自保溫空心砌塊導(dǎo)熱性能研究

鄒堰柯

（四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰 611830）

當(dāng)前我國(guó)建筑能耗大概占總能耗的百分之三十，且還在不斷增加，目前超過(guò)九成的建筑都屬于高能耗建筑。基于此現(xiàn)狀，建筑節(jié)能是我國(guó)節(jié)能減排工作的重點(diǎn)。當(dāng)前建筑外墻保溫技術(shù)中常用的有三種，即外墻的內(nèi)保溫、外保溫、自保溫三種技術(shù)，其中自保溫技術(shù)具有耐用性、施工簡(jiǎn)便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而得到高度重視，而降低自保溫結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)是提高保溫效果，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的關(guān)鍵所在[1]。因此，必須找到一種更加理想的節(jié)能建筑材料，研發(fā)高效能的自保溫結(jié)構(gòu)，從而提高墻體節(jié)能效果。當(dāng)前，世界各國(guó)研究者已經(jīng)對(duì)自保溫混凝土空心砌塊的熱物理性能進(jìn)行了大量研究，然而針對(duì)砌塊孔洞對(duì)其熱物理性能的影響展開(kāi)的研究不多。因此，本文在分析自保溫混凝土空心砌塊的導(dǎo)熱過(guò)程的基礎(chǔ)上，探討了自保溫混凝土空心砌塊的孔洞對(duì)其熱物理性能的影響，旨在促進(jìn)自保溫混凝土空心砌塊導(dǎo)熱性能的研究與應(yīng)用，從而推動(dòng)我國(guó)建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。

1 自保溫混凝土空心砌塊導(dǎo)熱過(guò)程分析

砌塊內(nèi)進(jìn)行的導(dǎo)熱過(guò)程是熱對(duì)流、輻射、熱傳導(dǎo)三者耦合構(gòu)成的三維導(dǎo)熱過(guò)程，砌塊的導(dǎo)熱過(guò)程與其孔洞直徑、寬度有關(guān)。這種導(dǎo)熱本質(zhì)上屬于有限空間內(nèi)的熱傳遞。因此，應(yīng)該分析自保溫混凝土空心砌塊內(nèi)部空氣層的導(dǎo)熱過(guò)程。根據(jù)導(dǎo)熱方程式Q=KAΔTm可知，通過(guò)減少導(dǎo)熱面積A、導(dǎo)熱平均溫度差ΔTm、導(dǎo)熱系數(shù)K都能有效降低導(dǎo)熱量。但是因?yàn)榭陀^因素限制，在實(shí)際應(yīng)用中通常都是通過(guò)降低導(dǎo)熱系數(shù)K，增加砌塊的熱阻系數(shù)來(lái)提高砌塊的自保溫效能。

1.1 內(nèi)部空氣夾層導(dǎo)熱過(guò)程

空氣夾層的厚度往往與熱阻成反比，即厚度越小，熱阻越大，因此，現(xiàn)在出現(xiàn)了很多帶有一定空氣夾層的建筑材料[2]。例如，空心砌塊、空心磚等，它們都是利用空氣夾層的保溫隔熱特性。通常建筑材料都是通過(guò)彈性波的作用傳遞熱量，而空氣中熱量需要通過(guò)空氣分子熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行傳導(dǎo)，提高空氣夾層厚度可減少由于熱傳導(dǎo)損失的熱量，同時(shí)會(huì)增加熱對(duì)流造成的熱量損失，但是熱輻射引發(fā)的熱量損失不受空氣夾層的厚度影響[3]。因?yàn)榭諝鈯A層存在著熱對(duì)流、輻射、熱傳導(dǎo)三種導(dǎo)熱方式，使得其熱阻與厚度的變化不成比例，這就是空氣夾層具備的隔熱特點(diǎn)。自保溫混凝土空心砌塊的孔洞空氣夾層的熱阻主要與其導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流換熱系數(shù)、輻射換熱系數(shù)有關(guān)。在其他條件滿(mǎn)足的前提下，砌塊空氣夾層熱阻可表示為：

其中δ表示砌塊空氣夾層的厚度；λ1表示夾層內(nèi)空氣當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)；λ2表示夾層空氣對(duì)流當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)；λ3表示夾層壁之間的輻射當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

1.1.1 自保溫混凝土空心砌塊空氣夾層導(dǎo)熱

砌塊夾層空氣的導(dǎo)熱系數(shù)只和砌塊內(nèi)部空氣定性溫度有關(guān)，而砌塊內(nèi)部空氣定性溫度則由夾層壁之間的溫度確定，其計(jì)算公式下：

其中t1t2表示夾層壁表面溫度，通過(guò)上述公式可以求得tm的值，在結(jié)合tm與λ1的對(duì)照表得到夾層內(nèi)空氣當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)λ1的值。

1.1.2 自保溫混凝土空心砌塊空氣夾層對(duì)流換熱

自保溫混凝土空心砌塊空氣夾層對(duì)流換熱屬于有限空間內(nèi)發(fā)生的對(duì)流換熱，其大小與砌塊空氣夾層形狀、位置、厚度等因素有關(guān)。當(dāng)垂直空氣夾層的邊界產(chǎn)生溫差時(shí)，形成不均勻的溫度場(chǎng)，導(dǎo)致密度場(chǎng)不均勻，從而產(chǎn)生浮升力使得孔洞內(nèi)部的空氣發(fā)生對(duì)流，更熱的一面附近空氣上升，更冷的一面附近空氣下降，從而構(gòu)成上升/下降的氣流。如果夾層厚度較小，兩股氣流相互干擾，氣流之間相互混合，促進(jìn)了熱量傳導(dǎo)；如果夾層厚度提升，兩股氣流之間的干擾變小，夾層壁周?chē)目諝饬魉偕仙?，如果夾層厚度不斷增加到一定厚度時(shí)就會(huì)和無(wú)限空間中沿著垂直夾層壁面自然對(duì)流的情況類(lèi)似。

如果砌塊孔洞寬高比超過(guò)0.28時(shí)，夾層中的空氣對(duì)流換熱為無(wú)限空間中的自然對(duì)流換熱；如果砌塊孔洞寬高比低于0.28，夾層空氣對(duì)流換熱就為有限空間中的自然對(duì)流換熱?，F(xiàn)階段我國(guó)制造的自保溫混凝土空心砌塊孔洞寬高比均低于0.28，其夾層空氣對(duì)流換熱屬于有限空間中的自然對(duì)流換熱，其對(duì)流當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)課通過(guò)如下公式求得：

1.1.3 自保溫混凝土空心砌塊空氣夾層輻射換熱

自保溫混凝土空心砌塊內(nèi)的空氣夾層的氣體光學(xué)厚度較小，因此，可以忽略以空氣為介質(zhì)的輻射換熱過(guò)程，此時(shí)砌塊內(nèi)的輻射換熱過(guò)程只受到其內(nèi)壁材料輻射性能、溫度的影響。

2 自保溫混凝土空心砌塊孔洞對(duì)其導(dǎo)熱性能的影響

2.1 孔洞形狀對(duì)砌塊導(dǎo)熱性能的影響

砌塊材料以及孔型決定其節(jié)能效果。在孔型固定的前提下，砌塊材料的導(dǎo)熱系數(shù)與其導(dǎo)熱性能成反比；在材料相同的前提下，孔型的設(shè)計(jì)也會(huì)顯著影響其導(dǎo)熱性能。通常自保溫混凝土空心砌塊的孔型由正方形、矩形、菱形、圓形四種。這四種孔型對(duì)砌塊對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響明顯不同。通常矩形的砌塊孔洞的導(dǎo)熱系數(shù)最小，菱形次之，圓形砌塊孔洞的導(dǎo)熱系數(shù)最大，因?yàn)榫匦慰锥磧?nèi)部的空氣容易構(gòu)成長(zhǎng)路對(duì)流，不利于熱量傳導(dǎo)。而圓形孔洞內(nèi)部的空氣易產(chǎn)生短路對(duì)流，這時(shí)空氣對(duì)流換熱強(qiáng)度更大，熱量傳導(dǎo)更容易。可見(jiàn)，砌塊的孔洞越長(zhǎng)，越能有效阻隔熱量傳導(dǎo)，砌塊的保溫性能越優(yōu)良。

2.2 矩形孔洞的長(zhǎng)寬比對(duì)砌塊導(dǎo)熱性能的影響

在孔洞數(shù)量、孔洞率、砌塊形狀相同的情況下，矩形孔洞的長(zhǎng)寬比與砌塊熱阻成正比。因?yàn)槠溟L(zhǎng)寬比越大，內(nèi)部空氣流動(dòng)強(qiáng)度越低，空氣夾層熱阻越大，導(dǎo)致砌塊熱阻變大。因此，在生產(chǎn)時(shí)間中，應(yīng)該結(jié)合自保溫混凝土空心砌塊的尺寸、干燥、力學(xué)性能，盡量設(shè)計(jì)較大的矩形孔洞長(zhǎng)寬比，減小孔肋，使孔洞內(nèi)部產(chǎn)生空氣長(zhǎng)路對(duì)流，從而減少導(dǎo)熱量。通常來(lái)說(shuō)，自保溫混凝土空心砌塊內(nèi)部的矩形孔洞的長(zhǎng)寬比保持在3∶1到 6∶1范圍比較適合。

2.3 孔洞排數(shù)對(duì)砌塊導(dǎo)熱性能的影響

在砌塊孔洞率不變的情況下，改變矩形孔洞尺寸可以有效增加混砌塊孔洞排數(shù)。自保溫混凝土空心砌塊熱流方向的孔洞排數(shù)越多，其熱阻越大。因?yàn)榭锥绰氏嗤那闆r下，孔洞排數(shù)越多，其空氣層越小，矩形孔洞長(zhǎng)寬越大，空氣夾層總熱阻越大。因此要盡可能提高砌塊的孔洞排數(shù)，從而提高自保溫混凝土空心砌塊的熱物理性能。

2.4 孔洞率對(duì)砌塊導(dǎo)熱性能的影響

自保溫混凝土空心砌塊可視為混凝土、空氣夾層構(gòu)成，兩者的導(dǎo)熱系數(shù)差距明顯，砌塊孔洞率越高，其熱阻越大，從而保溫性能越好。在砌塊形狀、孔洞數(shù)目、孔洞排列數(shù)、孔洞長(zhǎng)寬比相同的前提下，孔洞率與混砌塊熱阻成正比。因?yàn)槠鰤K、空氣夾層之間構(gòu)成了導(dǎo)熱耦合體，孔洞率的增加，使得空氣夾層尺寸變大、孔壁、孔肋尺寸變小，有效隔絕了熱量傳遞，從而增加了混凝土空心砌塊的熱阻。然而在孔肋尺寸不斷變小的情況下，成型時(shí)矩形孔洞的應(yīng)力集中，增加了成型難度，因此，在滿(mǎn)足混凝土空心砌塊成型性能、強(qiáng)度的情況下，應(yīng)該盡量提高混凝土空心砌塊的孔洞率，從而提高砌塊的保溫性能，提升砌塊的熱物理性能。

3 結(jié)語(yǔ)

本文論述了自保溫混凝土空心砌塊內(nèi)發(fā)生的導(dǎo)熱過(guò)程是熱對(duì)流、輻射、熱傳導(dǎo)耦合而成的三維導(dǎo)熱過(guò)程。通過(guò)研究顯示，自保溫混凝土空心砌塊內(nèi)孔洞的結(jié)構(gòu)對(duì)砌塊的導(dǎo)熱性能有很大影響。因此，本文以自保溫混凝土空心砌塊孔洞為研究對(duì)象，分析了孔洞結(jié)構(gòu)對(duì)自保溫混凝土空心砌塊熱物理性能的影響。通過(guò)分析孔洞的導(dǎo)熱過(guò)程，建立描述砌塊耦合導(dǎo)熱過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，探討了孔洞形狀、矩形孔洞的長(zhǎng)寬比、孔洞率、孔洞排數(shù)對(duì)砌塊熱阻的影響，為自保溫混凝土空心砌塊的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。