污泥烧结页岩多孔砖墙体热工性能研究

黄榜彪，李治，黄秉章，祁伟伟，潘佳玉，廖天权，张贝

（1.广西科技大学 土木建筑工程学院，广西 柳州　545006；2.广西荣泰设计有限责任公司，广西 柳州　545006）



污泥烧结页岩多孔砖墙体热工性能研究

黄榜彪1，李治1，黄秉章2，祁伟伟1，潘佳玉1，廖天权1，张贝1

（1.广西科技大学 土木建筑工程学院，广西 柳州545006；2.广西荣泰设计有限责任公司，广西 柳州545006）

摘要：为了研究污泥烧结页岩多孔砖墙体热工性能以及不同孔型的砖体和不同墙体构造的砖墙传热系数差异。通过热线法测定污泥烧结页岩砖导热系数以及通过防护热箱法对6面污泥烧结页岩多孔砖墙体进行传热系数检测。分析结果表明，矩形孔砖墙体热工性能比圆形孔砖墙体热工性能好，两面抹灰的墙体比素砖墙体热工性能好，一面抹灰，另外一面贴聚苯乙烯塑料板的墙体比两面抹灰的墙体热工性能好，保温层导热系数越小，对整个墙体的保温贡献越大。通过试验数据可以得出矩形孔污泥烧结页岩砖传热系数小，保温性能好，建议推广使用。

关键词：污泥烧结页岩多孔砖；热工性能；孔型；导热系数；传热系数

建筑节能很重要的一部分是依靠性能优质的墙体保温材料，然而新型墙体材料在建筑中的应用对建筑物节能有什么程度的影响，需要使用一套与之相适应的检测方法和体系。当前判断建筑的节能程度主要依靠墙体热工性能的检测技术，出具一份建筑节能检测报告，才能判定建筑物是否达到节能标准要求。而墙体结构的传热系数是墙体热工性能的主要方面，是影响建筑是否达到节能标准的重要影响因素之一。

本课题组长期从事污泥烧结页岩砖的研发及推广，并且近年来已经完成了有关力学性能试验，但是对污泥烧结页岩砖的保温隔热性能等有关研究不够深入，而且污泥烧结页岩砖并未全面推广进入市场，阻碍了污泥烧结页岩砖产业发展进度。本文对污泥烧结页岩砖单砖导热系数以及墙体传热系数的研究，可为污泥烧结页岩砖产品的推广应用打下坚实的理论基础［1-3］。

1　单砖导热系数测试

1.1热线法测试导热系数

使用热线法测试材料导热系数是一种非稳态方法。原理是在温度均匀的砖体中放置一根电阻丝为“热线”，通电后电阻丝以恒定功率加热砖体，电阻丝附近的砖体材料的温度将会随时间变化。依据砖体温度随时间变化的关系，即可确定砖体的导热系数［4］。

1.2计算原理

根据热线法的试验原理，并作了一些数学模型的改进，使用计算机模拟数学模型进行测试。利用仪器提供的热电偶信号输入，可以模拟热线法的数学模型进行测试。从测得的热线温度上升曲线上，按一定时间间隔依次读取热线的温升θi。按式（1）计算修正热线与试样热容量差异后的热线温升θi

式中：θi、θi——热线的测量值温升和修正后温升，℃；

D——热线的直径，m；

L——热线长度，m；

P——热线加热功率，W；

ρh、ρs——热线和试样的密度，kg/m3；

cph、cps——热线和试样的比热容，J（/kg·K）。

ti——测θi时的加热时间，s。

热线的加热功率按式（2）计算：

式中：I——热线加热电流，A；

V——热线段的加热电压，V。

以时间的对数ln t为横坐标，以温升θi为纵坐标，绘出ln t-θi曲线，确定其线性区域。推荐在ln t-θi曲线的线性区域内，等距选取4～5个测点数据拟合直线方程，求出其斜率A。亦可取直线区域两端测点的数据计算A，但ti应等于60～90 s。

按式（4）计算试件的导热系数：

1.3试验数据分析

本次试验所选用的砖型为圆形孔污泥烧结页岩砖以及矩形孔污泥烧结页岩砖，尺寸分别如图1和图2所示。

图1　圆形孔污泥烧结页岩砖尺寸

图2　矩形孔污泥烧结页岩砖尺寸

通过热线法测得圆形孔污泥烧结页岩砖的导热系数为0.461W/（m·K），矩形孔污泥烧结页岩砖的导热系数为0.321 W/（m·K）。矩形孔污泥烧结砖的导热系数小于圆形孔污泥烧结页岩砖的导热系数，这是由于矩形孔污泥烧结页岩砖传热路径比圆形孔污泥烧结页岩砖复杂，阻碍了多孔砖的传热，说明矩形孔的设计比圆形孔能更加有效地提高多孔砖的热工性能。

2　墙体热工性能测试

2.1防护热箱法检测墙体传热系数的原理

防护热箱法检测是根据一维稳态传热原理，分别在墙体的两侧建立所需的风速、温度以及辐射条件，这些条件分别由热箱和冷箱提供，墙体传热稳定后，测量箱体内空气温度、墙体表面温度以及箱体导流屏表面温度及输入到计量箱的功率，再通过计算求得墙体的传热系数。防护热箱设备检测墙体传热系数检测设备如图3所示。

图3　防护箱检测设备

装置分为计量箱、防护箱、冷箱和试件框。检测时将墙体砌筑在试件框内，两侧分别安放冷箱和热箱，热箱侧布局为计量箱安装在防护热箱内。冷热箱分别设定检测条件，使箱体内保持稳定的空气温度、气流速度和辐射条件。测量输入防护热箱的功率Qp，减去通过计量箱壁流失的热量Q2和墙体不平衡热流量Q3，就可得到冷热箱的传热功率Q1。通过使计量箱的温度与防护箱内相同，使墙体内的不平衡热流量Q3以及通过计量箱壁损失的热流量Q2均达到最小，可忽略。依据下列公式计算被测墙体的传热阻和传热系数［5-6］：

式中：U——墙体的传热系数，W/（m2·K）；

A——热箱的开口面积，m2；

Ta——试件附近的空气温度，K；

Tr'——所有与试件进行辐射换热的表面的辐射平均温度，K；

Ts——试件的表面温度，K；

Tni——试件热侧环境温度，K；

Tne——试件冷侧环境温度，K；

Tm——适合的平均辐射绝对温度，K；

σ——斯蒂芬常数，取5.67×10-8W/（m2·K4）；

ε——辐射率；

ε1——导流屏的辐射率；

ε2——试件表面的辐射率；

hr——辐射换热系数，W/（m2·K）。

2.2测试内容

本次试验共砌筑6面墙体试件，W-1、W-2、W-3采用圆形孔污泥烧结页岩砖砌筑，W-4、W-5、W-6采用矩形孔污泥烧结页岩砖砌筑。砌筑方式采用一顺一丁，如图4所示。不同附加层墙体试件的构造如图5所示，附加层即墙体表面保温或隔热层。

图4　试件砌筑的正面和侧面

图5　墙体试件的构造

传热系数测试步骤如下：

（1）温度传感器的布置

将墙体表面污渍、外凸的砂浆清理干净。先布置墙体冷面的温度传感器，其布置示意如图6所示。

图6　温度传感器布置示意

（2）操作界面的设置

试件安装完毕后，打开计算机，进入“稳态热传递检测系统”软件，点击系统传感器检测按钮，可观测温度传感器的数量和运行情况，设定防护箱和计量箱的温度30℃，冷箱温度为10℃；计量面积为默认值，不需变更；设置稳定时间为360 min，平衡时间为360min，数据采集间隔为30min，采集次数8次。

2.3测试结果分析（见表1）

表1　各试件的传热系数测试结果

由表1可见，污泥烧结页岩砖墙体的传热系数较小，符合广西地方标准DB 45/221—2007《广西壮族自治区居住建筑节能设计标准》的规定，在节能上存在很大的优势。

对于W-1、W-2、W-3试件，砌筑试件的基层都是圆形孔砖，由于附加层不同（见图5），导致了传热系数有较大的差异。这说明给墙体设置保温层能改善墙体的热工性能。对于W-4、W-5、W-6同样如此。

对于W-1、W-4，W-2、W-5，W-3、W-6，虽然墙体外部构造相同，但是由于砌筑材料不同，墙体传热系数也有较大差别，表明不同孔型的砖对墙体传热系数影响较大，从本次试验中可以得出，矩形孔污泥烧结页岩砖墙体的热工性能比圆形孔污泥烧结页岩砖墙体的热工性能好。

从表1可以看出，每面墙体达到稳定时，墙体冷热表面温差变化不大，主要的差别在于输入计量箱的功率。墙体的热工性能越差，输入计量箱的功率越大。也就说明节能性能越好的墙体，维持特定的环境时耗电量少。

2.4墙体传热系数理论计算

依据GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》以及传热学基本原理，在平行于热流方向，按几层不同材料组成的平壁结构的热阻公式计算［7］：

式中：δj——平行热流方向上各层材料的厚度，m；

λj——平行热流方向上各层材料的导热系数，W/（m·K）；

Ri——内表面换热阻，冬季取0.04m2·K/W；

Re——外表面换热阻，冬季取0.11m2·K/W。

在垂直于热流方向上，按照几种材料组成的组合壁平均热阻计算公式：

式中：R——平均热阻，m·2K/W；

F0——垂直热流方向的总传热面积，m2；

F1、F2、...、Fn——按平行于热流方向划分的各个传热通道的面积，m2；

R0，1、R0，2、...R0，n——各个传热部位的热阻，m2·K/W；

φ——修正系数，按表2取值。

以上计算中，空气间层的热阻值也按表2取值。

表2　修正系数取值

墙壁传热阻R0=R+Ri+Re，传热系数K=1/R0。

根据以上原理，以试件W-6墙体传热过程为例，求解墙体的传热系数。计算单元选取墙体中的1个计算单元及上下左右灰缝各5mm，如图7所示，对1个计算单元划分传热通道，划分结果如图8所示。

图7　墙体的计算单元平面和立面

图8　墙体计算单元通道划分

计算参数如下：污泥烧结页岩砖的尺寸为240mm×115 mm×90mm，干密度为1100 kg/m3、导热系数为0.7W/（m·K）；混合砂浆的导热系数为λ2=0.870W/（m·K）。试件W-5理论计算结果如表3所示。

表3　试件W-5理论计算表

污泥烧结页岩砖导热系数为0.7W/（m·K），混合砂浆导热系数为0.87W/（m·K），13mm空气层的当量导热系数为0.089 W/（m·K），16mm空气层的当量导热系数为0.099W/（m·K），23mm空气层的当量导热系数为0.141W/（m·K），39mm空气层的当量导热系数为0.218W/（m·K）。=0.559，所以取φ=0.96。

用这种方法可计算W-1～W-6的传热系数，结果见表4。

表4　各试件传热系数理论计算值

2.5误差分析

由表1与表4可知，墙体传热系数测试值和理论计算值有一定的误差，主要有以下原因：

（1）在理论计算中，墙体的传热系数是由墙体总热阻求得。墙体的总热阻是由墙体本身的热阻以及内外墙体表面的换热热阻组成，由于墙体表面换热热阻受到墙体材料表面辐射特性、表面粗糙程度、周围空气流动、墙体外表面与周围空气间的温差等因素的影响，是一个复杂的动态过程。通常我们采用的理论计算方法，把墙体的稳态传热看成一个稳定的过程，不受外界影响，其材料的导热系数、空气层的热阻以及内外表面的换热系数都不随外界因素改变而改变，是一种理想化的计算模型。理论计算是按照面积将传热各部分的热阻进行加权平均，这种方法存在很大的局限性，并不能完全反映出稳态传热过程中的热流分布、温度分布等具体情况，不能反映结构发生变化时对其传热过程的影响等。在实际测试中，墙体表面的粗糙程度、周围空气的流动特点及墙体冷表面的冷凝水都会改变墙体表面换热热阻，从而影响冷热表面的换热系数。

（2）在测试过程中，每次组装试件后，合并箱体时箱体的密封程度不一样，可能会造成热量损失，加热器产生的一部分热量用来弥补热量损失，导致加热功率变大，测量结果也会变大。

（3）墙体热传递不仅包括吸热、放热，墙体结构还存在蓄热功能，因此温度在时间上存在延迟现象。在墙体热工性能测试中，墙体的热惰性会影响到动态响应时间，使测得的数据滞后于时间点，就是说，同一时刻所测得墙体的温度值和加热功率，实际在时间上并不一致，在相同时刻流出墙体冷表面的热量与流入墙体热表面的热量也不一致，对数据的精确度产生影响［8］。

3　结论

（1）防护热箱法测试墙体传热系数时，由于热源的存在和密封良好，墙体能较快达到稳态状态。测得的数据与理论计算值相差不大，是一种较为理想的测试墙体热工性能的方法。

（2）提高墙体本身的热阻是减小墙体传热系数，改善墙体节能性最根本的方法。工程中，可通过构造保温层、增加墙体厚度等方法增大墙体结构的热阻。

（3）矩形孔污泥烧结页岩砖导热系数小于圆形孔污泥烧结页岩砖导热系数。矩形孔污泥烧结页岩砖墙体的传热系数要比相同构造的圆形孔污泥烧结页岩砖的传热系数小。在节能上存在很大的优势，建议推广使用矩形孔污泥烧结页岩砖。

参考文献：

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［4］刘顺华，耿兆祥，李长茂.热线法的应用［J］.计量与测试技术，2002 （2）：20-21.

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［8］曾德军.竹材结构墙体热特性试验研究［D］.长沙：湖南大学，2011.

（桂科攻11107021-3-5，桂科攻1099058）；

广西科技攻关项目（桂科攻12100007）；

柳州市科技局项目（2013J010404）；

广西科技厅项目（桂科攻14126001-4）

中图分类号：TU551

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）05-0030-05

基金项目：广西千亿元产业重大科技攻关项目

收稿日期：2015-11-17

作者简介：黄榜彪，男，1964年生，广西桂平人，教授级高级工程师，主要研究方向为新型建筑材料。

Sludge in sintering shale porous brick wall thermal performance study

HUANG Bangbiao1，LI Zhi1，HUANG Bingzhang2，QIWeiwei1，PAN Jiayu1，LIAO Tianquan1，ZHANG Bei1
（1.College of Civil and Architectural Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China；2.Guangxi Rong Tai Design Company，Liuzhou 545006，China）

Abstract：In order to study the sludge sintered porous brick wall thermal properties and difference in heat transfer coefficient of brick wall with different hole pattern bricks and different wall structures，the thermal conductivity of sludge sintered shale brick was determined with the hotline method，and the heat transfer coefficient of six sludge sintered shale brick wall surfaces was detected through protection hot box method.Analysis results show that the thermal performance of rectangular hole porous brick wall is better than that of the round hole perforated brick wall，the thermal performance of wall with two sides plastered is better than that of the plain brick wall，the thermal performance of wall with one side plastered and the other side stuck a polystyrene plastic panel is better than that of the wall with two side p lastered.The smaller the coefficient of thermal conductivity of the thermal insulation layer，the greater is the contribution to the whole wall heat preservation.We can conclude from the test data that the rectangle hole sludge sintered shale brick has small heat transfer coefficient and good heat preservation performance，which is recommended for wide application.

Keywords：sludge sintered shale porous brick，the thermal performance，hole pattern，coefficient of thermal conductivity，heat transfer coefficient