal bridge influence range of the novel thermal break cantilever balcony is 69.9% lower than that of the ordinary balcony and 18.4% lower than that of the conventional thermal break balcony. When considering coupled heat and moisture transfer， the thermal bridge influence range of the novel thermal break cantilever balcony decreases by 89.1% and 45.1% respectively. 2） The novel thermal break cantilever balcony achieves faster moisture discharge. The three-year average moisture content of the novel structure， conventional thermal break balcony and ordinary balcony decreases by 7.0%， 5.1% and 4.7% respectively. This study can provide references for the optimization of building envelopes in hot-humid climate regions.

Graphical abstract

关键词

悬挑阳台板 / 断热桥连接件 / 热湿耦合 / 冷凝风险

Key words

cantilevered balcony slab / thermal break connector / coupled heat and moisture transfer / condensation risk

围护结构产生的能耗约占供暖及空调能耗的20%~50%（夏热冬暖地区约为20%，夏热冬冷地区约为35%，寒冷地区约为40%，严寒地区约为50%）^［1］。为实现“碳达峰、碳中和”目标，围护结构优化是重要途径之一。阳台是建筑围护体系中的重要组成部分，对建筑能耗与室内环境有重要影响。

悬挑阳台是一种常见阳台形式，它贯通建筑内外，是典型的热桥效应高发区域。热桥对建筑能耗有重要影响，热桥导致的建筑供暖能耗增加通常在10%~30%之间^［2］。Ge 等^［3-5］ 研究发现，在多伦多地区热桥会增加全年18%的热负荷，此外，对阳台板采用热隔断处理可以使建筑采暖能耗降低5%~11%、建筑制冷能耗降低约1%。传统悬挑阳台板保温层连续性不足、节点构造复杂，难以满足建筑节能降耗需求。断热桥连接件的应用为悬挑构件的热桥控制提供了新思路，例如采用不锈钢钢筋、玻璃纤维增强塑料（GFRP）筋作为受力筋的阳台板^［6-7］。研究表明，采用断热桥连接件与高强受压试块结合的新型悬挑结构，不仅具有施工便捷与安全储备充足等优势，还可使阳台板的线热桥系数降低30%以上^［8］。然而，现有研究多聚焦于其力学性能分析，从热湿耦合传递角度的热工性能研究较少。

许多学者从热湿耦合传递角度开展了建筑围护结构性能研究^［9-14］。王莹莹等^［15］以相对湿度和温度为驱动势，建立墙体热湿耦合传递模型，研究湿传递对墙体传热的影响，结果表明，在考虑湿传递时墙体内表面相变潜热约占总传热量的27.5%，与不考虑湿传递的墙体内表面温度相差0.9 ℃。李会敏等^［16］通过研究寒冷地区钢筋混凝土柱与红砖墙形成的热桥，发现考虑湿传递作用时墙体内表面的温度会比只考虑传热作用时低，热桥使围护结构热通量增加19.6%，热桥的影响区域为距离最不利点0.4 m 左右。阳台板与外墙的连接部位是湿气积聚的高频区域，也是潜在霉菌生长的敏感部位。准确分析热桥的影响范围，可为进一步的针对性优化提供参考。

本文采用数值模拟方法，研究热湿气候地区配断热桥连接件悬挑阳台板的热湿传递特性，分析热桥影响范围与热桥湿特性，为围护结构优化提供参考。

1 模型构建与模拟研究

1.1 阳台构造模型

本文构建了新型断热桥悬挑阳台、断热桥悬挑阳台、普通悬挑阳台等三种阳台，如图 1所示。阳台板上侧墙体与下侧墙体的高度均设为1 000 mm，阳台板室外延伸长度为 1 200 mm。阳台板均采用钢筋混凝土整体浇筑。新型断热桥悬挑阳台在上部受拉区与下部受压区分别通过断热桥连接件与高强受压试块与主体楼板相连。阳台板与主体楼板之间包覆 PVC 板，并在内部填充保温岩棉材料，断热桥连接件采用玻璃纤维增强聚合物（GFRP 筋），其具体构造如图2所示，其中 PVC 外壳的尺寸为 100 mm×1 000 mm×130 mm，连接件筋的长度为1 400 mm，混凝土块的尺寸为 150 mm×100 mm×50 mm。与传统阳台整体现浇形成的“结构性热桥”不同，新型断热桥阳台采用上部GFRP筋受拉、下部高强试块受压的离散式杆系模型，在保证结构安全的同时形成保温间隙；同时，通过GFRP材料的“传力不传热”特性与内部填充岩棉的连续保温层，构建了材料与构造层面的多重防御体系。断热桥阳台在阳台板与主体楼板之间用断热桥节点进行隔断，普通阳台使用钢筋混凝土整体浇筑。

为分析热桥的影响范围，选取一系列点：点A、点B、点E、点F分别为阳台板与外墙的四个交点；点 C与点D分别位于主墙体的外表面与内表面，如图1所示。

上述构建材料的物性参数如表 1。

1.2 热湿耦合传递数学模型

WUFI® 系列软件所采用的热湿耦合传递模型，是基于Künzel于1994年提出的围护结构热湿传递计算模型 ^［17］。该模型选取温度作为热驱动势，相对湿度作为湿驱动势。

（1）湿传递控制方程

选取围护结构中任一控制元体，该体积单元中的总湿度通常可以由液态水和水蒸气两部分组成，结合 Darcy 定律和Fick 定律，根据质量守恒定律，多孔围护结构湿传递方程可表示为：

\frac{\partial W}{\partial \phi }\cdot \frac{\partial \phi }{\partial t}=\nabla \left(D_w\frac{\partial w}{\partial \phi }\nabla \phi +{\delta }_v\nabla \left(\phi P_{sat}\right)\right)（1）

式中：W表示多孔材料内的体积含湿量，kg/m³；D_w为毛细管传输系数，m² /s；φ 为相对湿度，%； δ_v为多孔材料的水蒸气扩散系数，kg/（m·s·Pa）

（2）热传递控制方程

与湿平衡控制方程类似，选取围护结构中的体积单元时，其焓的变化主要由两部分决定：一是单元表面的热流通量，二是单元内部的热源或热汇。结合 Fourier 定律和热平衡方程，可得到热传递方程：

\left(\rho c+\frac{\partial H_{\mathrm{w}}}{\partial T}\right)\cdot \frac{\partial T}{\partial t}=\nabla \cdot \left(\lambda \nabla T\right)+h_v\nabla \cdot \left({\delta }_p\nabla \left(\phi p_{\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{t}}\right)\right)（2）

式中：H表示总焓，J/m³；H_w表示材料中所含水分的焓；λ为建筑多孔材料的导热系数，W/（m·k）；h_v为相变潜热，J/kg；P_sat为饱和蒸汽压力，Pa。

（3）边界条件

对于热湿气候地区，室外湿源主要来自降雨增湿和空气对流传湿，因此经过墙体外表面的湿流量可表示为：

g_{\mathrm{e}}={\beta }_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}\left(P_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}-P_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{f},\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}\right)+g_{\mathrm{r}}（3）

室内的边界条件相对稳定，墙体内表面的湿流量可表示为：

g_{\mathrm{i}}={\beta }_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}\left(P_{\mathrm{i}}-P_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{f},\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}\right)（4）

式中：g_e和g_i分别表示通过墙体外表面和内表面的湿流量，kg/（m² ·s）；β_ext和β_int分别表示墙体外表面和内表面的对流传质系数，kg/（m²·s·Pa）；P_ext和P_i分别为室外空气和室内空气的水蒸气分压力，Pa；P_surf，ext和P_surf，int分别表示为墙体外表面和内表面的水蒸气分压力，Pa；g_r为降雨带来的湿源，kg/（m²·s）。

墙体外表面的热流量q_e由室外空气与墙体外表面的对流换热、水蒸气潜热及太阳辐射等组成：

q_{\mathrm{e}}=h_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}\left(T_a-T_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{f},\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}\right)+h_{\mathrm{v}}{\beta }_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}\left(P_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}-P_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{f},\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}\right)+{\alpha }_{I}I（5）

墙体内表面的热流量q_i由室内空气与墙体内表面的对流换热、水蒸气潜热等组成：

q_{\mathrm{i}}=h_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}\left(T_{\mathrm{i}}-T_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{f},\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}\right)+h_{\mathrm{v}}{\beta }_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}\left(P_{\mathrm{i}}-P_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{f},\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}\right)（6）

式中，h_ext和h_int分别表示墙体外表面和内表面与空气的对流换热系数，W/（m²·k）；T_a和T_i分别表示室外空气温度和室内空气温度，K；T_surf，ext和T_surf，int分别表示墙体外表面和 内表面的温度，K；α_I为墙体外表面的太阳辐射吸收系数。

1.3 模拟研究

本文采用WUFI 2D 软件模拟研究新型断热桥悬挑阳台、断热桥悬挑阳台及普通悬挑阳台在热湿气候下的热湿传递特性。本文连续模拟三年，室外侧气象参数为中国典型热湿气候区长沙市的典型气象年气候数据，来源于 EnergyPlus 官方网站 ^［21］，一年的温度和相对湿度变化曲线如图3所示。建筑材料的初始相对湿度设为80%、初始温度为20 ℃。室内侧制冷温度为 26 ℃、供暖温度为 18 ℃，室内相对湿度为 70%。根据《GB 50176—2016 民用建筑热工设计规范》 ^［1］，内表面对流换热系数取 8.7 W/（m²·K），外表面对流换热系数取 23.0 W/（m²·K），表面对流换质系数根据刘易斯关系式从对流换热系数换算获得。

2 模拟结果分析

2.1 阳台热桥热湿效应评价指标

（1）热桥影响范围

热桥会影响周围墙体的温度和热流分布。根据温度场的维度，将接近一维温度场的区域视为正常区域，将具有多维温度场的区域视为受热桥影响的区域，根据稳态条件下的温差比来计算热桥影响区域，围护结构内表面任一点 P 处的温差比 ζ 定义如下^［22］：

\varsigma =\frac{T_{\mathrm{i}}-T_{\mathrm{p}}}{T_{\mathrm{i}}-T_{\mathrm{e}}}（7）

式中：T_P为 P 点的温度，K；T_i为室内空气温度，K；T_e为室外空气温度，K。

根据上述定义可以得到阳台热桥内表面任一点的温差比，见表 2。

表中，T_nor为不受热桥影响的正常部位内表面的温度，K；T_aff为受热桥影响区域内表面的温度，K。受热桥影响区域中的每个点都必须满足式（8），当热桥热阻大于围护结构正常部位热阻时应用式（9）：

（8）

（9）

（2）体积含湿量

多孔材料的含湿量会显著影响建筑材料的导热系数，从而影响材料的保温性能。以往研究结果表明导热系数会随含湿量的增加而增大，从而导致材料的保温性能降低^［23］。含湿量有体积含湿量和质量含湿量的表示形式，本文采用体积含湿量，公式见（10）。

W=\frac{m_w}{m{}_s{}^{}}\cdot {\rho }_s（10）

式中：m_w为水的质量，kg；m_s为干燥材料的质量，kg；ρ_s为材料的密度，kg/m³。

平均体积含湿量是计算区域内体积含湿量的平均值，可表示为：

\overline{W}=\frac{{\sum }_{i=\mathrm{1}}^n=W_{\mathrm{1}}+W_{\mathrm{2}}+...+W_n}{n}（11）

式中：W₁、W₂ ⋯ W_n为单个网格的体积含湿量，kg/m³；n为所选分区域个数。

2.2 阳台结构的热传递对比

对比三种不同结构阳台室内A点第一年的温度分布，结果如图 4所示。

在温度波动幅度方面，普通阳台结构的年温差达18.8 ℃，断热桥结构为18.5 ℃，而新型断热桥结构则为18.2 ℃。数据表明，普通悬挑阳台板的温度场分布较为离散，整体热稳定性较差，导致热量损失较为显著。采用断热桥设计后，温度场分布趋于集中，结构的热工性能有所改善，保温效果得到提升。而配置GFRP连接件的悬挑阳台板进一步将高温区域约束于主体结构内部，有效抑制了热桥效应的产生，表现出最优的保温性能。

2.3 湿传递对阳台热桥效应的影响

悬挑板阳台热桥的形成主要源于建筑材料的不连续性。为深入探讨湿传递对阳台热桥效应的影响，本文分别考虑了热传递与热湿耦合传递两种情况，对不同结构阳台的内表面温度进行了对比分析。图5展示了新型断热桥悬挑阳台内表面第一年各测点温度随时间的变化情况。

阳台热桥区域内表面温度随室外气温呈现出稳定的年周期变化规律。基于此规律，本研究将聚焦于一个典型年份展开分析。对比仅考虑热传递与热湿耦合传递两种模拟情况发现，在热湿耦合条件下，测点的内表面温度在考虑热湿传递时低于单纯热传递工况。这主要是由于湿分相变过程中吸收了一部分热量，从而降低了内表面温度。受初始含湿量影响，在模拟初期，A 点与 C 点之间的温差变化不大；然而，模拟时长超过六个月后，热湿耦合作用使两点间的温差进一步增大。该现象表明，相较于主体墙体区域，热桥区域的内表面温度对湿传递过程更为敏感。

2.4 热桥影响范围

本文以室内侧受热桥影响的 A点为起点，沿室内侧垂直方向定义热桥影响范围长度，阳台板上侧长度记为L1。通过式（7）~式（9）计算得到不同保温形式阳台热桥的影响范围长度，表 3对比了不同保温形式下只考虑热传递和考虑热湿传递阳台热桥的影响范围长度。

点C的位置在影响范围之外，为分析不同阳台结构对阳台热桥的影响，分别对比了室内侧热桥影响区域内测点（点 A）和主墙体区域内测点（点 C）第一年的表面温度。

研究显示，阳台热桥对主墙体的影响呈明显的季节性特征：主要集中在室内外温差较大的冬季和夏季，这是由于冷热空气频繁交替作用引起的墙体导热不均所致；而在过渡季节，其影响则较小。此外，该影响存在时间滞后现象，表现为夏季（七月上旬）和冬季（十一月中旬）最为显著。在1月11日至31日的观测期间，普通阳台 A 点与 C 点之间存在明显温差，而采用热隔断措施的阳台，两点温度变化曲线高度一致。从绝对温度来看，普通阳台测点温度最高，断热桥阳台次之，新型断热桥悬挑阳台最低。新型断热桥悬挑阳台，断热桥悬挑阳台，普通悬挑阳台三类阳台两点间的最大温差分别为0.32 ℃、0.60 ℃ 和 0.91 ℃ 。

上表数据表明，热湿耦合传递效应会显著降低阳台热桥的影响范围长度。从不同结构的对比效果来看，普通热断桥结构对热桥影响范围的降幅63%已明显优于普通阳台结构；新型断热桥结构的性能则更为突出，降幅高达69%。值得关注的是，在热湿耦合条件下，新型断热桥结构的热桥影响范围长度，较之仅在传热条件下的数值有进一步明显缩减。这些结果均验证了新型断热桥结构具备良好的隔热性能。

2.5 阳台体积含湿量

三年内三种阳台体积含湿量变化如图7所示。

研究显示，尽管在初期6个月内受温度驱动所有阳台的体积含湿量均有所上升，但在室内外环境温差和湿度差的驱动下，不断向两侧散发水分，以三年为周期观察，其整体均呈现下降趋势。其中，采用GFRP连接件的新型断热桥阳台表现最为突出，其含湿量下降幅度最大且始终维持在最低水平。这一结果直接证明了该设计能有效提升结构的防潮性能。从三年平均含湿量下降比来看，新型断热桥悬挑阳台、断热桥悬挑阳台和普通悬挑阳台分别为7.0%、5.1%和4.7%。

3 结论

本文从热湿耦合传递角度研究热湿气候下新型热断桥悬挑阳台、热断桥悬挑阳台以及普通悬挑阳台热桥。从热桥影响范围、体积含湿量等方面探讨了三种构造阳台热桥的热湿耦合传递规律。主要结论如下：

（1）考虑热湿耦合传递，热桥区域与主墙体区域内表面温度差进一步增大。对于新型断热桥悬挑阳台、断热桥悬挑阳台和普通悬挑阳台热桥，仅考虑热传递，热桥影响区域内测点与主墙体部位测点之间的最大温差分别为 0.28 ℃、0.50 ℃ 和 0.74 ℃；考虑热湿耦合传递时，热桥影响区域内测点与主墙体部位测点之间的最大温差分别为 0.32 ℃、0.60 ℃ 和 0.91 ℃。这说明与主墙体区域相比，热桥区域内表面的温度更易受湿传递的影响。

（2）新型断热桥悬挑阳台能够有效消除热桥对主墙体温度的影响，并显著减小热桥的影响范围。仅考虑热传递时，新型断热桥悬挑阳台、断热桥悬挑阳台和普通悬挑阳台热桥的热桥影响区域长度分别为 124 mm、152 mm 和 412 mm；普通断热桥结构可使热桥影响范围降低约63%，而新型断热桥悬挑阳台结构性能更为优异，降幅达69%。考虑热湿耦合传递，影响区域长度分别为 34 mm、62 mm 和 314 mm；普通断热桥结构可使热桥影响范围降低约80%，而新型断热桥悬挑阳台结构性降幅可达89%。

（3）湿传递会导致阳台热桥内表面温度下降，考虑湿传递时内表面温度会降低0.15 ℃。三种结构阳台热桥的体积含湿量下降比例分别为 7.0%、5.1%和4.7%，显示新型断热桥结构防潮性能最佳，断热桥阳台次之，普通阳台最弱。三种阳台热桥的含湿量初期均随温度上升而增加，但后期均有所下降，其中新型断热桥悬挑阳台表现最为显著。

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基金资助

湖南省自然科学基金项目(2021JJ50089)

湖南省教育厅科学研究项目(22A0301)