一種高性能自保溫砌塊的設(shè)計方法

孫希琳，韓菲菲，許紅升，李美紅

（山東省建筑科學(xué)研究院，山東 濟南 250031）

0 前言

隨著建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高和先進建筑節(jié)能理念、節(jié)能技術(shù)的逐步推廣[1]，尤其是DB 37/5026—2014《居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的實施，現(xiàn)有的自保溫墻體材料很難達(dá)到節(jié)能設(shè)計要求，嚴(yán)重影響了自保溫技術(shù)的推廣應(yīng)用，制約著自保溫砌塊建筑的發(fā)展。

目前市場上240～260 mm厚的砂加氣砌塊熱阻值普遍在1.2～1.45（m2·K）/W，難以滿足 75%節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求。針對這一現(xiàn)狀，本文給出了一種砂蒸壓加氣砌塊為本體砌塊的一種高性能自保溫砌塊設(shè)計技術(shù)路線和方法。按照本路線進行自保溫砌塊孔排列方案的設(shè)計，計算和優(yōu)化孔型排列與砌體熱阻，可設(shè)計出節(jié)能保溫效果達(dá)到最佳，與無孔本體砌塊相比可提高熱阻1倍的自保溫砌塊設(shè)計方案。

1 設(shè)計依據(jù)

設(shè)計依據(jù)：JC 943—2004《混凝土多孔磚》；GB 13544—2011《燒結(jié)多孔磚和燒結(jié)多空砌塊》；GB 11968—2008《蒸壓加氣混凝土砌塊》；GB/T 15229—2011《輕集料混凝土小型空心砌塊》；GB 8239—1997《普通混凝土小型空心砌塊》；GB 50574—2010《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》；GB 50003—2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》；JGJ/T 17—2008《蒸壓加氣混凝土建筑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》；JGJ 26—2010《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》；GB/T 13475—200《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性制的測定標(biāo)定和防護熱箱法》。

2 技術(shù)路線

在選取本體砌塊較低導(dǎo)熱系數(shù)的條件下，通過孔型及孔洞率的設(shè)計，實現(xiàn)控制孔洞內(nèi)對流換熱，使對流換熱降低至極限值，通過控制孔的孔寬，實現(xiàn)最大幅度降低輻射傳熱。通過熱流分析，建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)定邊界條件，阻斷熱橋，控制熱流強度，通過軟件模擬計算，從而獲得塊體的最佳設(shè)計熱工性能。高性能自保溫砌塊見圖1。

圖1 高性能自保溫砌塊示意

3 設(shè)計步驟

3.1 孔型選擇

不同的孔型設(shè)計對自保溫砌塊的熱工性能有不可忽略的影響。一般情況下，空心自保溫砌塊的孔型有圓形、正方形、菱形和矩形4種。不同孔型對自保溫砌塊的傳熱系數(shù)的影響差異比較大，因此，對相同孔洞率情況下單排孔空心自保溫砌塊中不同的孔型平均傳熱系數(shù)進行了比較[2]，見表1。

表1 相同孔洞率情況下單排孔自保溫砌塊中不同孔型的平均傳熱系數(shù)

由表1可以看出，矩形孔型傳熱系數(shù)最小，菱形次之，圓形最大，這是因為矩形孔中空氣易形成長路對流，而圓孔與方孔中的空氣容易形成短路對流，此時空氣的對流換熱強度大，易于熱量傳遞，可見孔洞越長保溫性能越好。

3.2 孔洞率設(shè)計

孔洞率是指本體砌塊開槽部分的體積與本體砌塊體積的比值。自保溫砌塊孔洞率的大小對其熱工性能和力學(xué)性能有直接影響，合理的孔洞率可以兼顧砌塊的強度和熱阻。研究證明，蒸壓砂加氣混凝土自保溫砌塊的孔洞率一般控制在20%～25%（即計算孔洞率）。

3.3 設(shè)定砌塊抗壓強度

根據(jù)自保溫砌塊擬使用的建筑部位和節(jié)能保溫要求，參照GB 50574—2010《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》，確定自保溫砌塊的抗壓強度設(shè)計值。

砌塊抗壓強度設(shè)計值：

式中：K——修正系數(shù)，根據(jù)砌塊的材料和塊型確定，一般取0.80～0.90；蒸壓砂加氣混凝土自保溫砌塊可取0.85。確定本體砌塊的抗壓強度等級f0，及導(dǎo)熱系數(shù)λ0。

假設(shè)取自保溫砌塊抗壓強度f=4.0 MPa，K取0.80，孔洞率取20%，則：

本體砌塊抗壓強度f0=4.0/[（1-20%）×0.80]=6.25 MPa。

3.4 設(shè)定多排孔砌塊的規(guī)格尺寸，計算相關(guān)參數(shù)

假設(shè)長、寬、高分別為：597 mm、240 mm、237 mm；

則：通長扁孔長度 L通長=a-2×y=597-60=537 mm；

長扁孔孔長度 L長扁孔=（L通長-z）/2＝（537-30）/2＝253.5≈253 mm；

短扁孔孔長度 L短扁孔＝（L長扁孔-z）/2=111.5≈111 mm。

3.5 確定每排孔的個數(shù)和孔種類，計算邊界參數(shù)實際值并驗證

假定采用孔排數(shù)m為1，孔型為短扁孔個數(shù)n為4個，則：

z=（a-4×L短扁孔-2Y）/（n-1）=（597-444-60）/3=31 mm≥30 mm，符合規(guī)定。

當(dāng)z值超出規(guī)定值30 mm的50%時，應(yīng)適度調(diào)整增加y值，當(dāng)z值低于規(guī)定值30 mm時，應(yīng)調(diào)整孔型與孔數(shù)量，則：

x=（b-m×16）/（m+1）=（240-1×16）/（1+1）=112≥40 mm，符合規(guī)定。

試制樣品自保溫砌塊，進行物理性能檢測驗證：

當(dāng)物理性能滿足設(shè)計要求時，可進行以下步驟進行熱工性能優(yōu)化。

當(dāng)物理性能不滿足設(shè)計要求時，應(yīng)重復(fù)以上設(shè)計步驟，重新進行砌塊孔型及排列方案設(shè)計。

3.6 建立數(shù)學(xué)模型

以單排、4短扁孔的砌塊模型為例，穩(wěn)定傳熱的溫度場分布如圖2所示。

圖2 穩(wěn)定傳熱的溫度場分布

由此可得，砌塊總的傳熱量

砌塊總的熱阻：

當(dāng)多排孔時，計算方法同理。

以上是利用加權(quán)平均法來計算熱阻Q總，與實際傳熱存在著誤差。

若將砌塊從長度a方向上取一小段距離dx，則：通過該部分面積的熱量：

鮑照的自然山水詩風(fēng)格清新明麗，脫去了現(xiàn)實生活重壓下的愁苦不平，換以清麗的描寫和歡快的節(jié)奏。如：《代朗月行》和《代春日行》。

通過計算機編程建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合熱橋線傳熱系數(shù)Ψ計算軟件PTemp，對計算結(jié)果進行校核與篩選。

3.7 設(shè)計效果判定

R0——無孔本體砌塊的基本熱阻；R——設(shè)計砌塊的砌體熱阻的目標(biāo)值；R——總設(shè)計砌塊的砌體熱阻的模擬計算值；￠——熱阻提高倍數(shù)，%；

當(dāng)R總/R≥1時，設(shè)計結(jié)果為滿意結(jié)果；

當(dāng)R總/R＜1時，應(yīng)計算實際提高效果；

￠=（R總-R0）/R0

當(dāng)￠≥50%時，應(yīng)分析砌塊本身材料傳熱性能是否已到最大值？否則檢查設(shè)計過程，從新調(diào)整孔排數(shù)和孔型，重復(fù)按照以上步驟驗算。

當(dāng)￠＜50%時，應(yīng)分析調(diào)整孔型設(shè)計與排列，重復(fù)以上步驟驗證。

當(dāng)設(shè)計目標(biāo)￠≥100%時，設(shè)計者應(yīng)選擇無孔本體砌塊其材質(zhì)本身導(dǎo)熱系數(shù)≤0.15 W/（m·K），或較低導(dǎo)熱系數(shù)的材料進行設(shè)計。

3.8 繪制砌塊構(gòu)造（見圖3）

圖3 砌塊構(gòu)造示意

4 樣品制作與熱工性能實驗室驗證

4.1 熱工性能

按照砌塊構(gòu)造圖制作砌塊樣品，并制作1.75 m×1.75 m熱阻試驗墻。試驗墻體采用專用砌筑砂漿進行砌筑，砌筑灰縫控制在1～3 mm；砌體兩側(cè)各抹10 mm抹面砂漿。試驗墻在自然狀態(tài)下放置28 d后進行試驗。

4.1.2 測試依據(jù)

采用CD-WTF1515穩(wěn)態(tài)熱傳遞性質(zhì)測定系統(tǒng)依據(jù)GB/T 13475—2008《絕熱 穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定 標(biāo)定和防護熱箱法》。

4.1.3 測試及結(jié)果分析

砌塊的實測熱阻值R實測與砌塊的熱阻目標(biāo)值R'的比值≥0.85時，設(shè)計結(jié)果為滿意（考慮到實際節(jié)能設(shè)計中熱工設(shè)計值會選取修正系數(shù)）。

通過此設(shè)計方法設(shè)計的250 mm厚多排孔蒸壓砂加氣混凝土自保溫砌塊實測熱阻值R實測為2.57（m2·K）/W，熱阻目標(biāo)值 R'為 2.68（m2·K）/W。

R實測/R'=2.57/2.68=0.96，設(shè)計結(jié)果為滿意。

熱阻值測試完畢后，復(fù)測砌塊含水率為8%～12%，與實際工程應(yīng)用相符。

4.2 物理性能

4.2.1 測試依據(jù)

干密度、抗壓強度依據(jù)GB/T 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》進行測試，樣品尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

4.2.2 測試及結(jié)果分析

依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)對砌塊進行干密度和抗壓強度測試，若實測值能滿足砌塊的目標(biāo)值，設(shè)計結(jié)果為滿意。

5 結(jié)論

自保溫砌塊墻體具有保溫隔熱性能佳、熱工性能穩(wěn)定、隔聲性能好、防火性能好、與建筑物同使用壽命、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點。該高性能扁孔自保溫砌塊的設(shè)計方法技術(shù)路線清晰，計算簡便，是非常實用的自保溫砌塊的設(shè)計方法。根據(jù)此方法設(shè)計的自保溫砌塊熱阻值可達(dá)無孔本體砌塊的2倍，獲得最佳熱工性能及孔型。