周 琴，陳 沈，張東旭，劉撫英

(東北大學(xué) 江河建筑學(xué)院，遼寧省城市與建筑數(shù)字化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

目前，我國(guó)建筑能耗約占能源消耗總量的24%，而采暖空調(diào)能耗高達(dá)建筑能耗的50%[1]，其中外墻能耗占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗比例在40%以上.改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，可以使能量更好地蓄存利用，降低建筑暖通設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用，是建筑節(jié)能的重要手段[2].混凝土空心砌塊相較于實(shí)心砌塊因自重輕、用料省、熱工性能相對(duì)好且力學(xué)指標(biāo)能夠滿足要求而被廣泛用于砌筑建筑內(nèi)外墻體[3]，近年來(lái)研究人員在節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化結(jié)構(gòu)體系的墻體方面研究較多，自保溫砌塊是新型墻體的研究熱點(diǎn)[4].

空心砌塊熱工性能好表現(xiàn)在其自身的保溫和隔熱能力比實(shí)心砌塊要提高很多，主要是空心部分起的作用.而目前一些常用砌塊，并未將空心部分的作用發(fā)揮到其最佳水平.從空心砌塊的傳熱特點(diǎn)入手，探討如何能通過(guò)設(shè)計(jì)合理型式和只在關(guān)鍵部位放置EPS隔熱塊來(lái)進(jìn)一步提高其自保溫能力，充分挖掘空心砌塊的熱工潛能，在滿足建筑節(jié)能要求下減少EPS塊的使用.EPS材料雖然具有良好的保溫隔熱性能，常用于建筑外墻保溫[5]，但其價(jià)格較高，在荷載、氣候和其他環(huán)節(jié)作用下的耐久性仍值得研究[6]，大規(guī)模使用不利于實(shí)現(xiàn)綠色建筑發(fā)展的總體目標(biāo)，因此，減少其使用可以帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益.

1 空心砌塊傳熱特點(diǎn)及減小傳熱量的方法及設(shè)計(jì)思路

1.1 減少空心砌塊傳熱量方法的探究

提高混凝土空心砌塊熱工性能之一是減少單位時(shí)間通過(guò)砌塊的熱量.關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，很多學(xué)者從實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和理論推導(dǎo)等不同的角度進(jìn)行了研究.Del Coz Diaz J J等[7]認(rèn)為：孔洞交錯(cuò)排列、且左右邊緣穿通的砌塊的單位質(zhì)量熱工性能最好.HUI SAM C M[8]和A NIACHOU等[9]通過(guò)軟件模擬分析認(rèn)為：空心層數(shù)多對(duì)提高砌塊的保溫和隔熱性能均有利.李紅蘭等[10]認(rèn)為空心砌塊的固體部分傳熱是造成熱量損失的主要原因，并且認(rèn)為孔洞的厚度不宜過(guò)大，以防止空心層內(nèi)對(duì)流換熱量的增大.朱文運(yùn)等[11]對(duì)空心砌塊按內(nèi)部傳熱量大小進(jìn)行排列為：固體部分>孔洞輻射>孔洞對(duì)流，且輻射和對(duì)流在同一數(shù)量級(jí)上.李建成等[12]認(rèn)為矩形孔洞是提高砌塊熱阻的較好形式，且孔洞的適宜厚度為20～30 mm.梁淑紅[13]認(rèn)為矩形孔洞傳熱量最小，且長(zhǎng)路熱對(duì)流性能在傳熱量上優(yōu)于短路傳熱量，即這種構(gòu)造的砌塊可以最小的重量達(dá)到最大的熱阻值.在基礎(chǔ)上，以K4砌塊[390 mm×190 mm×190 mm]為例分析其傳熱過(guò)程和減小傳熱量的方法.依據(jù)空心砌塊各組成部分傳熱方式差異和熱流滲透特性，可以將空心砌塊內(nèi)部的傳熱路徑分為兩條(如圖1)：一是固體部分傳熱，二是空氣層傳熱.經(jīng)這兩條路徑傳遞的熱量會(huì)在空心砌塊內(nèi)部交織在一起，且相互影響，形成各自的邊界條件，具體的傳熱情況較為復(fù)雜.但簡(jiǎn)化內(nèi)部的一些換熱過(guò)程會(huì)使問(wèn)題的研究更具針對(duì)性，且能滿足改進(jìn)空心砌塊型式設(shè)計(jì)的實(shí)際需要.固體部分按導(dǎo)熱形式傳熱.

圖1 砌塊內(nèi)部傳熱路徑Fig.1 Heat transfer path inside block

混凝土空心砌塊固體部分的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣層，所以僅從導(dǎo)熱角度分析熱量傳遞，空氣層可看作是絕熱層，即由導(dǎo)熱形式造成的熱量流失大部分集中在固體材料中，減少這部分單位時(shí)間熱量的滲透量也即提高其熱阻，可采用三個(gè)辦法：一是盡量延長(zhǎng)熱流路徑的長(zhǎng)度，也即相當(dāng)于增加砌塊的當(dāng)量厚度，圖1中最短的導(dǎo)熱流線長(zhǎng)度為190 mm，而圖2中最短的導(dǎo)熱流線長(zhǎng)度為近300 mm，比砌塊厚度多110 mm；二是在熱流線的恰當(dāng)位置設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)小的材料，如EPS塊(λ=0.038[W/(m2·K)])，即在固體導(dǎo)熱路徑上增加一層隔熱層，如圖3.值得一提的是，EPS塊位置應(yīng)選擇在不破壞整個(gè)砌塊的整體性與力學(xué)性能，同時(shí)要在熱流線流經(jīng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處，并盡量靠近熱量流入側(cè)，目的是盡可能減小固體內(nèi)部的熱流密度，以降低單位時(shí)間的熱量流失；三是在滿足砌塊力學(xué)要求的前提下，盡量減少固體導(dǎo)熱部分向內(nèi)傳熱的熱流通道數(shù)量和通道寬度，從源頭上限制熱量滲透.經(jīng)計(jì)算，同樣尺寸的“口”字型和“日”字型單排孔砌塊，后者由于傳熱通道數(shù)的增加，平均熱阻降低了12%.對(duì)于多排孔砌塊，如圖4，由導(dǎo)熱形式向砌塊內(nèi)部傳熱的熱流通道有四條，可考慮通過(guò)孔洞的重新排布縮減到三條甚至兩條.經(jīng)上述處理后，砌塊固體部分經(jīng)導(dǎo)熱而流失的熱量將有所減少，同時(shí)為空氣層的傳熱量減少創(chuàng)造有利的邊界條件.

圖2 改進(jìn)的固體傳熱路徑Fig.2 Improved solid heat transfer path

圖3 隔熱塊位置選擇Fig.3 Location selection of heat insulation block

圖4 導(dǎo)熱熱流通道Fig.4 Thermally conductive channel

1.2 提高空心砌塊及墻體熱工性能的砌塊型式設(shè)計(jì)思路

為提高空心砌塊和墻體的熱工性能，本文提出以下三個(gè)基本思路用于指導(dǎo)砌塊型式設(shè)計(jì).

(1)對(duì)空心砌塊的固體部分，應(yīng)通過(guò)合理的孔洞設(shè)計(jì)，盡量延長(zhǎng)其熱流線長(zhǎng)度，減少熱流通道數(shù)量，并在熱流通道的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處通過(guò)設(shè)置EPS塊降低其熱流密度；

(2)充分挖掘空心層的絕熱能力.可通過(guò)涂貼高性能的材料提高熱反射效率和減少熱輻射量；孔的厚度以20～30 mm為宜，防止空心層內(nèi)對(duì)流換熱量的增加；應(yīng)通過(guò)增加空心層數(shù)來(lái)提高整個(gè)砌塊的熱阻；

(3)砌塊型式設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮墻體中的L型節(jié)點(diǎn)和T型節(jié)點(diǎn)等部位因熱流方向改變和吸、散熱面積不同而導(dǎo)致的傳熱異常，同時(shí)要為消除或降低砂漿灰縫引起的“熱橋”效應(yīng)做出應(yīng)對(duì)措施，以提高整個(gè)墻體的熱工性能.

2 空心砌塊的設(shè)計(jì)與性能

2.1 型式設(shè)計(jì)

以外墻用非承重型混凝土空心砌塊為例(孔洞率控制在25%～35%之間)，空心砌塊的型式設(shè)計(jì)包括兩方面內(nèi)容，一是孔型選擇及其排布；二是砌塊的整體外形設(shè)計(jì).砌塊的孔型選擇應(yīng)簡(jiǎn)潔和便于制作，孔型排布在滿足基本力學(xué)要求的前提下，要保證砌塊本身有良好的熱工性能；砌塊的整體外形設(shè)計(jì)要便于施工與運(yùn)輸，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單且完善，同時(shí)要保證墻體的整體性、穩(wěn)定性和提高整個(gè)墻體的熱工性能.

依據(jù)以上原則，本文設(shè)計(jì)兩種應(yīng)用于墻體不同位置的空心砌塊，平面簡(jiǎn)圖5、圖6所示.

圖5 A型空心砌塊平面簡(jiǎn)化圖Fig.5 Simplified floor plan of type A hollow block

圖6 B型空心砌塊平面簡(jiǎn)化圖Fig.6 Simplified floor plan of type B hollow block

2.2 數(shù)值模擬

Fluent是用于計(jì)算復(fù)雜幾何條件下流動(dòng)和傳熱問(wèn)題的CFD軟件程序，在對(duì)流體傳熱模擬上有較高的準(zhǔn)確性[14]，利用Fluent模擬軟件對(duì)不同形式空心砌塊的熱工性能進(jìn)行有限元模擬，先對(duì)模型進(jìn)行合理的假設(shè)：(1)將通過(guò)砌塊的熱流只沿厚度方向傳遞，在軟件模擬中可以簡(jiǎn)化為二維模型進(jìn)行分析；(2)所有材料各項(xiàng)同性且均勻分布；(3)不考慮砌體間的傳熱效應(yīng)，只分析單個(gè)砌塊的傳熱性能，在模擬中設(shè)定砌塊水平方向?yàn)榻^熱條件；(4)輻射模型采用DO模型[15]；(5)砌塊冷面溫度條件為323 K，熱面溫度條件為293 K，外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)23 W/(m2·K)，內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為8.7 W/(m2·K)；(6)砌塊空氣層和固體層接觸面為耦合邊界面.

根據(jù)EPS隔熱塊放置位置的不同設(shè)計(jì)工況，如表1所示.

表1 不同砌塊工況Tab.1 Different block conditions

砌塊所用材料物理性能依據(jù)GB50176-2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]和《建筑材料熱物理性能與數(shù)據(jù)手冊(cè)》[17]選取，EPS塊選取建筑施工中常用的規(guī)格型號(hào)[18]，空氣層考慮嚴(yán)寒地區(qū)以保溫為設(shè)計(jì)主，選用冬季情況空氣層熱阻，換算為當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，如表2所示.

表2 材料的物理性能Tab.2 Physical properties of materials

通過(guò)模擬計(jì)算可以得到不同工況混凝土空心砌塊的熱流量及分布情況，如圖7所示，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，可得到不同工況下砌塊的傳熱系數(shù).

由表3可知，對(duì)于A型混凝土空心砌塊，將EPS塊放置于1號(hào)或3號(hào)位置對(duì)于砌塊的整體熱工性能提升要顯著大于2號(hào)位置，且在1號(hào)位置和3號(hào)位置均設(shè)置EPS塊的空心砌塊其熱阻值是其他工況的2倍以上，而EPS塊的用量并沒(méi)有增加，由此可見(jiàn)工況4#為A類型砌塊的最佳設(shè)計(jì)形式.對(duì)于B型混凝土空心砌塊，在1號(hào)或2號(hào)位置設(shè)置EPS塊兩者的熱阻只相差4%，但在1號(hào)和2號(hào)位置同時(shí)設(shè)置EPS塊后，其熱阻值相對(duì)于不放置EPS塊提高了3倍，由此可見(jiàn)8#為B類型砌塊的最佳設(shè)計(jì)形式.值得一提的是，這里的研究是2維的，而且只研究了一個(gè)砌塊的傳熱，兩側(cè)厚度方向設(shè)定了對(duì)稱邊界條件，如果研究多個(gè)砌塊砌成墻體的形式，結(jié)果也許會(huì)有不同.

依據(jù)以上結(jié)論，設(shè)計(jì)了2組針對(duì)于不同墻體位置的混凝土空心砌塊，詳見(jiàn)表4.考慮到文章所設(shè)計(jì)砌塊型式對(duì)消除或降低墻體內(nèi)水平和垂直灰縫的熱橋作用有一定幫助，所以可以預(yù)期整個(gè)墻體的熱工性能將得到很大改善.

圖7 1#～8#號(hào)空心砌塊溫度分布圖Fig.7 1#～8#Temperature Distribution Diagram of hollow block

表3 空心砌塊熱工性能模擬結(jié)果Tab.3 Simulation results of thermal performance of hollow block

表4 A、B系列空心砌塊型式設(shè)計(jì)Tab.4 Type design of A、B series hollow block

3 結(jié)論

(1)空心砌塊內(nèi)部傳熱途徑可按傳熱方式的不同分別加以分析，通過(guò)采取合理的孔洞設(shè)計(jì)和技術(shù)措施，提高不同傳熱方式條件下的各自熱阻來(lái)綜合提高整個(gè)砌塊的熱工性能；

(2)在保證砌塊力學(xué)性能的前提下，盡量減少固體部分尤其是迎熱面和散熱面的熱流通道數(shù)量和總寬度、充分發(fā)揮空心部分的作用是改善砌塊熱工性能的關(guān)鍵，因此改進(jìn)孔洞的形狀和排布非常重要；

(3)在砌塊型式設(shè)計(jì)上，不能只滿足于砌塊本身的熱阻提高，而且要考慮到整個(gè)墻體的熱工性能，因此消除墻體內(nèi)由砌塊設(shè)計(jì)不合理而遺留下的“熱橋”作用和完善節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)同樣重要；

(4)在不增加或少增加成本的基礎(chǔ)上，充分挖掘空心砌塊的熱工潛能，合理設(shè)置EPS塊的位置，可以使砌塊熱阻顯著提高，在滿足建筑節(jié)能要求下減少外保溫材料消耗，實(shí)現(xiàn)建筑的綠色發(fā)展.