新型自保温砌块的热工性能研究

骆建雄 骆小帆 杨仕超

（1、汕头市保源节能建材与装备制造科技有限公司 广东汕头515000；2、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州510500）

0 引言

建筑外围护结构的传热量占建筑整体使用能耗的70%～80%，而外墙传热又占建筑围护结构总能耗的40%［1］，因此，发展建筑外墙隔热材料是建筑节能的一个重要方面，实施建筑节能必须大幅提高外墙的热工性能［2］。混凝土小型空心砌块具有节土、节能、高强、易施工、生产过程免等多项优点，是替代实心粘土砖的较理想和实用的产品，已经成为新型墙体材料的主导产品之一，在我国各地得到了广泛的应用［3］。空心砌块内部的传热是由导热、对流和表面辐射同时作用的复杂传热过程。空心砌块热量的传递不仅仅是依靠空心砌块砖体和空气分子的导热来传递，还有孔壁面间的辐射换热以及孔内空气的对流传热。本节通过利用FLUENT模拟不同的孔洞形状、孔的排列数、孔洞率以及孔的排列方式对空心砌块当量导热系数的影响，找出孔洞结构对空心砌块热工性能的影响规律，以指导空心砌块的孔洞结构设计。只考虑固体部分导热和孔内空气对流换热时空心砌块的当量导热系数用λnat表示，考虑固体部分导热和孔内空气对流换热、孔内表面辐射换热时空心砌块的当量导热系数用λrad表示。

1 新型自保温空心砌块热工性能的影响因素

1.1 孔洞形状对空心砌块热工性能的影响

目前常见的空心砌块孔洞形状有矩形、正方形、圆形、椭圆形等（如图1）［4］。在孔洞率统一为20%时，模拟计算不同孔洞形状空心砌块的当量导热系数如图2。可见，当砖形、孔数量和孔洞率一定以及孔壁和孔肋尺寸相近时，无论考虑空心砌块孔内表面的辐射与否，圆孔空心砌块的当量导热系数最大，方孔和椭圆孔的次之，矩形孔的最小。只考虑导热、对流换热时，矩形孔比圆孔减小约27.09%，同时考虑导热、对流和辐射时，矩形孔比方孔减小约19.65%。这表明长边垂直热流方向的矩形孔具有明显的隔热性能。这可能是因为矩形孔中空气易形成长路对流，而圆孔与方孔中的空气容易形成短路对流，此时空气的对流换热强度大，易于热量的传递。矩形孔空心砌块孔肋尺寸均匀，有利于干燥和焙烧，当矩形孔短边不大于12mm时，既有较好的保温隔热性能，导热系数小，且施工砌筑时漏浆少。因此，当空心砌块孔洞率相同时，长边垂直于热流方向的矩形孔有利于提高空心砌块的热工性能。

图1 不同孔洞形状的空心砌块

图2 不同孔洞形状的空心砌块当量导热系数

1.2 矩形孔长宽比对空心砌块热工性能的影响

选择长边垂直于热流方向的矩形孔，在相同孔洞率时，模拟矩形孔的长宽比对空心砌块热工性能的影响，矩形孔长宽比的模型及模拟结果如图3～4。

图3 矩形孔长宽比的模型

图4 矩形孔长宽比对空心砌块当量导热系数的影响

图5 孔排数及孔列数的模型

从图4可知，在砖形、孔数量和孔洞率一定时，随着矩形孔的长宽比的增加，空心砌块的当量导热系数呈明显的下降趋势。这是因为方形孔中空气易形成短路对流，矩形孔内空气形成长路对流，当矩形孔的长宽比越大，其内部空气流动强度越低，空气间层热阻越大，从而导致空心砌块的当量导热系数增大。因而实际生产中，可根据空心砌块的规格尺寸、干燥和烧成收缩值以及制品的力学性能，在模具设计时尽可能增大矩形孔的长宽比，减小孔肋，以便在孔洞内容易形成空气长路对流，降低传热量，一般空心砌块中矩形孔的长宽比在 3∶1～6∶1 之间为宜。

1.3 孔洞排数和列数对空心砌块热工性能的影响

当空心砌块的孔洞率为40%时，通过改变矩形孔的尺寸可增加空心砌块的孔排数和列数如图5，其对空心砌块当量导热系数的影响如图6。

由图6a可见，空心砌块热流方向的孔排数越多，空心砌块的当量导热系数越小。这主要是由于孔洞率相同时，随着空心砌块孔排数的增多，空气间层越来越小，矩形孔的长宽比越来越大，空气间层总热阻逐渐增大，因而空心砌块的热阻增大、当量导热系数越小。当空气间层宽度减小到10mm左右时，间层内空气的热导率几乎与静止空气的热导率相同，此外参照GB 13544－2011《多孔砖和多孔砌块》中对矩形孔孔宽不大于13mm的规定，确定空心砌块中矩形孔孔宽应不大于13mm，应尽可能增多其热流方向的孔排数，提高空心砌块的热工性能。

图6 孔排数、列数与空心砌块当量导热系数的关系

由图6b可以看出，在相同孔洞率下，保证热流方向壁和肋的总宽度不变时，随着孔列数的增加，空心砌块的当量导热系数逐渐下降。这主要是因为壁、肋的导热系数比空气间层的导热系数大得多，大部分的热量通过壁、肋进行传递，随着孔列数的增加，孔肋变薄，减少了通过孔肋的传热量；同时孔的体积减小，使得孔内对流换热减弱，因而，无论考虑辐射与否，每增加一列孔，空心砌块的当量导热系数减小5%左右。

1.4 孔洞率对空心砌块热工性能的影响

空心砌块可以看作是由砖和空气间层组成，两者之间的导热系数相差很大，因而总的来说，空心砌块的孔洞率越大，其当量导热系数越小，保温隔热性能越好［5］。本研究在矩形孔的数量、长宽比不变的条件下，模拟不同孔洞率的空心砌块的传热过程，分析孔洞率对空心砌块热工性能的影响。空心砌块模型及不同孔洞率的空心砌块当量导热系数如图7～8。

图7 孔洞率的模型

图8 孔洞率与空心砌块当量导热系数的关系

由图8可见，只考虑导热、对流传热时，孔洞率为55%的空心砌块的当量导热系数比孔洞率为20%的当量导热系数减小59%；同时考虑导热、对流和辐射换热时，孔洞率为55%的空心砌块的当量导热系数比孔洞率为20%的当量导热系数减小了44%，这表明在孔排列相同时，孔内辐射对空心砌块当量导热系数的影响在15%左右。在相同砖形，孔数量、孔排列数以及孔长宽比一定的情况下，随着孔洞率的增加，空心砌块的当量导热系逐渐减小。这是因为砖和空气间层形成传热耦合体，随着孔洞率的增加，空气间层尺寸增大、孔壁和孔肋的尺寸减小，从而阻挡了热量的传递，有效的降低了空心砌块的当量导热系数［6］。但是随着孔肋尺寸的减小，成型时矩形孔的应力集中，给成型带来困难，所以在目前的生产工艺下，空心砌块的竖向孔肋宜为5～7mm，水平孔肋宜为5～6mm，壁厚宜大于10mm，孔洞率可达50%以上。因而满足空心砌块成型性能和强度时，应尽可能增大空心砌块的孔洞率，以提高其热工性能。

1.5 孔洞排列对空心砌块热工性能的影响

一般来说，空心砌块中孔洞交错排列可以在一定程度上隔断热桥，增加传热路径，增大空心砌块的热阻。一般用孔肋延长线系数表示空心砌块孔洞交错排列的程度［7］。孔肋延长线系数就是传热方向上孔肋延长线与空心砌块的宽度的比值，当空心砌块的孔洞齐排列时，空心砌块的孔肋延长线系数为1。因而本研究在孔洞率、孔的数量、大小和排列数一定时，通过改变孔的排列方式改变空心砌块的孔肋延长线系数，研究孔的排列方式对空心砌块热工性能的影响。不同孔排列的空心砌块及其对空心砌块当量导热系数的影响如图9～10。

图9 孔排列方式的模型

图10 孔排列方式与空心砌块当量导热系数的关系

由图10可看出，当孔肋延长线系数增大时，空心砌块的当量导热系数逐渐减小。当孔肋延长线系数从1.03增加到1.25时，只考虑导热、对流换热，空心砌块的当量导热系数减小约24%；同时考虑导热、对流和辐射时，当量导热系数减小约20%。这是因为砖比空气间层的导热系数大得多，大多数热量通过孔壁和孔肋进行传递，当空心砌块中的孔洞交错排列时，增大了热流传递线路，从而导致空心砌块的热阻增加，当量导热系数减小。因而将热流传递方向上的矩形孔有序交错排列可提高空心砌块的热工性能。

1.6 新型混凝土空心砌块节能设计和热工性能

⑴ 节能设计

混凝土空心砌块具有强度高，重量轻，用料少，保温性好，可机械化生产等优点，得到越来越广泛的应用。但现在的混凝土空心砌块由于砌墙时无法将接缝封死，用作外墙时雨水容易沿着接缝进入墙体内，形成渗漏现象，从而影响了混凝土空心墙体砌块的使用。另外，混凝土空心砌块的保温隔热性能较差，使建筑物难以达到《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》［6］。按以上研究结果，设计一种具有节能、防渗多孔砖，其具有优异的保温、隔热性能和防渗漏性能，如图11。

图11 新型混凝土空心砌块节能设计

图11的节能、防渗多孔砖包括由两个平行的前侧面、后侧面、上底面、下底面、左端面和右端面构成的块体，左端面和右端面上分别设置有至少一个凹槽，两块砖砌筑后左端面和右端面上的凹槽构成半盲孔或盲孔。左端面和右端面上分别设置有凹槽数为3个。凹槽构成的半盲孔或盲孔孔口为矩形或圆形或椭圆形或正方形。两个平行的侧面中任一个侧面上面设置1道或多道与左端面或右断面平行的凹槽或前后侧面凹凸嵌合的凹槽和凸起。在所述上底面设置有2条或2条以上的与侧面平行的条状突起，所述突起的长度与左端面至右端面之间的距离相等。上底面和下底面之间开设有至少2个中心线相互平行且平行于侧面的通孔。通孔的上底面开口置于每2条相邻的条状突起之间，所述通孔的上底面开口大于下底面开口。通孔中填充稻壳、稻草、或废弃聚苯乙烯中的一种或其粉碎后的混合物。

该节能、防渗多孔砖，由于在左端面和右端面上分别设置有至少一个凹槽，两块砖砌筑后左端面和右端面上的凹槽构成半盲孔或盲孔，达到了阻断砂浆热桥，提高整面砌体隔热性能的作用；另一方面，在砌块的上底面设置多条纵向的条状突起，使用时，这些条状突起在墙体中构成多道屏障，特别是多个通孔相配合，有效地阻断了外壁侧面的雨水向内壁侧面渗透。

⑵ 热工性能

选用常用7种型号的空心砌块进行性能指标测试，非稳态导热系数最小值为 0.57，最大为 0.92；稳态导热系数约为0.33～0.35左右，传热系数最小值为 0.787，最大为 1.675。可见设计出的空心砌块达到较好的节能效果，具体热工性能见表1。

表1 新型混凝土空心砌块热工性能

2 结论

本文通过研究孔洞结构对空心砌块热工性能的影响，并设计出孔结构较合理的空心砌块，有效地提高了空心砌块的热工性能。结果表明：长边垂直于热流方向的交错排列的矩形孔有利于提高空心砌块的热工性能，其长宽比在3∶1～6∶1之间为宜；矩形孔孔宽应小于13mm，且热流方向的孔排数越多，空心砌块的当量导热系数越小；无论考虑辐射与否，每增加一列孔，空心砌块的当量导热系数减小5%左右；空心砌块的孔洞率与导热系数成反比关系，即孔洞率增加，空心砌块的当量导热系数减小；空心砌块的当量导热系数随着基材导热系数的减小呈线性降低。

［1］张敬堂，周卫国.应用蒸压加气混凝土砌块待解决的技术问题探讨［J］.墙材革新与建筑节能，2014（6）

［2］翟春萍.浅谈建筑外墙自保温节能体系的特点及应用［J］. 河南建材，2011（3）

［3］骆建雄，骆小帆，李建新.自保温砌体发展现状与新技术［J］. 广东建材，2015（2）

［5］邹基.我国建筑砌块和墙板行业的现状及发展趋势［R］.中国11省市硅酸盐发展报告，2011

［6］梁倚，黄廷剑，赵娟，等.新型再生混凝土空心砖抗压强度和热工性能试验研究［J］.中国高新技术企业，2009（19）

［7］骆小帆，杨仕超，骆建雄.新型自保温防渗混凝土空心砖的研究［J］.广东土木与建筑，2014（9）

［8］吴锋，周智民，宋志斌，等.一种新型自保温轻集料混凝土多孔砖的研究［J］.混凝土与水泥制品，2012（5）