預(yù)制混凝土夾心墻板熱工性能模擬分析

朱文祥，魏燕麗，張海遐，許錦峰，吳志敏，蔡旻

（1.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210008；2.江蘇建科節(jié)能技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210008；3.江蘇省綠色建筑與結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，江蘇 南京 210008）

0 引言

隨著季節(jié)的交替變化，建筑物內(nèi)外界的熱量交換呈周期性變化，圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度與通過的熱流也將發(fā)生變化，整個傳熱過程呈不穩(wěn)定狀態(tài)[1]。外圍護墻體作為建筑熱量傳導(dǎo)的第一道防線，其保溫性能對整個建筑的節(jié)能效果起著極其關(guān)鍵的作用。因此，提高外墻體的保溫隔熱性能是提升整體建筑節(jié)能效果的重要措施。

在現(xiàn)有的裝配式建筑中，外圍護的墻體主要是預(yù)制混凝土夾心墻，是由內(nèi)葉混凝土板、外葉混凝土板、保溫層及連接件組成的一種新形式墻板。預(yù)制夾心墻體作為一種復(fù)合墻體，其保溫隔熱性能與保溫層、內(nèi)外側(cè)混凝土板的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)有直接關(guān)系。由于連接件的存在，且連接件的導(dǎo)熱系數(shù)一般遠遠大于保溫層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，因此，連接件部位是墻板的熱橋區(qū)域，其導(dǎo)熱系數(shù)一般大于同條件下無熱橋的保溫墻板。在現(xiàn)行GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》中，雖提出了對帶有熱橋的圍護構(gòu)件的計算方法，但未提出由熱橋?qū)е碌念A(yù)制夾芯墻板導(dǎo)熱系數(shù)的折減修正，故對預(yù)制墻板的熱工性能的分析顯得十分必要。

本文對影響墻板熱工性能的相關(guān)參數(shù)進行分析，探索其對墻板傳熱系數(shù)與熱惰性指標的影響規(guī)律。

1 傳熱系數(shù)

1.1 軟件模擬

1.1.1 模型單元與尺寸

采用有限元軟件ABAQUS對墻板的傳熱系數(shù)進行模擬，根據(jù)熱傳導(dǎo)的特性，選取軟件中的熱傳導(dǎo)實體單元和桁架單元。其中，混凝土板與保溫層選擇八節(jié)點實體單元C3D8R，內(nèi)、外葉墻板中的鋼筋以及連接件都采用DC1C2桁架單元。

模型中的夾心墻板的平面尺寸為3000 mm×3000 mm，總厚度為310 mm。夾心層采用擠塑聚苯乙烯（XPS）板，厚度為60 mm，內(nèi)、外葉混凝土層厚分別為200 mm與60 mm。內(nèi)葉混凝土層中鋼筋的直徑為10 mm，采用雙層雙向配筋，單層鋼筋網(wǎng)格的間距為200 mm×200 mm；外葉層鋼筋的直徑為8 mm，采用單層配筋，鋼筋網(wǎng)格的間距與內(nèi)葉墻相同；墻板的剪力連接件采用Φ8的不銹鋼絲，布置間隔約為400 mm×400 mm，不銹鋼絲的兩端分別與內(nèi)外葉混凝土板中的鋼筋連接。墻板有限元模型如圖1所示。

圖1 墻板的有限元模型

1.1.2 材料參數(shù)

模型中的材料密度、導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容的數(shù)值依據(jù)GB 50176—2016《建筑材料熱物理性能與數(shù)據(jù)手冊》選取，具體見表1。

表1 模型材料的熱物理參數(shù)

1.1.3 接觸與邊界條件

內(nèi)、外葉混凝土板與中間XPS板采用面與面綁定的tie連接，內(nèi)、外葉混凝土板中的鋼筋網(wǎng)與中間層的不銹鋼絲布爾運算merge連接成新的整體，此整體部件與整個墻板采用點對點的tie連接。

根據(jù)GB/T 13475—2008《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定標定和防護熱箱法》規(guī)定，墻板兩側(cè)的溫度差不應(yīng)小于20℃。因此，墻板初始溫度取20℃，墻板外側(cè)溫度設(shè)定為-10℃，墻體外側(cè)對流換熱系數(shù)為23 W/（m·K），墻板內(nèi)側(cè)溫度設(shè)定為30℃，墻板表面對流換熱系數(shù)為8.7 W/（m·K）。

1.2 模擬結(jié)果與分析

1.2.1 夾心層厚度的影響

為了探索夾心保溫層厚度對墻板傳熱系數(shù)的影響，取中間保溫層厚度為變量進行分析。墻板傳熱系數(shù)與保溫層厚度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 墻板傳熱系數(shù)隨保溫層厚度變化曲線

由圖2可知，隨著保溫層厚度的增大，墻板的傳熱系數(shù)逐漸減小，且變化較為明顯。保溫層厚度每增加10mm，墻板的傳熱系數(shù)減小的幅度為10%～15%，且由于連接件的熱橋效應(yīng)，導(dǎo)致二者的變化不呈線性關(guān)系。圖中計算值是根據(jù)GB 50176—2016中一維傳熱公式求出的理論值（下同），模擬求得的傳熱系數(shù)值為理論計算值的1.1～1.15倍，主要是因為一維傳熱只考慮了單一的方向，而實際的傳熱是呈三維的。因此，軟件模擬求得的值相對較準確。

1.2.2 內(nèi)外葉板厚度的影響

為了探索內(nèi)、外葉混凝土墻板的厚度對墻板傳熱系數(shù)的影響，分別取二者的厚度為變量進行分析，墻板的傳熱系數(shù)與內(nèi)、外葉混凝土墻板厚度變化的關(guān)系曲線如圖3、圖4所示。

圖3 墻板傳熱系數(shù)隨內(nèi)葉墻厚度變化曲線

圖4 墻板傳熱系數(shù)隨外葉墻厚度變化曲線

由圖3、圖4可知，隨著內(nèi)、外葉混凝土面板厚度的增加，墻板的傳熱系數(shù)逐漸減小，但變化幅度不明顯，主要是由于混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)遠大于保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，內(nèi)、外葉混凝土墻板的熱阻之和占墻板總熱阻的比例較小，因此，混凝土層厚度對墻板傳熱系數(shù)的影響較小。同等條件下，模擬求得的傳熱系數(shù)約為根據(jù)規(guī)范求出的理論值的1.15倍左右。

1.2.3 夾心層導(dǎo)熱系數(shù)的影響

墻板傳熱系數(shù)與墻板夾心層材料的導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系如圖5所示。

圖5 墻板傳熱系數(shù)隨夾心層導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線

由圖5可知，隨著夾心層材料的導(dǎo)熱系數(shù)的增大，墻板的傳熱系數(shù)也增大，且墻板的傳熱系數(shù)受保溫層導(dǎo)熱系數(shù)的影響較明顯，保溫層導(dǎo)熱系數(shù)每上升10%，墻板的傳熱系數(shù)約增加6%，二者之間的關(guān)系近似呈線性關(guān)系。同等條件下，模擬求得的傳熱系數(shù)約為根據(jù)規(guī)范求出的理論值的1.15倍左右。

1.2.4 連接件導(dǎo)熱系數(shù)的影響

墻板傳熱系數(shù)與連接件材料導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系如圖6所示。

圖6 墻板傳熱系數(shù)隨連接件導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線

由模擬曲線可知，隨著連接件導(dǎo)熱系數(shù)的增大，墻板的傳熱系數(shù)也增加，但增長較為緩慢，二者之間的關(guān)系近似呈線性關(guān)系。理論的傳熱計算時，未考慮到連接件周圍的三維熱傳導(dǎo)，使得理論值與模擬值之間的偏差較大。

1.2.5 連接件總截面面積的影響

墻板的傳熱系數(shù)與連接件總截面面積關(guān)系如圖7所示。

圖7 墻板傳熱系數(shù)隨連接件截面面積的變化曲線

當連接件總截面面積小于0.03 m2時，其總面積的增大，墻板的傳熱系數(shù)也增大，但當其面積達到0.03 m2后，連接件面積對墻板熱阻的影響趨勢變緩。

1.2.6 窗洞口封邊的影響

由于墻板構(gòu)造的需要，在帶窗洞的預(yù)制墻板中，窗洞四周需要作封邊處理，本次設(shè)計在墻上開有1500 mm×1500 mm的窗洞，窗洞四周封邊的寬度皆為50 mm，分別建模模擬帶封邊與不帶封邊墻板的傳熱系數(shù)。模擬結(jié)果表明，不帶封邊墻板的傳熱系數(shù)為0.51 W/（m2·K），帶封邊墻板的傳熱系數(shù)為0.64 W/（m2·K），較前者增大了25%。由此可見，封邊帶來的熱橋效應(yīng)對墻板的傳熱系數(shù)有較大影響。

2 熱惰性指標

熱惰性指標D值作為圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能的另一個重要參數(shù)，其反應(yīng)圍護結(jié)構(gòu)對周期性溫度波在其內(nèi)部衰減快慢程度。圖8、圖9分別為墻板的熱惰性指標分別隨其夾心層厚度與混凝土層總厚度的的變化關(guān)系。

圖8 墻板熱惰性指標隨夾心層厚度變化曲線

圖9 墻板熱惰性指標隨混凝土層厚度變化曲線

由圖8、圖9可知，其他條件不變的情況下，隨著夾心層與混凝土層厚度的增大，墻板熱惰性指標D值也增大，二者呈現(xiàn)線性的關(guān)系；熱惰性指標受保溫層厚度的變化影響較小，而受混凝土層厚度變化明顯，主要是由于混凝土層的D值在墻板總D值的比例較大。因此，提高墻板熱惰性指標的最有效方法是增加混凝土層的厚度。

3 結(jié)論

內(nèi)外葉層、夾心保溫層對預(yù)制混凝土夾心墻板傳熱系數(shù)和熱惰性指標有一定的影響，影響墻板傳熱系數(shù)最顯著的因素是夾心保溫層的厚度與其導(dǎo)熱系數(shù)，影響墻板熱惰性指標最顯著的因素是混凝土層的厚度。因此，提升整個預(yù)制墻板熱工性能的有效措施是增加保溫層的厚度或減小其導(dǎo)熱系數(shù)，或增加混凝土層的厚度。

連接件的存在，使得墻板的傳熱系數(shù)增大了10%左右，因此，在設(shè)計此類帶不銹鋼連接件的預(yù)制夾心墻板時，建議將墻板的理論計算傳熱系數(shù)乘以1.1～1.15倍的放大系數(shù)，作為實際夾心墻板的傳熱系數(shù)。