墙体自保温系统热工性能影响因素分析

2018-03-09张国永陈氏凤张玲董泽岑如军

新型建筑材料 2018年1期

张国永，陈氏凤，张玲，董泽，岑如军

（1.浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江杭州 310012；2.浙江建设职业技术学院，浙江杭州 311231；3.浙江省发展新型墙体材料办公室，浙江杭州 310005）

0 引言

墙体保温是建筑节能的重要一环，目前外墙保温技术主要有外墙内保温、外墙外保温和墙体自保温，其中墙体自保温系统因施工便捷、综合造价低、耐久性能好等倍受人们关注[1]。近年来，多种新型墙体自保温砌块如陶粒增强加气混凝土砌块、烧结保温砌块、填充型复合保温砌块等不断被开发出来并推向市场，为墙体自保温系统的推广应用奠定坚实基础[2-5]。本文以烧结保温砌块为例，通过数值模拟分析各种因素对墙体自保温系统热工性能的影响情况，为自保温系统在墙体节能工程中的应用提供一些建议。

1 研究对象及方法

烧结保温砌块是由黏土、页岩、煤矸石等为主要原材料，掺入适量木屑、粉煤灰漂珠、石灰石等成孔材料，经挤出成型、焙烧而制成。烧结保温砌块具有较高的力学性能和良好的体积稳定性，以及与水泥砂浆粘结强度高等特点，经合理的孔型设计和配合比设计，烧结保温砌块具有较好的保温性能和隔热性能。因此烧结保温砌块是一种具有良好应用前景的自保温墙体材料。

以自主设计的烧结保温砌块（见图1）为例，使用ABAQUS有限元软件进行热工性能模拟计算[6]，研究砌块的砌筑方式、砌筑砂浆导热系数及灰缝宽度、抹灰砂浆导热系数及厚度等因素对烧结保温砌块墙体自保温系统热工性能的影响。

图1 烧结保温砌块示意

模拟计算时，将砌块或砌体的内、外侧分别设定为高温区和低温区，在温差作用下达到稳态传热，再通过计算得到砌块或砌体的热工性能。砌块或砌体的边界条件为第Ⅲ类边界条件，即高温侧环境温度为303.15K，表面换热系数为8.7W/（m2·K），低温侧环境温度为263.15K，表面换热系数为23.0W/（m2·K）。材料热工参数：烧结保温砌块本体材料导热系数取0.75W/（m·K），比热容取1050 J/（kg·K）；空气间层热阻值引用GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》，比热容取1005 J/（kg·K）；普通抹灰、砌筑砂浆导热系数取0.93 W/（m·K），比热容取1050 J/（kg·K）；保温砌筑砂浆导热系数为0.20W/（m·K），专用保温抹灰砂浆导热系数为0.15 W/（m·K），比热容取1050 J/（kg·K）。

2 影响因素分析

2.1 砌块砌筑方式对砌块热工性能的影响

为提高砌体的力学性能，砌块孔洞方向应平行于砌体高度方向，砌块的砌筑方式有2种，方式一：以190 mm×190 mm的面为砌体内（外）面，砌体厚度为240 mm（见图2），用这种方式砌筑时，墙体稳态传热时贯通热桥少；方式二：以240mm×190 mm的面为砌体内（外）面，砌体厚度为190 mm（见图3），用这种方式砌筑时，墙体稳态传热时贯通热桥较多。不同砌筑方式对砌块热工性能的影响见表1。

图2 砌筑方式一示意

图3 砌筑方式二示意

表1 不同砌筑方式对砌块热工性能的影响

由表1可见，方式一的当量导热系数仅为方式二的67.3%，保温性能明显优于后者，可见砌筑方式对烧结保温砌块墙体的热工性能起决定性作用。在实际工程中砌筑方式对墙体热工性能的影响并没有引起足够的重视，常用的节能多孔砖KP1砖，外观尺寸为240 mm×115 mm×90 mm，常采用“一顺一丁”和“梅花丁”的砌筑方式砌筑，砌体中有50%的砖块采用对墙体热工性能不利的砌筑方式砌筑，严重损害了墙体的保温性能。墙体自保温系统的推广应用中应避免出现上述现象。

2.2 砌筑砂浆对墙体热阻的影响

GB 50411—2007《建筑节能工程施工质量验收规范》明确规定：“保温砌块砌筑的墙体，应采用具有保温功能的砂浆砌筑”。以下通过模拟计算，分析砌筑砂浆的导热系数及厚度对烧结保温砌块墙体热阻的影响程度。

墙体主体模型采用图1所示的烧结保温砌块，采用不同导热系数的砌筑砂浆，砌筑方式采用方式一，砌筑砂浆厚度为10 mm，砌体内、外表面各抹20 mm厚的普通抹灰砂浆。模拟计算结果如图4所示。

图4 砌筑砂浆导热系数对墙体热阻的影响

由图4可见，随着砌筑砂浆导热系数降低，墙体的热阻逐步上升且上升趋势加快。当采用导热系数为0.93 W/（m·K）的普通砌筑砂浆砌筑时，墙体的热阻为0.685（m2·K）/W，仅为砌块热阻的89.3%。普通砌筑砂浆对烧结保温砌块墙体热工性能有较大负面作用，究其原因在于砌筑灰缝存在传热热桥。随着砌筑砂浆导热系数降低，砌筑灰缝热桥效应变得越来越不明显，当采用导热系数为0.20 W/（m·K）的保温砌筑砂浆砌筑时，墙体的热阻为0.838（m2·K）/W，是砌块热阻的1.09倍，比用普通砌筑砂浆砌筑的墙体的热阻增加22%，砌筑灰缝对墙体热工性能的负面作用已经消失。

在上述模型基础上，通过改变砌筑砂浆厚度，探究砌筑砂浆厚度对墙体热阻的影响情况。模拟计算结果如图5所示。

图5 砌筑砂浆厚度对墙体热阻的影响

由图5可见，当采用导热系数为0.93 W/（m·K）的普通砌筑砂浆砌筑时，砌筑灰缝是墙体热工的薄弱环节，随着砌筑砂浆厚度减小，墙体保温性能逐步提高，砌筑砂浆厚度从15 mm减小到5 mm，墙体热阻值增加了约16%；而采用导热系数为0.20 W/（m·K）的保温砌筑砂浆砌筑时，由于砌筑砂浆导热系数和砌块当量导热系数相近，砌筑灰缝不存在热桥缺陷，因此砌筑砂浆厚度对墙体热阻值的影响不明显。

综上分析，为提高自保温墙体的热阻，应采用保温砌筑砂浆砌筑自保温砌块，砌筑砂浆的导热系数应与砌块的当量导热系数相近。砌筑砂浆保温性能较差时，应采用薄缝砌筑方式砌筑，在一定程度上也可以提高墙体的热阻值。

2.3 抹灰砂浆对墙体传热系数的影响

墙体结构的热桥是制约墙体自保温系统保温性能的1个主要因素。目前工程中常用保温材料对墙体结构的热桥进行保温处理以降低热桥效应[7]，但存在工艺复杂、工程质量不易控制等问题。采用保温抹灰砂浆替代墙体外侧的普通抹灰砂浆是解决墙体结构热桥的有效方法之一。为此，专门研制了一种保温抹灰砂浆，抗压强度等级达M5，导热系数小于0.15 W/（m·K），兼具良好的保温性能和力学性能[8]。以下通过模拟计算，分析保温抹灰砂浆对烧结保温砌块外墙平均传热系数的影响。

墙体主体模型采用图1所示的烧结保温砌块，采用导热系数为0.20W/（m·K）的保温砌筑砂浆，砌筑方式采用方式一，砌筑砂浆厚度为10 mm，砌体内表面抹20 mm厚的普通抹灰砂浆，外侧抹不同的抹灰砂浆。外墙结构的热桥模型为240 mm厚的钢筋混凝土结构和内外侧抹灰砂浆组成，其中内侧表面为20 mm厚的普通抹灰砂浆，外侧表面的砂浆类型及厚度与墙体主体模型保持一致。经模拟计算，当外墙面积中墙体主体占60%、结构热桥占40%时，抹灰砂浆对墙体传热系数的影响结果如图6所示。

图6 抹灰砂浆对墙体传热系数的影响

由图6可见，当墙体外侧采用20 mm厚的保温抹灰砂浆替代普通抹灰砂浆时，外墙平均传热系数降至1.43 W/（m2·K），降幅达20%，已满足夏热冬冷地区居住建筑对外墙热工性能的要求。增加墙体外侧保温抹灰砂浆的厚度，外墙平均传热系数进一步降低。保温抹灰砂浆不仅可以提高墙体主体的保温性能，还能对结构热桥部位进行有效地保温处理，从而显著降低外墙平均传热系数，是提高墙体自保温系统热工性能的优选配套材料。