預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板傳熱分析

徐磊磊

（山東華邦建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 262500）

預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫板的外墻板結(jié)構(gòu)具有復(fù)合特性。因此，在發(fā)揮傳熱作用時(shí)，需要結(jié)合各層面實(shí)際情況對(duì)傳熱效果進(jìn)行分析。通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算，對(duì)保溫板外墻結(jié)構(gòu)的傳熱質(zhì)量、外墻結(jié)構(gòu)傳熱時(shí)的能量消耗狀態(tài)等進(jìn)行全面了解。以便基于數(shù)據(jù)計(jì)算明確預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板的應(yīng)用效果。進(jìn)一步基于數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化傳熱效能，發(fā)揮好這一基礎(chǔ)原材料在具體應(yīng)用時(shí)的積極作用。

1 預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板的基本構(gòu)造

1.1 基本結(jié)構(gòu)

配置模塊化高爐渣纖維保溫外墻板包括3 個(gè)基本結(jié)構(gòu)。一是內(nèi)葉板，二是保溫層，三是錨固件。其中，內(nèi)葉板是直接傳熱對(duì)傳熱效果影響最為顯著的結(jié)構(gòu)。常規(guī)內(nèi)葉板一般會(huì)選用蒸壓加氣混凝土板作為原材料。各層面墻板結(jié)構(gòu)，通過(guò)錨固件和黏結(jié)砂漿進(jìn)行一體式連接。除了板材結(jié)構(gòu)外，外部裝飾層面也需要與上述幾個(gè)層面實(shí)現(xiàn)黏結(jié)。此板材一般采用在工廠集中預(yù)制加工的生產(chǎn)方式，生產(chǎn)完成后，結(jié)合工程項(xiàng)目進(jìn)度，按批量運(yùn)入施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用[1]。一般放置在主體板材的外側(cè)。同時(shí)，也需要做好錨固處理。當(dāng)墻體主體結(jié)構(gòu)的施工完成后。可進(jìn)一步在內(nèi)部裝修環(huán)節(jié)，對(duì)外掛的預(yù)制復(fù)合保溫一體板進(jìn)行保溫處理，整個(gè)施工應(yīng)用過(guò)程中的操作便捷性強(qiáng)，且由于可預(yù)制也能夠節(jié)約一定的施工時(shí)間成本，是現(xiàn)階段保溫板中比較常見(jiàn)的原材料。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

此類保溫墻板在實(shí)踐應(yīng)用中對(duì)不同層面的原材料選擇工作有嚴(yán)格的要求。一般情況下，會(huì)選擇密度較高的硅酸鈣板材進(jìn)行應(yīng)用，這類板材具有良好的厚度和強(qiáng)度，能夠?qū)Ρ貙踊A(chǔ)層面起到保護(hù)作用。另外，內(nèi)保溫墻板應(yīng)用時(shí)，由于其自身強(qiáng)度與穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)，能夠延長(zhǎng)整個(gè)墻體的使用壽命，墻體性能也能同步實(shí)現(xiàn)改善[2]。除此之外，預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板在預(yù)制時(shí)可對(duì)其外觀進(jìn)行規(guī)整加工，選擇不同的外觀顏色和外觀規(guī)格。這也有利于在施工應(yīng)用時(shí)，發(fā)揮出一定的裝飾性作用。建筑項(xiàng)目外觀線條及色彩呈現(xiàn)視覺(jué)效果也能得到優(yōu)化與豐富。

此外，選擇預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板的外觀顏色和規(guī)格還可以與整體建筑設(shè)計(jì)風(fēng)格相協(xié)調(diào)。不同的外觀顏色可以匹配建筑的整體色調(diào)，使其融入環(huán)境中，并突出建筑的特點(diǎn)。同時(shí)，根據(jù)建筑的需求和設(shè)計(jì)要求，可以選擇不同規(guī)格的外墻板，如不同尺寸、形狀、紋理。這種定制化的外觀設(shè)計(jì)可以滿足不同建筑項(xiàng)目的個(gè)性化需求，創(chuàng)造出獨(dú)特而吸引人的外觀效果。預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板的加工工藝也能夠提供更高的裝飾性能。在預(yù)制過(guò)程中，可以進(jìn)行表面的加工處理，如刷涂、噴涂、紋理處理等，以增加外墻板的美觀度和質(zhì)感。這樣的處理不僅可以改善建筑外觀的整體效果，還可以增強(qiáng)其耐候性和抗污性能，延長(zhǎng)外墻板的使用壽命。因此，選擇預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板時(shí)，除了考慮其保溫性能和材料特性外，還要注重其外觀設(shè)計(jì)和裝飾性能。通過(guò)合理的材料選擇、外觀顏色和規(guī)格的搭配，以及加工工藝的優(yōu)化，可以使預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板在建筑中發(fā)揮更大的裝飾作用，為建筑項(xiàng)目增添美感和價(jià)值。

1.3 保溫性能

預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板的保溫效果主要依賴于其內(nèi)部的葉板結(jié)構(gòu)。在保溫作用發(fā)揮時(shí)，內(nèi)葉板起到了關(guān)鍵的作用。通常情況下，內(nèi)葉板采用蒸壓加氣混凝土作為原材料，這種材料相比于傳統(tǒng)混凝土具有明顯的優(yōu)勢(shì)。蒸壓加氣混凝土內(nèi)葉板的成分包括硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料、鋁粉和發(fā)泡劑。經(jīng)過(guò)混合和加工后，鋁粉發(fā)泡劑的作用使混凝土內(nèi)部形成了大量的氣孔結(jié)構(gòu)。這種氣孔結(jié)構(gòu)能夠降低材料的整體密度，從而提高保溫性能。同時(shí)，氣孔結(jié)構(gòu)還能夠增加材料的吸聲性能和隔熱性能，進(jìn)一步提升墻體的保溫效果。正是由于蒸壓加氣混凝土內(nèi)葉板的這種特殊結(jié)構(gòu)，預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板在建筑保溫層施工中得到了廣泛的應(yīng)用。其不僅具有良好的保溫性能，還能夠提供較佳的隔熱效果和吸音效果，有效改善建筑內(nèi)部的舒適性。此外，預(yù)制模塊化設(shè)計(jì)使得安裝施工更加便捷，可以提高施工速度和質(zhì)量控制，縮短工期。預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板的內(nèi)葉板采用蒸壓加氣混凝土材料，通過(guò)氣孔結(jié)構(gòu)來(lái)提升保溫效果，并在建筑保溫層施工中發(fā)揮了重要作用。

2 預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板的傳熱效能計(jì)算

2.1 建筑保溫層發(fā)揮作用的形式與機(jī)理

基于不同的外墻傳熱方式，具體的傳熱機(jī)理有所差異。常見(jiàn)的傳熱方式包括墻體導(dǎo)熱、空氣對(duì)流換熱、墻體之間輻射換熱3 種。其中，熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流分子熱運(yùn)動(dòng)是能量傳輸?shù)暮诵囊x。而輻射則主要依靠電磁波發(fā)揮作用，在電磁波激發(fā)與吸收的整個(gè)流程中，同步完成能量傳輸?shù)倪^(guò)程。對(duì)于民用住宅來(lái)講，不同季節(jié)采暖設(shè)備與空調(diào)的應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)室外的環(huán)境溫差有所擴(kuò)大，熱量會(huì)從墻體的高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域，達(dá)到保持室內(nèi)外溫度平衡的效果，這也是墻體保溫材料發(fā)揮作用的基本目標(biāo)。而材料構(gòu)造與墻體兩側(cè)的溫差是影響傳熱速度的關(guān)鍵指標(biāo)。關(guān)于本文探討的預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板的熱工性能分析計(jì)算，一方面要嚴(yán)格按照民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的查詢分析[3]。另一方面，也要應(yīng)用科學(xué)有效的公式完成計(jì)算過(guò)程。

2.2 傳熱計(jì)算方法分析

2.2.1 熱阻計(jì)算方法

熱阻的計(jì)算需要根據(jù)材料層的厚度、材料傳熱系數(shù)做依據(jù)，利用專業(yè)計(jì)算公式完成數(shù)據(jù)計(jì)算，具體計(jì)算公式如下

式中：R為材料層的熱阻數(shù)值，m2·K/W；d為材料層的厚度，m。λ為材料的傳熱系數(shù)指標(biāo)，W/m·K。

對(duì)于墻體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，墻體結(jié)構(gòu)有多個(gè)不同復(fù)合的材料層組成。因此，其熱組經(jīng)過(guò)計(jì)算后的最終結(jié)果需要經(jīng)過(guò)加和，表示如下

式中：不同的R分別代表一個(gè)單層的材料熱阻。

關(guān)于傳熱阻數(shù)據(jù)的計(jì)算，實(shí)際上是對(duì)其表征指標(biāo)的計(jì)算，傳熱阻表征的是維護(hù)墻體抵抗熱能傳遞的能力。維護(hù)墻體的傳熱阻計(jì)算公式如下

式中：R0為墻體的傳熱阻；Ri為內(nèi)表面的換熱阻，i 為內(nèi)表面；Re為外表面的換熱阻，e 為外表面；R為墻體熱阻指標(biāo)。

2.2.2 傳熱系數(shù)計(jì)算

外層區(qū)域的傳熱系數(shù)是指墻體兩側(cè)空氣溫差，有單位性特征時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積墻體進(jìn)行傳熱所產(chǎn)生的系數(shù)，具體計(jì)算公式為

式中：K為計(jì)算墻體傳熱系數(shù)指標(biāo)；R0為計(jì)算墻體的傳熱組指標(biāo)；為墻體各層次材料的厚度與傳熱系數(shù)的比率求和值，j=1，2，3；Ri為內(nèi)表面的傳熱阻；Re為外表面換熱阻。

在計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，需要分別從內(nèi)墻外墻兩方面取固定數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，對(duì)傳熱系數(shù)數(shù)值進(jìn)行確定，關(guān)于傳熱系數(shù)與傳熱能力之間的關(guān)系，呈現(xiàn)正比狀態(tài)。當(dāng)墻體的傳熱系數(shù)小時(shí)，表示墻體的傳熱能力也處在較低水平，其保溫性能也相對(duì)更好（表1）。

表1 墻體各層次材料厚度、密度、溫度關(guān)系

2.2.3 熱惰性指標(biāo)計(jì)算

熱惰性指標(biāo)是相對(duì)于平均傳熱系數(shù)指標(biāo)而言的一種指標(biāo)類型，主要可表示非穩(wěn)態(tài)條件下的預(yù)制墻板傳熱能力。關(guān)于熱惰性指標(biāo)的表征要點(diǎn)為，能夠表征非穩(wěn)態(tài)傳熱條件下的熱量在墻體內(nèi)部衰減狀態(tài)的情況，熱惰性指標(biāo)的水平高低能夠準(zhǔn)確反映溫度在墻體內(nèi)衰減的狀態(tài)，指標(biāo)水平越高，衰減速度越快，熱量傳達(dá)到墻體另一側(cè)的時(shí)間成本也越高（表2）。這也從側(cè)面反映出墻體的保溫性能會(huì)同步提升，熱穩(wěn)定性更好[4]。

表2 熱惰性系數(shù)與傳熱系數(shù)關(guān)系

表2 中列出了熱惰性系數(shù)和傳熱系數(shù)之間的關(guān)系。在此表格中，熱惰性系數(shù)的值范圍從0.1%到1.0%，每次增加0.1%。傳熱系數(shù)的值是根據(jù)該熱惰性系數(shù)計(jì)算得到的，其單位為W/m·K，表示單位厚度下單位面積的熱傳導(dǎo)率?？梢钥闯?，隨著熱惰性系數(shù)的增加，傳熱系數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加。這個(gè)表格可以用來(lái)幫助我們更好地了解熱惰性系數(shù)和傳熱系數(shù)之間的關(guān)系，為預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板的傳熱分析提供參考依據(jù)。

關(guān)于材料層的蓄熱系數(shù)計(jì)算公式具體如下

式中：S為材料層的蓄熱系數(shù)，具體系數(shù)指標(biāo)按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的取值范圍進(jìn)行界定；λ 為材料層的傳熱系數(shù)數(shù)值；c為材料層的比熱容指標(biāo)；ρ 為材料層的密度指標(biāo)；T為溫度的變化周期；π 為圓周率。

通過(guò)上文分析可知，相關(guān)熱傳數(shù)據(jù)的計(jì)算有明確的公式，在具體進(jìn)行計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需結(jié)合預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板的應(yīng)用規(guī)格，分別取不同厚度的保溫板，對(duì)其傳熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[5]。以此為基礎(chǔ)，選擇適當(dāng)?shù)谋貕Π暹M(jìn)行應(yīng)用。表3為不同層面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和蓄熱系數(shù)、墻板材料厚度的計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表。

表3 不同層面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與蓄熱系數(shù)、材料厚度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

關(guān)于外墻板傳熱系數(shù)和熱惰性指標(biāo)的計(jì)算中，也可分別設(shè)置不同的保溫層厚度，基于計(jì)算公式得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，具體的保溫層厚度基礎(chǔ)設(shè)置區(qū)間為30～80 mm。表4 為具體的傳熱系數(shù)和熱惰性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表。

表4 外墻板傳熱系數(shù)與熱惰性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3 預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板熱分析流程

熱分析流程的研究需基于有限元分析模式，通過(guò)編程仿真計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)化的基本流程。在有限元仿真分析中，由于依靠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，因此，若代碼或一系列其他信息出現(xiàn)誤差，會(huì)直接導(dǎo)致流程分析結(jié)果出現(xiàn)誤差。另外，整個(gè)流程的分析也需要耗費(fèi)較高的時(shí)間成本。具體來(lái)說(shuō)，熱分析流程的要點(diǎn)包括建立幾何模型、設(shè)置基礎(chǔ)材料信息、完成網(wǎng)格劃分過(guò)程、設(shè)置邊界條件、進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算及數(shù)據(jù)處理等基本結(jié)構(gòu)。在有限元分析模型中進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算，能夠提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，節(jié)省計(jì)算時(shí)間成本。但在進(jìn)入分析之前，需對(duì)預(yù)制模塊化高爐渣纖維板仿真的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，具體參數(shù)包括幾何尺寸、材料參數(shù)、網(wǎng)格的大小和邊界條件[6]。隨后，利用專業(yè)繪圖軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行繪制。材料設(shè)置則需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料的介質(zhì)，將傳熱系數(shù)、密度等關(guān)鍵參數(shù)寫入其中。在網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié)，要求結(jié)合網(wǎng)格類型進(jìn)行系統(tǒng)性分析，不同類別的網(wǎng)格有相對(duì)應(yīng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和缺陷。需要結(jié)合具體的仿真分析要求合理選擇網(wǎng)格。最后，設(shè)置邊界條件和初始溫度條件，設(shè)置好上述信息后方可借助專業(yè)軟件和有限元分析時(shí)的關(guān)鍵指標(biāo)。結(jié)合能量守恒定律對(duì)不同節(jié)點(diǎn)的溫度和熱流密度數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，并且以云圖的形式進(jìn)行展現(xiàn)。圖1 為熱分析流程圖。

圖1 熱分析流程圖

在完成上述數(shù)據(jù)分析處理過(guò)程后，方可最終得到預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板的傳熱分析結(jié)果，從而進(jìn)一步為更好地選擇原材料測(cè)試、原材料質(zhì)量提供重要依據(jù)，這也是充分發(fā)揮出保溫外墻板作用的重要基礎(chǔ)條件。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合本文分析可知，預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板的傳熱分析有利于精準(zhǔn)觀察外墻板保溫性能，提升外墻板保溫質(zhì)量。以便取得更好的保溫外墻板應(yīng)用效果，提升預(yù)制模塊化高爐渣纖維保溫外墻板應(yīng)用性能，為具體項(xiàng)目中這一原材料的有效應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。