陶粒砌塊熱工性能計(jì)算及孔型優(yōu)化研究

朱清峰，夏多田，毛虎榮，吳士軒，呂開(kāi)清

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

陶粒砌塊熱工性能計(jì)算及孔型優(yōu)化研究

朱清峰，夏多田，毛虎榮，吳士軒，呂開(kāi)清

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

根據(jù)新疆寒冷地區(qū)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一系列390 mm×300 mm×190 mm規(guī)格的陶?；炷量招钠鰤K。從陶?；炷粱膶?dǎo)熱系數(shù)、孔洞排列數(shù)、孔洞交錯(cuò)排列等方面對(duì)砌塊的熱工性能進(jìn)行了理論分析和平均熱阻的計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn)，陶粒砌塊孔洞的排數(shù)是影響砌塊平均熱阻最主要的因素，基材的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)砌塊熱阻影響次之，孔洞交錯(cuò)排列對(duì)改善空心砌塊的熱阻效果不明顯，并提出了基于熱工因素的建議優(yōu)化孔型。

陶粒混凝土；空心砌塊；熱工性能；孔型

0 前言

隨著我國(guó)建筑節(jié)能和墻體材料改革工作的開(kāi)展，混凝土空心砌塊由于其具有節(jié)土節(jié)能的特點(diǎn)，成為替代實(shí)心黏土磚的墻體材料之一，在我國(guó)得到了大力推廣[1]。特別是輕質(zhì)混凝土空心砌塊，作為多層建筑中既承重又保溫隔熱的新型墻體材料，除了在力學(xué)性能上要滿(mǎn)足基本的要求以外，它的保溫隔熱性能也是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)[2]?？仔蛢?yōu)化是改善砌塊熱工性能的有效方法之一。滕超等[3]指出，熱流方向的孔排數(shù)對(duì)空心砌塊的熱阻影響最大，每增加一排孔，砌塊熱阻至少可增大10%，而垂直熱流方向的孔列數(shù)對(duì)其熱工性能影響很小。居松茂和李楠[4]通過(guò)正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，孔的交錯(cuò)程度對(duì)混凝土空心砌塊的熱阻影響非常小，可在熱阻值優(yōu)化計(jì)算過(guò)程中固定孔的交錯(cuò)程度，通過(guò)改變孔寬和最大限度地設(shè)置孔排數(shù)（保證砌塊強(qiáng)度的前提下）進(jìn)行砌塊熱阻值優(yōu)化計(jì)算。通過(guò)計(jì)算比較，孔寬35 mm的四排孔砌塊的熱阻值最大。張?jiān)春秃渭矽i[5]研究指出，對(duì)規(guī)格390 mm×190 mm×190 mm、每排2個(gè)孔的砌塊，當(dāng)間層寬度（大孔/小孔）為220 mm/95 mm，間層高度為190 mm，間層厚度為25 mm，間層排數(shù)為4排時(shí)，可以達(dá)到最佳熱工性能。

結(jié)合新疆地域的特點(diǎn)，課題組開(kāi)展了大摻量粉煤灰陶?；炷凛p質(zhì)空心砌塊的相關(guān)研究（以下簡(jiǎn)稱(chēng)陶粒砌塊）。本陶粒砌塊以陶粒為粗骨料，以陶砂為細(xì)骨料，以水泥和粉煤灰為主要膠凝材料并加入其它工業(yè)固廢與水拌合經(jīng)成型后制得。本文考慮孔洞交錯(cuò)排列、陶粒砌塊基材導(dǎo)熱系數(shù)和孔洞排列數(shù)等對(duì)砌塊熱阻的影響，進(jìn)行了孔型優(yōu)化設(shè)計(jì)及平均熱阻的計(jì)算，為砌塊的批量生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 陶粒砌塊孔型設(shè)計(jì)

根據(jù)新疆地區(qū)目前多層磚混結(jié)構(gòu)墻體厚度和墻體保溫節(jié)能工法，設(shè)計(jì)陶粒砌塊尺寸為390 mm×300 mm×190 mm。為研究孔洞交錯(cuò)排列對(duì)砌塊熱工性能的影響，設(shè)計(jì)出壁厚為30 mm、肋厚為20 mm的三排交錯(cuò)孔型和壁厚、肋厚都為30 mm的四排交錯(cuò)孔型，如圖1、圖2所示。為找出孔洞排列數(shù)與砌塊熱工性能之間的關(guān)系，固定砌塊的孔洞率為40%，設(shè)計(jì)出不同排數(shù)的空心砌塊，如圖3所示。

圖2 4排孔型空心砌塊設(shè)計(jì)物理模型

圖3 不同排數(shù)空心砌塊的設(shè)計(jì)物理模型

2 陶粒砌塊平均熱阻計(jì)算方法

按照GB 50176—93《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》中2種以上材料組成的計(jì)算公式，利用其外形尺寸和基材導(dǎo)熱系數(shù)，將砌塊劃分成若干個(gè)傳熱通道以計(jì)算其平均熱阻，原理如圖4所示。

圖4 空心砌塊平均熱阻計(jì)算示意

式中：F——與熱流方向垂直的傳熱面面積，m2；

L——與熱流方向垂直的傳熱面長(zhǎng)度，m；

H——與熱流方向垂直的傳熱面高度，m。

根據(jù)熱力學(xué)原理[6]，平行于傳熱方向由幾層不同材料組成，其熱阻為：

式中：Rj——各通道中各層的熱阻，（m2·K）/W，由式（3）求得：

式中：λj——各通道各層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

dj——各通道各層的厚度，m。

各通道的熱阻R0，i由式（4）計(jì)算：

式中：Ri——內(nèi)表面換熱阻，取0.11（m2·K）/W；

Re——外表面換熱阻，取0.04（m2·K）/W。

垂直于傳熱方向由2種以上的材料組合構(gòu)成的組合材料層，其平均熱阻應(yīng)按式（5）計(jì)算：

式中：F0——與傳熱方向垂直的總傳熱面積，m2；

F1、F2、...、Fn——按平行于熱流方向劃分的各個(gè)傳熱面積，m2；

R0，1、R0，2、...、R0，n——各個(gè)通道熱阻，（m2·K）/W。

φ——組合材料的修正系數(shù)，取值見(jiàn)表1。

表1 修正系數(shù)φ的取值

不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)比參照GB 50176—93選取，空氣間層的熱阻應(yīng)按表2取值。

表2 空氣間層的熱阻

3 陶粒砌塊熱工參數(shù)計(jì)算實(shí)例

3.1 參數(shù)的采集及通道的劃分

根據(jù)文獻(xiàn)[6]的方法，選擇圖1中三排孔空心砌塊中的編號(hào)6為對(duì)象，將垂直于熱流方向的總傳熱面劃分為9個(gè)傳熱面，如圖5所示。模型采用的數(shù)據(jù)主要有：陶?；炷翆?dǎo)熱系數(shù)為0.53 W/（m·K），空氣間層的熱阻取0.18（m2·K）/W。

圖5 三排孔空心砌塊傳熱通道劃分模型

3.2 計(jì)算平行于熱流方向各個(gè)傳熱面面積

根據(jù)圖5中L、L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9尺寸及H的尺寸代入式（1）計(jì)算各傳熱面的面積，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 三排空心砌塊各通道的傳熱面積m2

3.3 計(jì)算平行于熱流方向各個(gè)傳熱面部位的熱阻

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，一般平行于混凝土空心砌塊熱流方向的結(jié)構(gòu)只分為2種：（1）混凝土層；（2）混凝土+空氣層。根據(jù)圖4的尺寸，計(jì)算平行于熱流方向的傳熱面部位的熱阻需分為以下2種情況[7]：

（1）計(jì)算混凝土通道的熱阻R0，1、R0，9

以混凝土空心砌塊基材的寬度B=0.30 m，導(dǎo)熱系數(shù)λ基= 0.53 W（/m·K）為例，根據(jù)式（3）計(jì)算得R1=R9=0.30/0.53=0.5660 （m2·K）/W，再由式（4）計(jì)算R0，1=R0，9=0.7160（m2·K）/W。

（2）計(jì)算混凝土+空氣層的熱阻R0，1、R0，2、...、R0，8

根據(jù)混凝土空心砌塊中空氣間層厚度，從表2查得空氣間層的熱阻值R空=0.18（m·2K）/W，由混凝土空心砌塊寬度方向的規(guī)格可得：R2=R4=R6=R8=0.7287（m2·K）/W，再由式（4）計(jì)算可以得出：R0，2=R0，4=R0，6=R0，8=0.8787（m2·K）/W。同理R0，3= R0，7=0.8119（m2·K）/W，R0，5=0.7828（m2·K）/W。

3.4 計(jì)算修正系數(shù)φ

根據(jù)R空和空氣間層厚度，計(jì)算空氣間層的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)λ空=0.07/0.18=0.3889 W（/m·K）。與λ基比較，較小值作為分子，較大值作為分母，計(jì)算兩者的比值，得λ空/λ基=0.3889/ 0.53=0.73，其結(jié)果在范圍0.70～0.99內(nèi)，故修正系數(shù)φ取0.98。

利用3.1、3.2、3.3、3.4中的各參數(shù)，代入式（5），計(jì)算得到平均熱阻=0.6734（m2·K）/W。

考慮陶?；炷粱牟煌呐浜媳?，水泥的用量，骨料的不同成分和陶粒砌塊的密度不同會(huì)產(chǎn)生不同的導(dǎo)熱系數(shù)，圖1、圖2、圖3中各孔型砌塊的平均熱阻計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表4、表5、表6。

表4 三排孔型空心砌塊的平均熱阻（m2·K）/W

表5 四排孔型空心砌塊的平均熱阻（m2·K）/W

表6 不同孔洞排列數(shù)空心砌塊的平均熱阻

4 陶粒砌塊平均熱阻的影響因素

4.1 材料導(dǎo)熱系數(shù)、孔洞交錯(cuò)排列的影響

為進(jìn)一步分析影響空心砌塊熱阻得因素，將表4～表6數(shù)據(jù)繪制成曲線(xiàn)，見(jiàn)圖6～圖8。

圖6 三排孔砌塊平均熱阻曲線(xiàn)

圖7 四排孔砌塊平均熱阻曲線(xiàn)

圖8 孔洞排數(shù)-平均熱阻曲線(xiàn)

由表4和表5、圖6和圖7可以看出，在孔洞率、孔型的排數(shù)及布置都不變的情況下，隨著陶粒砌塊基材導(dǎo)熱系數(shù)由0.30 W/（m·K）逐漸增大到0.6 W/（m·K）時(shí)，砌塊的平均熱阻值逐漸減小，三排孔型和四排孔型具有相似的變化規(guī)律，而且導(dǎo)熱系數(shù)由0.30 W/（m·K）增大到0.35 W/（m·K）時(shí)，三排孔型和四排孔型砌塊平均熱阻減小幅度最大。當(dāng)陶?；炷粱膶?dǎo)熱系數(shù)固定、孔洞率變化很小的情況下，改變孔洞的排列方式，砌塊平均熱阻值變化很小，說(shuō)明改變孔洞排列方式對(duì)于改善砌塊的平均熱阻的效果不明顯。

4.2 孔洞排數(shù)的影響

由表6和圖8可知，在孔洞率為40%的情況下，增加砌塊中空氣間層的數(shù)目，即孔洞的排數(shù)從2排增加到5排，每增加1排，砌塊平均熱阻依次分別增大20.41%、18.95%、8.43%比較3排孔、4排孔、5排孔與2排孔砌塊的平均熱阻值發(fā)現(xiàn)3排孔、4排孔、5排孔砌塊比2排孔砌塊的平均熱阻值增幅分別為20.41%、43.22%和55.29%。可以看出砌塊孔洞的排數(shù)對(duì)空心砌塊的熱阻影響很大?？锥磁艛?shù)增加到4排以后，再通過(guò)增加孔洞排數(shù)來(lái)增大砌塊平均熱阻的效果將降低，說(shuō)明砌塊孔洞率在某一數(shù)值時(shí)，存在與最佳熱工性能相匹配的孔洞排列個(gè)數(shù)。

4.3 最佳孔型

比較選出最佳的孔型設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的3排孔型中，基材導(dǎo)熱系數(shù)為0.53 W/（m·K）時(shí)，圖3的b孔型理論計(jì)算出的平均熱阻為0.7263（m2·K）/W，較圖1中3排孔型的都大，即砌塊孔型為3排時(shí)，圖3的b孔型為所優(yōu)化的最佳孔型；圖2的4排孔1#孔型的平均熱阻為0.8703（m2·K）/W，表6中c孔型砌塊平均熱阻0.8639（m2·K）/W，兩者相差不大，考慮其生產(chǎn)工藝復(fù)雜性及條件，圖2的1#孔型砌塊生產(chǎn)較復(fù)雜一些，故選圖3的c孔型為4排孔所優(yōu)化的最佳孔型。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)陶粒砌塊熱工性能的計(jì)算與孔型優(yōu)化研究，得出如下結(jié)論：（1）孔洞的排數(shù)對(duì)砌塊平均熱阻影響很大，僅考慮熱工性能，應(yīng)設(shè)置盡可能多的孔洞排數(shù)；（2）陶?；炷粱牡膶?dǎo)熱系數(shù)對(duì)砌塊熱工性能影響較大；（3）在孔洞率和孔洞排數(shù)固定的情況下，改變孔洞的排列方式，對(duì)改善空心砌塊的熱阻效果不明顯；（4）在其力學(xué)性能及生產(chǎn)工藝允許的條件下，按其熱工性能選擇最佳的孔型為圖3中的b、c孔型?！皩?dǎo)熱系數(shù)低、多排孔”可以作為具有良好熱工性能的陶?；炷量招钠鰤K的熱工設(shè)計(jì)原則。

[1]申繪芳.復(fù)合自保溫混凝土砌塊砌體的試驗(yàn)研究[D].杭州，浙江工業(yè)大學(xué)，2010.

[2]陳利群.多排孔陶?；炷量招钠鰤K砌體基本性能研究[D].長(zhǎng)沙長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2007.

[3]滕超，楊旗，彭紅.陶?；炷量招钠鰤K孔洞結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[J].材料導(dǎo)報(bào)，2011，25（S1）：281-284.

[4]居松茂，李楠.正交試驗(yàn)在混凝土小型空心砌塊熱阻值優(yōu)化中的應(yīng)用[J].墻體革新與建筑節(jié)能，2008（11）：31-33.

[5]張?jiān)矗渭矽i.節(jié)能空心砌塊選型的正交綜合分析[J].建筑技術(shù)2009，40（4）：336-339.

[6]Yunus A Gengel，Michael A Boles.熱力學(xué)-原理及工程技術(shù)應(yīng)用[M].4版.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[7]黃嘉樑.混凝土空心砌塊熱導(dǎo)率的計(jì)算方法[J].建筑節(jié)能，2009，37 （9）：44-45.

Study on the ceramsite hollow block thermal performance calculation and the type optimization

ZHU Qingfeng，XIA Duotian，MAO Hurong，WU Shixuan，LV Kaiqing
（College of Water Conservancy and Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi 832000，China）

According to the characteristics of the cold region in Xinjiang，many of the 390 mm×300 mm×190 mm specifications of ceramsite concrete hollow blocks are designed.From the thermal conductivity of the substrate material，the holes arrangement and the holes staggered about many aspects，theoretical analysis of the thermal performance and average thermal resistance calculation of the block are carried out.The study found that one of the largest factors affecting the average thermal resistance is the holes arrangement，thermal conductivity coefficient of the substrate material takes the second place，the effect of holes staggered is not obvious，and some suggestions based on the thermal factors optimization type are put forward.

ceramsite concrete，hollow block，thermal performance，the hole type

TU522.34

A

1001-702X（2016）09-0054-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51468057）；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510759044）

2016-02-01；

2016-05-13

朱清峰，男，1990年生，河南永城人，碩士研究生，研究方向?yàn)槠鲶w結(jié)構(gòu)。