一種新型多孔磚導熱系數算法的對比研究

王靜

（黃驊市住建局檢測站，河北黃驊 061100）

一種新型多孔磚導熱系數算法的對比研究

王靜

（黃驊市住建局檢測站，河北黃驊 061100）

對這一新型無骨料多孔磚的參數及性能作了簡要分析，將多孔磚平均導熱系數的兩種計算方法進行了探討并作了對比，結果表明：兩種方法計算結果比較接近，反映了ANSYS模擬計算值的合理性，為此類多孔磚的導熱性能計算提供指導。

多孔砌塊，蜂窩塊，平均導熱系數，熱阻，保溫性能

目前，國家要求在全國范圍內建筑節能首先達到50%（在20世紀80年代初的建筑能耗基礎上）的要求，對于一些大中城市則提出了更高的要求，如對北京的要求為節能65%［1］。這就對墻體材料的熱工性能提出了更高的要求，同時推動了墻體材料改革進程。因此研制新型的，保溫性能良好的多孔磚來替代原有能耗高的砌體材料，成了墻體材料革新的一個方向。這種新型多孔磚，不采用粘土且自身的強度較高，采用多孔空心截面，節約材料同時具有較好的熱工性能。

空心磚與多孔磚的傳熱性能分析屬于二維傳熱問題，保溫性能的測定方法分為現場觀測、實驗測定和模擬的方法。現場觀測和實驗測定都需要按規定采用熱流計測定，而這種測定方法受現場條件的環境的影響測量誤差較大［2］。德國Homayr氏曾定出一個計算導熱系數的近似公式，用此公式計算出的導熱系數雖與測定值有出入，但對于計算內部孔型復雜的空心磚導熱系數的近似計算還是很適用的。大型有限元分析軟件ANSYS，其熱工分析功能強大，能有效的模擬多孔磚的保溫性能，并計算其平均導熱系數。通過這兩種方法的對比，為此類復合材料多孔磚的導熱性能計算提供參考與借鑒。

1 新型多孔磚參數

這種新型多孔磚的主尺寸為240 mm×115 mm×90 mm，圓孔直徑為8.6 mm，孔壁為2 mm，如圖1所示。由于這種砌塊的孔洞數量多、孔徑小如同蜂巢一般，故可將其稱為蜂窩塊。蜂窩塊的孔洞數量為231孔，孔洞率高達48.6%，具有良好的保溫性能。其制品所用材料結合唐山實際采用:早強型普通硅酸鹽水泥42.5 （唐山啟新水泥廠）、粉煤灰（唐山電廠）、建筑石膏。

2 Homayr導熱系數計算法

2.1 計算公式

其中，λm為多孔磚的導熱系數，W/（m·K）;λs為基料導熱系數，取0.93W/（m·K）;λ'為多孔磚孔洞中空氣層的導熱系數，W/（m·K）;F為多孔磚截面總面積，cm2;F2為順著熱流方向兩側邊壁面積，cm2;Fs為F1內部孔壁的面積，cm2;F1為順著熱流方向兩側邊壁之間具有孔洞的面積，cm2，F1=F－F2;Wm為孔壁線延長值的平均值，Wm=（WA+WB）×f，WA為孔壁軸A的最大延長線/多孔磚寬度，WB為孔壁軸B的最小延長線/多孔磚寬度，f為孔洞的布置方式系數，菱形磚f=0.53～0.55，錯列孔多孔磚f=0.58～0.60，齊排孔多孔磚f=0.5。

圖1 多孔磚尺寸及孔洞排列

2.2 多孔磚導熱系數計算

圖2 多孔磚傳熱路線圖

如圖2所示給出了多孔磚順向和頂向的最長熱流線路A和最小熱流線路B，根據式（1）及圖2可分別計算出順向和頂向的導熱系數。順向導熱系數計算過程如下:

F:多孔磚斷面總面積=24×11.5=276 cm2，

F2:順著熱流方向兩側邊壁面積=0.7×11.5×2=16.1 cm2，

Fs:F1內部孔壁面積=259.9－134.2=125.7 cm2，

3 ANSYS導熱系數計算法

ANSYS熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程。用有限元法計算物體內部各個節點的溫度，并導出其他物理參數［3］。運用ANSYS軟件可以進行熱傳導、熱對流、熱輻射、相變、熱應力以及接觸熱阻等問題的分析求解。

3.1 多孔磚模型參數

根據民用建筑熱工設計規范，冬季的室內氣溫一般居住建筑取為18℃，室外平均溫度取為－2.9℃，冬季的內表面換熱系數為8.7W/（m2·K），外表面換熱系數為23.0 W/（m2·K）。內外表面的換熱阻分別為0.11（m2·K）/W，0.04（m2·K）/W。水泥砂漿的導熱系數為0.93W/（m·K）。

3.2 ANSYS導熱系數計算

單元類型為Solid70三維實體熱單元，經過網格劃分及邊界條件的施加可模擬出多孔磚上各個節點溫度，進而準確分析出多孔磚的溫度場（見圖3）和熱流密度。根據傳熱學的基本原理可計算出材料的熱阻及導熱系數。順向和頂向的計算數據見表1。

圖3 多孔磚溫度場分布

表1 ANSYS計算數據

4 計算結果分析

通過上述兩種計算方法分別得出了這種多孔磚的平均導熱系數為0.410 W/（m·K），0.382 W/（m·K）。當其作為外墻材料時，砌塊厚度選為240mm，則其熱阻分別為0.585（m2·K）/W，0.628（m2·K）/W。內外表面的換熱阻分別為0.11（m2·K）/W，0.04（m2·K）/W。則外墻作為圍護結構其熱阻為0.735 0（m2·K）/ W，0.778（m2·K）/W。根據民用建筑熱工設計規范圍護結構的最小熱阻按下式計算［4］:

其中，ti為室內計算溫度;te為室外計算溫度;Δt為室內溫度與圍護結構內表面的允許溫度差;n為溫差修正系數。根據唐山地區的實際情況計算出最小熱阻為0.513（m2·K）/W。計算值均大于規范要求的熱阻值，說明這種新型多孔磚符合規范的熱工要求。對比幾種常用的空心磚多孔磚的熱工性能，這種新型的蜂窩塊具有更優異的熱工性能。如表2所示，這種新型多孔磚能夠在較小墻厚的條件下保證熱阻的要求，且有較輕的容重。

表2 熱工性能對比

5 結語

通過比較Homayr公式和ANSYS模擬的導熱系數結果，兩者順向導熱系數相差6.5%，頂向導熱系數相差7.0%，兩種計算結果基本一致，反映了ANSYS模擬計算值的合理性，另外ANSYS能夠直觀的顯示砌塊的實際傳熱情況，為不規則多孔磚的熱工參數計算提供一些借鑒與參考。通過計算也表明這種新型的多孔蜂窩塊，有著良好的熱工性能且孔洞率較大故容重較輕，符合國家對于墻體材料節能降耗的要求，對比幾種常用多孔磚、空心磚單位厚度熱阻提高了2倍～3倍，是一種有良好前景的新型墻材。

［1］黃際洸.混凝土砌塊性能構造與設計［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［2］馮金秋.建筑節能設計標準與混凝土空心砌塊墻體熱工性能測試［J］.建筑砌塊與砌塊建筑，2004（1）：23-28.

［3］張朝暉.ANSYS10.0熱分析教程與實例解析［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［4］GB 50176-93，民用建筑熱工設計規范［S］.

［5］遲政權，佟萬泉.混凝土砌塊的發展現狀和趨勢［J］.遼寧建材，2005（1）：25-26.

Com parative research on new calculation for porous brick thermal conductivity coefficient

WANG Jing

（Monitoring Office，Huanghua Residing and Construction Bureau，Huanghua 061100，China）

The study undertakes the brief analysis of the parameter and performance of new coarse aggregate porous bricks，explores the two calculationmethods for the average thermal conductivity coefficientof porous bricks and has the comparison，and proves by the result that the calculation results of the twomethodsare close，and reflects the reasonability of ANSYSsimulation calculation value，so it provides the direction for the thermal conductivity performance calculation of the porous brick.

porousmasonry，cellular block，average thermal conductivity coefficient，thermal resistance，thermal insulation performance

TU522

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.22.095

1009-6825（2012）22-0223-02

2012-04-25

王靜（1970-），女，助理工程師