一种基于热桥密度确定住宅建筑允许线性热传递系数限值的方法

《ENERGY AND BUILDINGS》：A thermal bridge density-based methodology for determining admissible linear thermal transmittance limits in residential buildings

　　

# 摘要

当前智利建筑热工法规未为住宅建筑中的线性热桥（Ψ）规定合规限值，尽管热桥对围护结构热损失具有重要影响，却形成了法规空白。本研究提出了一种可复现的方法，用于确定可接受的Ψ限值，并引入热桥密度（dTB）这一新概念作为线性热桥（LTB）的几何描述指标。为此，本研究分析了位于智利气候区（CZ）H和I（两个供暖需求最严苛的气候区）的15种代表性住宅建筑类型中共136套公寓，这些公寓被定义为供暖空间（HS）。第一阶段，从可用的数字化项目文档中提取几何数据，以确定供暖建筑面积、围护结构尺寸和线性热桥（LTB）长度。随后，通过将智利热工要求、UNE-EN 12831–1:2019简化设计热负荷计算方法以及基于ASHRAE的日数法相结合，确定可接受的热损失系数，以将年度供暖需求目标转化为热损失限值。最后，对每个供暖空间（HS）进行反算，获得可接受的Ψ值。由于热桥密度（dTB）将线性热桥（LTB）总长度归一化到供暖建筑面积，并且与方法的热工-几何结构相一致，因此被选作几何描述指标。选择指数衰减函数作为设计模型，因为它提供了最佳的统计性能，并且与热桥（TB）能源性能的物理现实相符。所得Ψ限值随着dTB的增加而变得更为严格，提供了基于几何复杂性和气候区的差异化标准，在CZ-H中范围为0.06至0.13 W/(m·K)，在CZ-I中范围为0.06至0.14 W/(m·K)。在方法论上，所提出的方法将围护结构几何、气候严苛度和供暖需求目标联系起来，以定义可接受限值，这些限值可在设计阶段进行验证，并有可能纳入热工法规。

# 引言

住宅建筑的能效是降低最终能源消耗和推动建筑低碳化的关键目标。特别是，建筑运行占供暖和制冷最终能源需求的30%[1]，而其他来源报告称建筑可能占总最终能源消耗的20%至40%[2]。在此背景下，热工围护结构发挥着基础性作用[3]，因为它支配着通过建筑的热传递，并直接影响居住者的热舒适性和实现该目标所需的能源需求[4]。然而，考虑到建筑围护结构的复杂性，其热工性能不仅取决于其组成材料的厚度和热物理特性，还取决于施工接缝和不连续性如何产生多方向热流[5]。这种现象通常被称为热桥效应，受影响的区域被称为热桥（TB）。

热桥（TB）是建筑围护结构的一部分[6]、[7]、局部区域[8]、位置[9]或构件[10]，其特征是比周围区域具有更高的热损失；此类热工不规则性可直接导致表面冷凝和霉菌滋生[11]。上述定义总结了其他作者对该现象的研究方法；然而，文献中最全面的概念由欧洲标准EN ISO 10211:2017确立。该标准将热桥（TB）定义为建筑围护结构的一个部分，其热阻因以下因素而显著变化：不同热导率材料对建筑围护结构的全部或部分贯穿，和/或材料厚度的变化，和/或内外面积之间的差异，如出现在墙体-楼板、墙体-天花板、墙体-板和墙体-墙接缝处[6]。

同样，最常用的热桥（TB）分类法也是由该标准提供的，其中，根据建筑连接类型，热桥（TB）可以是线性的或点状的[12]。在此分类中，线性热桥（LTB）是指沿三个正交轴中之一具有均匀截面的热桥（TB）[6]，与二维（2D）接缝相关[12]，并通过线性热传递系数（Ψ）进行量化。鉴于热桥（TB）的重要性，近年来建筑围护结构热工性能的法规要求有所增加，考虑了其影响。

在工程实践中，通过热桥（TB）的热损失量化得到了标准化方法的支持[11]。标准UNE-EN 12831–1:2019[13]引入了修正热传递系数（U），通过增加允许的U值来考虑线性热桥（LTB）[14]，而ISO 14683:2017[15]则提供了简化的计算方法和热桥（TB）评估值目录。与此同时，EN ISO 10211:2017[6]建立了详细的热流计算方法，能够对任何热桥（TB）类型进行建模。然而，确定Ψ值需要定义二维（2D）几何模型、物理边界条件和量纲系统，这需要特定软件。因此，一些法规框架采用简化方法，包括使用默认值，如ISO 14683:2017[15]提供的值，或包含典型建筑节点预先计算的Ψ值的热桥（TB）图集[16]。然而，这些文件未定义可接受Ψ值的法规阈值，因为此类限值取决于各国的能源性能要求和建设背景。

因此，虽然ISO文件提供了热桥（TB）评估的技术基础，但可接受Ψ值的定义仍然是各国法规实施的问题。例如，欧洲议会指令2024/1275第4条[17]要求成员国在其国家文件中纳入热桥（TB）。因此，热桥（TB）现已纳入欧洲各国的国家建筑规范[18]，这些规范可通过官方政府网站公开获取。然而，许多国家仍未建立可接受的Ψ阈值。只有少数国家开发了明确的基于Ψ的基准来评估热桥（TB）的热工性能。这种法规异质性表明，在国际层面，热桥（TB）通过三种主要方法纳入建筑法规框架：（i）明确的Ψ值或基准，（ii）纳入整体热传递系数，以及（iii）不设具体定量阈值的减小白要求。

第一种方法包括被动房标准，它构成了最严格的参考[19]，通过设定Ψ ≤ 0.01 W/(m·K)作为认为接缝无热桥（TB）的标准。挪威采用基于供暖建筑面积的方法，使用以W/(m2·K)表示的指标，并针对大多数建筑设定热桥（TB）值 ≤ 0.05 W/(m2·K)[20]。该标准提供了建筑整体尺度的可验证合规参数，而非每个建筑接缝的尺度。比利时则提出了详细的方法，其中建筑接缝根据类型化限值进行分类。在此框架内，Ψ限值根据接缝类型变化，包括不同建筑节点的0.05、0.10和0.15 W/(m·K)等值[21]。法国将热桥（TB）要求纳入更广泛的围护结构性能框架中，该框架包括关键线性热桥（LTB）的具体限值[22]。这些国家建立了明确的Ψ值；然而，它们通常与预定义的接缝类型或建筑整体指标相关联，而非与住房的几何描述指标相关联。

第二组通过简化或间接方法纳入热桥（TB）。例如，西班牙描述了详细和简化的计算方法，考虑围护结构内热桥（TB）的总长度以确定其贡献，并包含近似Ψ值图集[23]。同样，其他文件使用惩罚系数、修正系数或目录来考虑热桥（TB）的影响，而不需要计算每个接缝的详细数值。例如，加拿大通过修正系数将热桥（TB）纳入整体热传递系数计算[24]，允许从表格值或数值计算中确定热桥（TB）。该方法便于法规实施；然而，它通常提供预定义值或计算工具，而非从能源性能目标推导可接受Ψ限值的程序。

第三组认识到热桥（TB）的相关性，但通过最小化要求或整体性能标准来处理，而非设定明确的可接受Ψ值。德国要求建筑热桥（TB）对年度供暖需求的影响尽可能低，纳入0.05 W/(m2·K)的附加费，符合公认技术规则和具有经济合理性的措施[25]。芬兰要求能源计算考虑建筑接缝的热工特性；然而，合规性主要基于整体能源性能指标，该指标按初级能源、参考热损失和结构能效指标加权，而非基于单独的Ψ限值[26]。在这些情况下，热桥（TB）被纳入整体能源性能评估，但未提供基于Ψ值的直接合规标准来评估每个线性热桥（LTB）。

在智利，更新的热工法规，即《城市规划和建设总条例》（OGUC）[27]第4.1.10条，承认了与基础-墙体处理和冷凝风险相关的热桥（TB）；然而，它并未建立可接受Ψ值的强制性性能标准。虽然《智利可持续建筑住房标准》第二卷《能源》[28]包含一个基于Ψ与相关元素U值关系的检验热桥（TB）的标准，但该文件并非强制性法规要求。此外，该文件规定热桥（TB）验证应确保Ψ值不超过相关元素U值的两倍（Ψ ≤ 2U），这在智利背景下构成了一个高度宽松的标准。

总体而言，所审查的方法表明，热桥（TB）通常通过接缝特定限值、目录、修正系数、整体热传递系数或最小化原则在国家文件中进行处理。然而，这些方法并未提供从能源性能目标、气候严苛度和住房尺度几何复杂性推导可接受Ψ限值的可转移方法。

基于这些先例，本研究提出了一种可复现的方法，用于确定热桥（TB）可接受的Ψ值。主要贡献不仅在于获得Ψ限值作为智利热工法规的输入，还在于开发一种程序，允许在其他已建立能源性能目标的气候背景下计算这些值。

为解决这一空白，本研究引入了热桥密度（dTB）作为调整可接受Ψ限值的几何描述指标。目标是开发并应用基于dTB的方法来确定住宅建筑的可接受Ψ限值。虽然该方法是通过位于气候区（CZ）H和I的智利住宅案例研究进行演示的，但所提出的框架旨在可转移至其他已提供能源性能目标和围护结构几何数据的气候和法规背景。

## 方法

为澄清方法论顺序，图1总结了本研究采用的工作流程。该程序分为三个连续阶段。第一阶段刻画案例研究的几何特征并计算dTB。第二阶段从供暖需求目标、气候严苛度和法规热工要求推导可接受的热损失系数，然后通过反算获得Ψadm,i。第三阶段定义设计函数并将……

## 案例研究

案例研究数据集由15种代表性住宅建筑类型定义，标记为B1至B15。使用可用的数字化项目文档，获取了分析中考虑的住宅单元的几何信息。每个住宅单元被视为一个供暖空间——缩写为HS——并由可用建筑面积、朝向和暴露于室外环境的围护结构尺寸单独刻画。无论源文档格式如何，相同的……

## 结果与讨论

结果和分析按照以下结构呈现。第4.1节呈现案例研究的几何特征刻画，4.2可接受线性热传递系数分析和3案例研究。3详细分别阐述了可接受系数的分析和法规建议的制定。每个子节集成了定量分析、批判性讨论及其后续设计意义。

## 结论

本研究开发并应用了基于热桥（TB）密度的方法来确定住宅建筑中可接受的线性热传递（Ψ）限值。该方法应用于分布在气候区（CZ）H和I中15种智利住宅建筑类型的136个供暖空间（HS）。主要贡献不仅限于Ψ限值数值的定义，还在于制定一种可转移的方法，将围护结构几何、……联系起来。

## CRediT作者贡献声明

José Alberto Paz-Pérez：原稿撰写、可视化、方法论、调查、形式分析、概念化。Koldobika Martin-Escudero：原稿撰写、验证、调查、资金获取。Rafael E. López-Guerrero：原稿撰写、验证、调查。Manuel Carpio：原稿撰写、监督、项目管理、资金获取、概念化。

## 利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能已经影响本论文所述的工作。

## 致谢

本研究由ANID BASAL FB210015 CENAMAD项目资助；PP2025-PP-20；C-ING-288-UGR23；以及BG23/00134。

作者谨向比奥比奥大学（Universidad del Bío-Bío）的“舒适环境与能源贫困（+CO-PE）”研究组致谢。本文是受西班牙科学创新与大学部/国家研究署（MICIU/AEI）/10.13039/ 501100011033/ 和“欧洲区域发展基金（ERDF）：打造欧洲之路”资助的项目 PID2024-156054OB-C22 的一部分。José Alberto Paz-Pérez|Koldobika Martin-Escudero|Rafael E. López-Guerrero|Manuel Carpio