墻體自保溫系統(tǒng)熱工性能影響因素分析

張國永 ，陳氏鳳 ，張玲 ，董澤 ，岑如軍

（1.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231；3.浙江省發(fā)展新型墻體材料辦公室，浙江 杭州 310005）

0 引言

墻體保溫是建筑節(jié)能的重要一環(huán)，目前外墻保溫技術(shù)主要有外墻內(nèi)保溫、外墻外保溫和墻體自保溫，其中墻體自保溫系統(tǒng)因施工便捷、綜合造價低、耐久性能好等倍受人們關(guān)注[1]。近年來，多種新型墻體自保溫砌塊如陶粒增強(qiáng)加氣混凝土砌塊、燒結(jié)保溫砌塊、填充型復(fù)合保溫砌塊等不斷被開發(fā)出來并推向市場，為墻體自保溫系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[2-5]。本文以燒結(jié)保溫砌塊為例，通過數(shù)值模擬分析各種因素對墻體自保溫系統(tǒng)熱工性能的影響情況，為自保溫系統(tǒng)在墻體節(jié)能工程中的應(yīng)用提供一些建議。

1 研究對象及方法

燒結(jié)保溫砌塊是由黏土、頁巖、煤矸石等為主要原材料，摻入適量木屑、粉煤灰漂珠、石灰石等成孔材料，經(jīng)擠出成型、焙燒而制成。燒結(jié)保溫砌塊具有較高的力學(xué)性能和良好的體積穩(wěn)定性，以及與水泥砂漿粘結(jié)強(qiáng)度高等特點(diǎn)，經(jīng)合理的孔型設(shè)計(jì)和配合比設(shè)計(jì)，燒結(jié)保溫砌塊具有較好的保溫性能和隔熱性能。因此燒結(jié)保溫砌塊是一種具有良好應(yīng)用前景的自保溫墻體材料。

以自主設(shè)計(jì)的燒結(jié)保溫砌塊（見圖1）為例，使用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行熱工性能模擬計(jì)算[6]，研究砌塊的砌筑方式、砌筑砂漿導(dǎo)熱系數(shù)及灰縫寬度、抹灰砂漿導(dǎo)熱系數(shù)及厚度等因素對燒結(jié)保溫砌塊墻體自保溫系統(tǒng)熱工性能的影響。

圖1 燒結(jié)保溫砌塊示意

模擬計(jì)算時，將砌塊或砌體的內(nèi)、外側(cè)分別設(shè)定為高溫區(qū)和低溫區(qū)，在溫差作用下達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱，再通過計(jì)算得到砌塊或砌體的熱工性能。砌塊或砌體的邊界條件為第Ⅲ類邊界條件，即高溫側(cè)環(huán)境溫度為303.15K，表面換熱系數(shù)為8.7W/（m2·K），低溫側(cè)環(huán)境溫度為263.15K，表面換熱系數(shù)為23.0W/（m2·K）。材料熱工參數(shù)：燒結(jié)保溫砌塊本體材料導(dǎo)熱系數(shù)取0.75W/（m·K），比熱容取1050 J/（kg·K）；空氣間層熱阻值引用GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》，比熱容取1005 J/（kg·K）；普通抹灰、砌筑砂漿導(dǎo)熱系數(shù)取0.93 W/（m·K），比熱容取1050 J/（kg·K）；保溫砌筑砂漿導(dǎo)熱系數(shù)為0.20W/（m·K），專用保溫抹灰砂漿導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W/（m·K），比熱容取1050 J/（kg·K）。

2 影響因素分析

2.1 砌塊砌筑方式對砌塊熱工性能的影響

為提高砌體的力學(xué)性能，砌塊孔洞方向應(yīng)平行于砌體高度方向，砌塊的砌筑方式有2種，方式一：以190 mm×190 mm的面為砌體內(nèi)（外）面，砌體厚度為240 mm（見圖2），用這種方式砌筑時，墻體穩(wěn)態(tài)傳熱時貫通熱橋少；方式二：以240mm×190 mm的面為砌體內(nèi)（外）面，砌體厚度為190 mm（見圖3），用這種方式砌筑時，墻體穩(wěn)態(tài)傳熱時貫通熱橋較多。不同砌筑方式對砌塊熱工性能的影響見表1。

圖2 砌筑方式一示意

圖3 砌筑方式二示意

表1 不同砌筑方式對砌塊熱工性能的影響

由表1可見，方式一的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)僅為方式二的67.3%，保溫性能明顯優(yōu)于后者，可見砌筑方式對燒結(jié)保溫砌塊墻體的熱工性能起決定性作用。在實(shí)際工程中砌筑方式對墻體熱工性能的影響并沒有引起足夠的重視，常用的節(jié)能多孔磚KP1磚，外觀尺寸為240 mm×115 mm×90 mm，常采用“一順一丁”和“梅花丁”的砌筑方式砌筑，砌體中有50%的磚塊采用對墻體熱工性能不利的砌筑方式砌筑，嚴(yán)重?fù)p害了墻體的保溫性能。墻體自保溫系統(tǒng)的推廣應(yīng)用中應(yīng)避免出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

2.2 砌筑砂漿對墻體熱阻的影響

GB 50411—2007《建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》明確規(guī)定：“保溫砌塊砌筑的墻體，應(yīng)采用具有保溫功能的砂漿砌筑”。以下通過模擬計(jì)算，分析砌筑砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)及厚度對燒結(jié)保溫砌塊墻體熱阻的影響程度。

墻體主體模型采用圖1所示的燒結(jié)保溫砌塊，采用不同導(dǎo)熱系數(shù)的砌筑砂漿，砌筑方式采用方式一，砌筑砂漿厚度為10 mm，砌體內(nèi)、外表面各抹20 mm厚的普通抹灰砂漿。模擬計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 砌筑砂漿導(dǎo)熱系數(shù)對墻體熱阻的影響

由圖4可見，隨著砌筑砂漿導(dǎo)熱系數(shù)降低，墻體的熱阻逐步上升且上升趨勢加快。當(dāng)采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.93 W/（m·K）的普通砌筑砂漿砌筑時，墻體的熱阻為0.685（m2·K）/W，僅為砌塊熱阻的89.3%。普通砌筑砂漿對燒結(jié)保溫砌塊墻體熱工性能有較大負(fù)面作用，究其原因在于砌筑灰縫存在傳熱熱橋。隨著砌筑砂漿導(dǎo)熱系數(shù)降低，砌筑灰縫熱橋效應(yīng)變得越來越不明顯，當(dāng)采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.20 W/（m·K）的保溫砌筑砂漿砌筑時，墻體的熱阻為0.838（m2·K）/W，是砌塊熱阻的1.09倍，比用普通砌筑砂漿砌筑的墻體的熱阻增加22%，砌筑灰縫對墻體熱工性能的負(fù)面作用已經(jīng)消失。

在上述模型基礎(chǔ)上，通過改變砌筑砂漿厚度，探究砌筑砂漿厚度對墻體熱阻的影響情況。模擬計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 砌筑砂漿厚度對墻體熱阻的影響

由圖5可見，當(dāng)采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.93 W/（m·K）的普通砌筑砂漿砌筑時，砌筑灰縫是墻體熱工的薄弱環(huán)節(jié)，隨著砌筑砂漿厚度減小，墻體保溫性能逐步提高，砌筑砂漿厚度從15 mm減小到5 mm，墻體熱阻值增加了約16%；而采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.20 W/（m·K）的保溫砌筑砂漿砌筑時，由于砌筑砂漿導(dǎo)熱系數(shù)和砌塊當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)相近，砌筑灰縫不存在熱橋缺陷，因此砌筑砂漿厚度對墻體熱阻值的影響不明顯。

綜上分析，為提高自保溫墻體的熱阻，應(yīng)采用保溫砌筑砂漿砌筑自保溫砌塊，砌筑砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)與砌塊的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)相近。砌筑砂漿保溫性能較差時，應(yīng)采用薄縫砌筑方式砌筑，在一定程度上也可以提高墻體的熱阻值。

2.3 抹灰砂漿對墻體傳熱系數(shù)的影響

墻體結(jié)構(gòu)的熱橋是制約墻體自保溫系統(tǒng)保溫性能的1個主要因素。目前工程中常用保溫材料對墻體結(jié)構(gòu)的熱橋進(jìn)行保溫處理以降低熱橋效應(yīng)[7]，但存在工藝復(fù)雜、工程質(zhì)量不易控制等問題。采用保溫抹灰砂漿替代墻體外側(cè)的普通抹灰砂漿是解決墻體結(jié)構(gòu)熱橋的有效方法之一。為此，專門研制了一種保溫抹灰砂漿，抗壓強(qiáng)度等級達(dá)M5，導(dǎo)熱系數(shù)小于0.15 W/（m·K），兼具良好的保溫性能和力學(xué)性能[8]。以下通過模擬計(jì)算，分析保溫抹灰砂漿對燒結(jié)保溫砌塊外墻平均傳熱系數(shù)的影響。

墻體主體模型采用圖1所示的燒結(jié)保溫砌塊，采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.20W/（m·K）的保溫砌筑砂漿，砌筑方式采用方式一，砌筑砂漿厚度為10 mm，砌體內(nèi)表面抹20 mm厚的普通抹灰砂漿，外側(cè)抹不同的抹灰砂漿。外墻結(jié)構(gòu)的熱橋模型為240 mm厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和內(nèi)外側(cè)抹灰砂漿組成，其中內(nèi)側(cè)表面為20 mm厚的普通抹灰砂漿，外側(cè)表面的砂漿類型及厚度與墻體主體模型保持一致。經(jīng)模擬計(jì)算，當(dāng)外墻面積中墻體主體占60%、結(jié)構(gòu)熱橋占40%時，抹灰砂漿對墻體傳熱系數(shù)的影響結(jié)果如圖6所示。

圖6 抹灰砂漿對墻體傳熱系數(shù)的影響

由圖6可見，當(dāng)墻體外側(cè)采用20 mm厚的保溫抹灰砂漿替代普通抹灰砂漿時，外墻平均傳熱系數(shù)降至1.43 W/（m2·K），降幅達(dá)20%，已滿足夏熱冬冷地區(qū)居住建筑對外墻熱工性能的要求。增加墻體外側(cè)保溫抹灰砂漿的厚度，外墻平均傳熱系數(shù)進(jìn)一步降低。保溫抹灰砂漿不僅可以提高墻體主體的保溫性能，還能對結(jié)構(gòu)熱橋部位進(jìn)行有效地保溫處理，從而顯著降低外墻平均傳熱系數(shù)，是提高墻體自保溫系統(tǒng)熱工性能的優(yōu)選配套材料。

3 結(jié)語

（1）燒結(jié)保溫砌塊的砌筑方式應(yīng)使砌塊空腔在沿墻體厚度方向上交錯排列，延長傳熱路徑，降低砌塊當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，反之砌塊的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)會增加近50%。

（2）保溫砌筑砂漿能有效提高墻體主體的熱阻，采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.20 W/（m·K）的保溫砌筑砂漿替代導(dǎo)熱系數(shù)為0.93 W/（m·K）的普通砌筑砂漿，墻體熱阻增加22%。

（3）保溫抹灰砂漿不僅可以提高墻體主體的保溫性能，還能對結(jié)構(gòu)熱橋部位進(jìn)行有效地保溫處理，從而顯著降低外墻平均傳熱系數(shù)，采用20 mm厚、導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W/（m·K）、強(qiáng)度等級為M5的保溫抹灰砂漿替代普通抹灰砂漿對墻體外側(cè)進(jìn)行抹面，墻體平均傳熱系數(shù)可下降20%。

[1] 姜浩，趙珂.建筑墻體節(jié)能發(fā)展概述[J].四川建材，2017（9）：21-22.

[2] 錢曉倩，邱勇，詹樹林，等.陶粒增強(qiáng)加氣砌塊外墻自保溫體系[J].新型建筑材料，2007（5）：56-58.

[3] 張榮虎，李金星.燒結(jié)保溫砌塊在建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的探討[J].磚瓦，2011（9）：57-59.

[4] 許擁勝.節(jié)能65%的燒結(jié)保溫砌塊研發(fā)思路[J].磚瓦世界，2011（1）：42-46.

[5] 于獻(xiàn)青，張國永.燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊的研制和工程應(yīng)用[J].墻材革新與建筑節(jié)能，2016（6）：35-38.

[6] 張國永，王立，劉亞輝，等.燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊熱工性能數(shù)值模擬研究[J].新型建筑材料，2016（11）：39-42.

[7] 李科君，查開鵬.外墻自保溫系統(tǒng)施工工藝分析[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2017（9）：149-150.

[8] 張國永，謝含，董澤，等.復(fù)合輕質(zhì)骨料保溫抹灰砂漿的制備與性能研究[J].新型建筑材料，2017（12）：23-24.