穩(wěn)態(tài)條件下外保溫多斜度加腋錐式混凝土砌塊研究
——以河北省某地級市的民生調(diào)研為個案

王曉璐 楊建林 李鴻秋

金陵科技學(xué)院機電工程學(xué)院，江蘇 南京 211169

混凝土空心磚砌體具有重量輕、施工效率高、應(yīng)用方便等多方面優(yōu)點，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于民用建筑的框架結(jié)構(gòu)高層建筑中。K422A混凝土空心砌塊系列是國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集中已經(jīng)定型的產(chǎn)品，其中寬度為190mm的空心磚在高層建筑和小高層建筑中廣泛應(yīng)用，此類型墻體的傳熱性能雖然也引起國內(nèi)外學(xué)者的一定關(guān)注，但此這方面的研究多停留在傳統(tǒng)的多熱阻串并聯(lián)計算模型上，即便有數(shù)值計算，完善的三維計算也很少見，同時對空氣孔洞內(nèi)的氣體流速分析也很缺乏。針對這些研究的薄弱環(huán)節(jié)，本文對混凝土砌塊-加腋錐式肋塊型-K422A的主砌塊和輔助砌塊進行了數(shù)值計算，并進行了主輔砌塊之間傳熱性能的對比分析。

1 計算模型與原理

1.1 計算模型

施工時砌體中磚孔洞沿鉛垂方向，平行于墻壁面。如圖1、圖2所示，筆者按《國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集 05SG616混凝土砌塊系列塊型》中混凝土砌塊-加腋錐式肋塊型-K422A的主砌塊和輔助砌塊的尺寸[1]，結(jié)合建筑施工中實際構(gòu)造，將建筑墻體中豎直分布的各層材料均考慮在內(nèi)，構(gòu)造了一個與實際完全一致的立體三維計算模型，建立的三維模型見圖3和圖4。

圖1 K422A的主砌塊示意圖

圖2 K422A的輔助砌塊示意圖

圖3 K422A的主砌塊墻體三維模型圖

圖4 K22A的輔助砌塊示意圖

1-聚合物砂漿抹面層； 2-聚氨酯保溫層；

3-水泥砂漿層； 4-磚體；

5-空氣層； 6-石灰砂漿層；

1.2 計算用數(shù)學(xué)物理模型與方法

空心磚砌體中空氣自然對流及傳熱過程是三維穩(wěn)態(tài)對流換熱過程，滿足質(zhì)量守恒、動量守恒與能量守恒方程如下[2]。

砌體三維計算模型邊界條件為：

根據(jù)磚體實際情況，我們將空氣孔與磚體整體考慮，在空氣與磚體交界部分分離出楔塊旋轉(zhuǎn)體體積，再采用源項協(xié)同方法生成旋轉(zhuǎn)體體積網(wǎng)格。使用有限容積法對上述方程進行數(shù)值計算，速度壓力方程求解選用SIMPLE算法，對流擴散項采用二階迎風(fēng)格式。為保證精度，迭代過程的能量松弛因子設(shè)為0.9，墻體兩側(cè)均為第三類邊界條件，墻體左側(cè)室內(nèi)空氣溫度按取t=0℃，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hi=8.7 W/(m2?K) ，墻體右側(cè)室外空氣溫度按取t=40℃，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hi=18.7 W/(m2?K)[3]。砌體固體材料的密度是ρ=1700kg/m3，Cp=750 J(kg?K)，導(dǎo)熱系數(shù)λ=1.02 W/(m2?K) 。上述邊界條件中未考慮孔的冷熱壁面相互的輻射效應(yīng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)值計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)實驗結(jié)果對比誤差

對于圖1、圖2所示主砌塊和輔助砌塊，外保溫層厚度50mm的聚氨酯板內(nèi)外抹灰的砌體，計算結(jié)果是主砌塊和輔助砌塊的兩側(cè)平均熱流密度q1=17.374 W/m2和 =17.616 W/m2，傳熱系數(shù)是0.434W/（m2.K）和0.440W/（m2.K），對比《國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集 05SG616混凝土砌塊系列塊型》中混凝土砌塊-加腋錐式肋塊型-K422A的主砌塊與輔助砌塊，外保溫層厚度是50mm的聚氨酯時，傳熱系數(shù)K=0.471W/（m2?K），相對誤差分別為和，數(shù)值計算結(jié)果與規(guī)范參數(shù)符合度較好，相對誤差均不超過10%，具有較高的計算精度。

2.2 墻體溫度分布

圖5、圖6給出了混凝土砌塊-加腋錐式肋塊型-K422A的主砌塊和輔助砌塊內(nèi)部穩(wěn)態(tài)三維等溫面圖。從圖中可知，由于聚氨酯的保溫作用，整體的溫度變化主要在保溫層上。肋壁內(nèi)溫度等值面間隔均勻，使得空洞內(nèi)空氣形成回流，故熱側(cè)流體等溫面向冷側(cè)彎曲，空洞底部冷側(cè)壁面空氣向熱側(cè)回流的趨勢十分明顯。在孔洞中心的導(dǎo)熱方向取豎直切面（見圖7、圖8），切面上的溫度分布被清晰標(biāo)定。

圖5 主砌塊等溫面分布

圖6 輔助砌塊等溫面分布

圖7 主砌塊空氣中心導(dǎo)熱方向豎直切面溫度分布

2.3 空氣孔內(nèi)氣體流速分布

前文提到的空氣孔洞在導(dǎo)熱方向兩側(cè)的溫度差使得孔洞內(nèi)部空氣產(chǎn)生回流，在砌塊空氣中心導(dǎo)熱方向豎直切面流速分布圖（見圖9、圖10）中可以得到驗證。從圖中可以得到孔洞內(nèi)部空氣流速的最大值在0.0466～0.0482m/s，并且空氣的流動主要在靠近壁面的區(qū)域內(nèi)，孔洞中心區(qū)域空氣流動很慢或幾乎不流動。

圖8 輔助砌塊空氣中心導(dǎo)熱方向豎直切面溫度分布

圖9 主砌塊空氣中心導(dǎo)熱方向豎直切面流速分布

圖10 輔助砌塊大孔中心導(dǎo)熱方向豎直切面流速分布

3 結(jié)論

3.1 混凝土腋錐式肋塊型-K422A的主砌塊和輔助砌塊由于是多斜的度，建立模型時必須考慮其結(jié)構(gòu)特點，將砌體和空氣相交區(qū)域分離成楔塊面溫度分布式旋轉(zhuǎn)體，就能保證高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格。

3.2 數(shù)值計算方法能有效地分析混凝土保溫墻體內(nèi)的溫度分布情況，特別是清楚地揭示主砌塊和輔助砌塊孔洞中的溫度與速度分布特征。腋錐式混凝土砌塊由于孔洞較大，形成了明顯的空氣流動，強化了磚體內(nèi)的對流換熱。

3.3 建筑墻體施加外保溫層后，磚孔冷熱兩面輻射效應(yīng)被削弱，不考慮孔壁面輻射效應(yīng)，對計算結(jié)果無明顯影響。