连锁型自保温混凝土砌块细部结构的优化

彭 玲 马新伟 张玉栋

(1.河北建筑工程学院，河北张家口075024;2.哈尔滨工业大学(威海)，山东威海264200)

0 引言

目前市场占有率较高的外墙保温系统主要是外墙外保温形式，该保温体系在使用过程中容易开裂、脱落不能与建筑物同寿命，且防火性能差，近年来事故频发，这些不易克服的缺点都使得人们不得不重新审视外墙外保温体系［1，2］.自保温混凝土砌块墙体是一种将保温材料置于墙体材料的内部的新型墙体保温形式，该种墙体能够有效克服外保温墙体的不能与建筑物同寿命等诸多缺点，其发展面临着新的机遇.鉴于此本课题组开发了一种新型自保温混凝土砌块，以形成一种新型墙体材料，进而形成一种新型的墙体保温结构形式.

自保温砌块是用导热系数低的高效保温材料填充砌块孔洞而得到的一种新型砌块.传统的将保温材料置于墙体材料内部的砌块外形规格主要为矩形，这种规格形状的砌块在块体的间肋处会形成热的直流通路，为了消除间肋处的热的直流通路，最大限度的降低块与块连接的灰缝处对保温带来的不利影响，本课题所开发的自保温混凝土砌块将砌块外形改为品字型砌块，其空心砌块的壳体材料为轻质混凝土，因其在墙体砌筑过程中相邻砌块形成连锁，故称为连锁型自保温混凝土砌块，其外部大样图如图1所示.

由图1可看出，本文砌块主块内部共四个孔洞，其中中间窄小的孔洞是空气间层，不填充保温材料，其设置的目的是为了进一步阻断热的直流通路，另外三个孔洞是填充保温材料的孔洞，相关研究表明，多排孔错孔排列的方式有利于提高块体的热工性能［3］，而同样的孔洞排列方式当孔型为矩形时空心砌块墙体的保温性能最好［4］，鉴于以上考虑该自保温混凝土砌块的细部构造如图2所示.

本文将依据非均质围护结构传热系数的简化计算来对该自保温混凝土砌块墙体的传热系数进行参数分析，结合建筑节能设计标准对围护结构传热系数限值的规定，对该品字型自保温混凝土砌块的细部构造尺寸进行优化，以此寻求满足新的建筑节能标准的要求的可推广生产的砌块构造尺寸.

1 计算方法的选择及模型的建立

1.1 计算方法的选择

建筑围护结构的传热系数K，是衡量其保温隔热性能的重要指标，是各种建筑节能设计标准中的规定性指标;其值是指在稳态传热条件下，围护结构两侧空气温差为1℃，单位时间内通过单位面积传递的热量，传热系数越小，围护结构的保温隔热性能就越好.为了更好的了解建筑围护结构的保温隔热性能，许多国家都在围护结构的热物理性能方面做了相对较系统的分析和研究.

目前工程中关于复合围护结构传热系数的简化计算通常采用热阻分析法，即先求出墙体总的传热热阻，再取其倒数求得墙体的传热系数.在热阻分析法中求围护结构总传热阻的方法有两种，分别是串并联法和并串联法［5］.

串并联法假设各串联层界面上的温度处处相等，因此串并联法比较适用于复合围护结构各层界面上的温度变化不大的情况，即复合围护结构各非均质层材料间导热系数相差不大的情况;并串联法消除了串并联法中关于各串联层界面处温度相等的假设，其假设各平行并联层间无热流通过，与实际情况仍有所差别，但较第一种方法已有所改进，同时为提高其计算精确度，工程中用修正系数来修正所得复合围护结构自身材料的总热阻，并在文献［6］中给出了修正系数值.

综合以上分析，本文采用并串联的热阻分析法来计算连锁型自保温混凝土砌块墙体的传热系数.

1.2 计算模型的建立

文中墙体的构造形式如图3所示，热工性能参数的计算选用稳态传热模型，在稳态传热过程中，当墙体的宽度和高度尺寸比厚度尺寸大的多的时候，可近似认为墙体的热能流动只沿厚度一个方向.鉴于此，根据墙体的构造形式选取其纵向剖面图中具有周期性变化的计算单元，如图所示:

由图可见任意两条虚线见的结构是周期性充复出现的，截取任意两相邻虚线见的部分作为计算单元，如图所示:

在传热系数的计算过程中，将计算单元分为15个并联传热模块，其中前7个和后7个有一一对应的关系，只计算前7个并取其2倍就涵盖了14个传热模块，然后再并联上第8个传热模块所得的即是计算单元的传热阻，通过计算单元的传热阻便可求得墙体的传热系数.具体到每一个传热模块内部，它的热阻的计算采用串联的方法.依据图中尺寸，图6是15个传热层的具体划分示意图.

将图中所示15个传热分割层的传热阻按并联等效电阻的方法来计算即可求得砌块墙体的传热阻，进而求出其墙体的传热系数.

2 计算结果与分析

2.1 中间空气间层宽度的优化

在对中间空气间层宽度尺寸进行优化时，固定块体的其他尺寸，选取填充孔洞厚度为60mm、壳体间肋为25mm、内部填充导热系数为0.038 W/(m·K)的聚苯板的块体进行分析，空气间层的变化范围从2mm到16mm，变化方式沿着块体宽度的中轴线两侧对称变化.

在中间空气层宽度变化过程中，对计算单元运用并串联的热阻分析法计算得砌块墙体的传热系数变化规律及其相对变化率如图7所示:

由图可见，在中间空气间层的宽度变化过程中，当空气间层的宽度不大于12mm时，墙体的传热系数随着中间空气间层宽度的变大而逐渐减小，但是减小的幅度越来越小，其传热系数最高降幅可达0.03 W/(m2·K);当空气间层的宽度大于12mm之后，墙体的传热系数不再随着空气间层的加宽而减小，转而随着其宽度的增加而增加，这意味着对于降低墙体的传热系数空气间层的宽度并不是越宽越好，传热系数的变化随着空气间层的宽度的增加先减小后增加.在空气间层宽度达到12mm左右时，传热系数存在极值，鉴于此在工程生产中选用12mm作为中间空气间层的宽度.

2.2 壳体间肋宽度的优化

与中间空气间层的宽度对砌块及砌块墙体热工性能影响的参数分析一样，在对壳体的间肋宽度尺寸进行优化设计时，为直接获得壳体间肋宽度对砌块及砌块墙体热工性能的影响，参数分析时固定块体的其他尺寸，只改变周边壳体间肋的宽度，其变化方式依照大样图两侧等值对称变化.为方便分析的比照对应，与前面的分析一样选用填充孔洞宽度为60mm、内部填充导热系数为0.038W/(m·K)的聚苯板的块体进行分析，此时空气间层的宽度固定在12mm.

同样运用并串联的热阻分析方法，得墙体传热系数随间肋宽度的变化而变化规律及其相对变化率如图8所示:

由图可见，当壳体间肋的宽度从40mm变化到15mm时，拉长了填充孔洞的长度，孔洞的宽度不变，这就使得填充的保温材料的体积逐渐增大，保温材料覆盖的面积逐渐加大，因此由图可见随着壳体间肋宽度逐渐变窄，墙体传热系数逐渐变小，墙体总体的保温隔热性能逐渐增强，其传热系数最高降幅可达0.15 W/(m2·K);从其相对变化率曲线可见，这种变化趋势的变化幅度并不是持续增加的，由图可见在壳体间肋从30mm变化到25mm时，其传热系数变化的幅度达到最大，之后变化的幅度不再增加转而减小.

间肋变窄会降低墙体的力学性能，所以实际工程中不能为提高墙体保温隔热性能而无限制的减小间肋的宽度，均衡考虑节能与安全两者之间的关系，工程生产中选取25mm作为壳体间肋宽度.

2.3 填充孔洞宽度的优化

在确定了中间空气间层宽度和间肋宽度后，下面分析填充孔洞的宽度对传热系数的影响，在分析填充孔洞宽度的影响时，假定块体的其他尺寸不变，填充孔洞宽度的变化范围在10mm～90mm，在块体大样图的基础上两侧对称变化，此时中间空气层的宽度和壳体间肋的宽度分别选用12mm和25mm.

运用并串联法，通过计算得填充孔洞宽度在10mm～90mm的范围变化时，其砌块墙体传热系数及其相对变化率随填充孔洞的宽度变化而变化规律如图9所示:

由图可见，对于填充保温材料的块体，当填充孔洞宽度在70mm及以上时，其砌块墙体的传热系数均小于0.6 W/(m2·K)，能够满足山东省工程建设标准《居住建筑节能设计标准》J10321－2006中对威海地区节能65%的围护结构传热系数限值的规定;由墙体传热系数相对变化曲线可见，随着孔洞宽度的变化填充保温材料的砌块墙体的传热系数不断减小，减小的幅度逐渐变缓，其传热系数最高降幅可达0.98 W/(m2·K).同时随着填充孔洞宽度的增加，墙体的力学性能逐渐减弱，综合考虑安全及建筑节能的要求，工程生产中选取70mm作为填充孔洞的宽度.

3 结论

本文通过运用复合围护结构传热系数简化计算的并串联法，对连锁型自保温混凝土砌块墙体的传热系数进行了砌块构造尺寸的参数分析，通过改变砌块的不同构造尺寸来观察其对传热系数的影响，进而结合节能和安全两个因素优化该种自保温砌块的细部构造尺寸.

(1)在满足威海地区节能65%要求的前提下，工程生产中选用的连锁型自保温混凝土砌块的外部尺寸长宽高分别为390mm×250mm×190mm，内部填充孔洞宽度选用70mm，壳体间肋宽度为25mm，中间空气层宽度选用12mm.该种砌块墙体传热系数约为0.53 W/(m2·K).

(2)文中在对砌块细部尺寸进行优化分析的过程中所选用的内部填充材料为导热系数为0.038 W/(m·K)的聚苯板，当工程实际中有更高的节能要求时，要提高砌块墙体的保温隔热性能可选用绝热性能更好的保温材料或者在保证安全的前提下适当提高填充孔洞的宽度.

［1］宋毅.建筑外墙节能技术及节能材料［J］.国外建材科技，2008，6:109～111

［2］吕佳丽.当前国内墙体保温体系浅析［J］.建材工业信息，2004，2:32～33

［3］L.P.Li，Z.G.Wu，Y.L.He，et al.Optimization of the configuration of 290 ×140 ×90 hollow clay bricks with 3－D numerical simulation by finite volume method［J］.Energy and Buildings，2008，40:1790 ～ 1798

［4］王沁芳，王智，张朝晖.轻集料混凝土空心砌块热工性能及其改善措施［J］.新型建筑材料，2006，6:58～60

［5］冉茂宇.非均质围护结构传热系数的简化计算及检测方法［J］.建筑科学，2007，3:26～30

［6］杨世铭，陶文栓.传热学［M］.第四版.北京:高等教育出版社，2006:4～11