磚孔內貼保溫層對空心磚外墻保溫性能的影響

劉峪良，李臨平，王 飛，陶文銓，何雅玲

（1.太原理工大學環境科學與工程學院，山西太原 030024；2.西安交通大學能源與動力工程學院，陜西西安 710049）

磚孔內貼保溫層對空心磚外墻保溫性能的影響

劉峪良1，李臨平1，王 飛1，陶文銓2，何雅玲2

（1.太原理工大學環境科學與工程學院，山西太原 030024；2.西安交通大學能源與動力工程學院，陜西西安 710049）

針對提高空心磚外墻保溫性能有利于降低建筑能耗的問題，本文采用有限容積法，研究了空心磚孔內貼10 mm保溫層對建筑外墻保溫性能的影響，并進行了三維復合傳熱的數值模擬分析。文中選取12種具有不同孔洞數和排列方式的240 mm×115 mm×90 mm空心磚、4種不同導熱系數的保溫材料、兩種厚度的空心磚外墻（24墻和37墻）作為研究對象。研究結果表明：磚孔內貼保溫層可以有效提高墻體保溫性能，24墻的墻體保溫性能提高19.1%～59.3%，37墻的墻體保溫性能提高16.9%～58.3%，尤其對于開孔率較大的磚型，采用該方法節能效果顯著。

空心磚；保溫材料；當量導熱系數；數值模擬

0 引言

隨著人們生活水平的提高，每年大量能源用于室內采暖和供冷以滿足人們對室內舒適性的要求。據統計，中國建筑能耗約占到全國總能耗的30%，參照發達國家的發展歷程，這個比例將逐步提高到40%左右。暖通空調能耗是建筑能耗的重要組成部分，由于化石能源日漸枯竭及可持續發展要求，建筑節能已經成為全球共識。空心磚由于其良好的熱工性能和質輕等特點，在中國廣泛用于砌筑建筑外墻。近10年來，國內外對于改善空心磚外墻的保溫性能做了大量研究。文獻［1］借助數值模擬和實驗方法探究了磚孔填充膨脹珍珠巖對空心磚保溫性能的影響。文獻［2］研究了內插阻隔板將單個方形磚孔分割成多個三角形磚孔對空心磚當量導熱系數的影響，研究結果表明：采用該方法可以有效提高空心磚的保溫性能達37%～42%。文獻［3－6］采用有限元法對空心磚傳熱性能的優化做了大量三維數值研究。文獻［7－8］借助有限容積法分別對兩種空心磚（240 mm×115 mm×90 mm和290 mm×140 mm×90 mm）進行了磚孔結構的優化，得到了最佳磚型。文獻［9］采用有限容積法研究了外貼50 mm保溫層對空心磚外墻保溫性能的影響。然而，目前文獻中關于磚孔內貼保溫層對空心磚外墻保溫性能影響這方面的研究很少。鑒于此，本文基于有限容積法，采用能夠同時處理導熱、對流、輻射傳熱的三維耦合程序（用Fortran語言編制），分別研究了磚孔內貼10 mm保溫層在4種不同導熱系數下，對兩種空心磚外墻（24墻和37墻）傳熱性能的影響。

1 物理問題和數學模型

圖1表示的是24墻最小的數值計算區域，由4塊相同的空心磚經砂漿砌合而成，各磚孔表面貼有10 mm保溫層。6塊相同的空心磚組成的37墻計算模型如圖2所示。文中采用LC1WC2HC3表示不同磚孔數目的磚型（該空心磚長度方向有C1個孔，寬度方向C2個孔，高度方向C3個孔）。本文選取了12種磚型、4種不同導熱系數的保溫材料和兩種砌筑方式的外墻作為研究對象，數值模擬中，空心磚外墻內外表面為對流換熱邊界條件，其他4面為絕熱邊界條件。

根據物理過程的特點，數值模擬中采用如下假設：（1）空心磚、砂漿、保溫層所用材料和磚孔內空氣的熱物性參數為常數；（2）磚孔內的空氣不參與氣體輻射，流動狀態為不可壓縮、穩態、層流流動；（3）Boussinesq假設適用。

圖1 24墻計算區域

圖2 37墻計算區域

1.1 物理模型的控制方程及邊界條件式中：u1、u2、u3分別為x1、x2、x3方向的速度；s1、s2、s3分別為x1、x2、x3方向動量方程的源項；β為空氣的體膨脹系數；L、H、W表示計算區域在x1、x2、x3方向的長度；h1、h2分別表示計算區域外表面和內表面對流換熱表面傳熱系數；Tf1、Tf2分別表示室外、室內設計溫度；Tin、Tout分別表示室內、室外墻壁表面溫度；λs為空心磚材料的導熱系數；λss為內抹灰的導熱系數；數值模擬中用到的熱物性參數見表1。

表1 熱物性參數

1.2 導熱系數求解

從圖1和圖2可以看出：通過計算區域的傳熱量分為3部分：室內空氣以對流換熱的方式將熱量傳入計算區域的內表面；傳入計算區域內表面的熱量，通過空心磚內復雜的傳熱過程傳到計算區域的外表面；室外空氣又以對流換熱的方式將傳到計算區域的外表面熱量傳出。根據熱平衡原理，這3部分的傳熱量應相等，即

式中：λeq為空心磚外墻的當量導熱系數，W／（m·K）。

1.3 輻射換熱的處理

圖3 W界面兩側的控制容積

由于磚孔各內表面溫度不同，每個表面與其他表面之間必然存在輻射換熱，求解空心磚墻當量導熱系數時不能忽略空氣孔輻射換熱的影響。本文采用附加源項法處理輻射換熱［10］，以圖3為例。

式中：Sc，ad，air為空氣側控制容積的附加源項；Sc，ad，solid為固體側控制容積的附加源項；qrad為凈輻射熱流，J（n）為有效輻射量，可按下式求取：

其中：n＝1，2，3，4，5， 6；m＝1，2，3，4，5，6，分別表示空氣孔的6個內表面；Xnm為空氣孔各表面角系數。

1.4 主要數值計算方法及收斂判據

本文利用有限容積法對微分方程進行離散，對流項的離散格式采用絕對穩定的具有二階精度的差分格式（SGSD）［11］，離散的代數方程采用三對角陣算法及交替方向隱式線迭代法（TDMA＋ADI）進行整場變量求解［10］，壓力與速度耦合關系處理采用對壓力方程進行兩次內迭代的高效算法（IDEAL）［12］。

本文采用的迭代收斂判據為：

2 計算結果與分析

2.1 磚孔內貼保溫層對24墻保溫性能的影響

4種不同導熱系數λb的保溫材料，內貼保溫層厚度為10 mm，在相同的條件下數值模擬結果見表2和圖4。當寬度方向孔洞數目固定時，空心磚外墻當量導熱系數隨長度方向孔洞數目的變化規律基本一致。數值模擬結果顯示：采用該方法可以顯著提高墻體的保溫性能達19.1%～59.3%，尤其對于開孔率大的磚型節能效果更加明顯。

表2 24墻和37墻模擬結果

圖4 24墻的當量導熱系數隨孔洞數的變化

以L1W1H1為例，采用4種不同導熱系數λb的保溫材料，空心磚墻保溫性能的相對變化率為46.4%～59.3%，然而隨著孔洞數目的增加，其相對變化率逐步減少。選用低導熱系數保溫材料對空心磚墻保溫性能的強化效果越來越弱，對于L6W2H1來說，相對變化率差值僅為5.5%。

2.2 磚孔內貼保溫層對37墻保溫性能的影響

本節選取37墻作為研究對象，采用與上節相同的條件進行數值模擬，結果如表2和圖5所示。與24墻對比可以發現：當寬度方向孔洞數一定時，兩種外墻的當量導熱系數隨磚孔長度方向孔洞數的變化規律基本一致。對于37墻來說，采用該方法墻體的保溫性能提高了16.9%～58.3%，對于開孔率大的磚型節能效果同樣適用。以L1W1H1為例，采用4種不同導熱系數λb的保溫材料，空心磚墻保溫性能的相對變化率為45.6%～58.3%。比較表2可以發現：當長度方向孔洞數目為1時，除L1W1H1和L2W1H1外，37墻的保溫性能優于24墻，采用該方法可以得到更低的當量導熱系數；然而，當寬度方向孔洞數為2時，情況恰好相反，24墻的保溫性能反而優于37墻。從圖5b可以發現：當寬度方向孔洞數目為1時，在所研究的保溫材料所取導熱系數范圍內，空心磚墻的當量導熱系數隨長度方向孔洞數目的增加而減少，但減少的幅度趨于平緩；當寬度方向孔洞數目為2，空心磚墻的當量導熱系數呈現先急劇降低，然后緩慢上升，對于每一種工況，都在長度方向孔洞數目為2時取得最小值。出現這種現象是因為當寬度方向的孔洞數給定時，隨著長度方向的孔洞數的增加，孔內輻射換熱量和自然對流換熱量減少，但導熱熱量增加，當孔內輻射換熱量和自然對流換熱量減少的程度大于導熱熱量增加的程度時，空心磚墻的當量導熱系數呈下降的趨勢，反之則上升。

圖5 37墻的當量導熱系數隨孔洞數的變化

2.3 兩種典型磚型的溫度速度場分布圖

選取兩種典型的磚型L1W1H1和L6W2H1作為分析對象，空氣孔內貼10 mm保溫層前后溫度場見圖6和圖7。圖6和圖7分別給出磚型L1W1H1和L6W2H1在截面x3＝0.03處的溫度分布。兩種比較可以發現：內貼保溫層可以顯著抑制空氣孔內部的對流和輻射換熱強度。隨著磚型孔洞數目的增大，導熱所占的比重越來越大，如圖7b所示，溫度場內各等溫線幾乎是平行的直線。

圖6 L1W1H1空心磚墻的溫度分布（x3＝0．03斷面）

圖7 L6W2H1空心磚墻的溫度分布（x3＝0．03斷面）

3 結論

本文采用自編三維程序，研究了磚孔內貼10 mm保溫層在4種不同導熱系數下，對兩種空心磚外墻保溫性能的影響進行了數值分析。主要結論如下：

（1）磚孔內貼10 mm保溫層可以有效提高空心磚墻體的保溫性能，尤其對于開孔率大的磚型，如L1W1H1、L2W1H1、L3W1H1和L1W2H1。對24墻，墻體保溫性能提高了19.1%～59.3%；37墻可以提高16.9%～58.3%。

（2）空心磚選用低導熱系數的保溫材料可以得到更好的保溫效果，如L1W1H1砌筑的24墻，當保溫材料的導熱系數從0.040 W／（m·K）變化到0.010 W／（m·K）時，墻體的當量導熱系數從0.439 W／（m·K）降低到0.333 W／（m·K），保溫效果從46.4%變化到59.3%，增加了12.9%。隨著磚型孔洞數增加及開孔率的減小，保溫效果提高的幅度逐漸變小，如L6W2H1砌筑的24墻，在相同的保溫材料導熱系數的變化范圍內，墻體的當量導熱系數從0.366 W／（m·K）降低到0.341 W／（m·K），保溫效果從19.1%變化到24.6%，僅增加了5.5%。

（3）對于寬度方向為1孔的磚型，L1W1H1和L2W1H1除外，采用該方法37墻的當量導熱系數比24墻低。然而，當寬度方向孔洞數為2時，24墻的當量導熱系數反而低于37墻。

［1］ Zukowski M，Haese G.Experimental and Numerical Investigation of a Hollow Brick Filled with Perlite Insulation［J］. Energy and Buildings，2010，42（9）：1402－1408.

［2］ Alhazmy M M.Numerical Investigation on Using Inclined Partitions to Reduce Natural Convection Inside the Cavities of Hollow Bricks［J］.International Journal of Thermal Sciences，2010，49（11）：2201－2210.

［3］ Del C D J J，García N P J，Martín A，et al.Non-linear Thermal Analysis of Light Concrete Hollow Brick Walls by the Finite Element Method and Experimental Validation［J］.Applied Thermal Engineering，2006，26（8）：777－786.

［4］ Del C D J J，García N P J，Suárez S J L，et al.Nonlinear Thermal Optimization of External Light Concrete Multi-enclosured Brick Walls by the Finite Element Method［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2008，51（7）：1530－1541.

［5］ Del C D J J，García N P J，Alvarez R F P，et al.Non-linear Thermal Analysis of the Efficiency of Light Concrete Multiholed Bricks with Large Recesses by FEM［J］.Applied Mathematics and Computation，2012，218（20）：10040－10049.

［6］ Del C D J J，García N P J，Alvarez R F P，et al.The Use of Response Surface Methodology to Improve the Thermal Transm ittance of Lightweight Concrete Hollow Bricks by FEM［J］.Construction Building Material，2014，52：331－44.

［7］ Li L P，Wu Z G，Li Z Y，et al.Numerical Thermal Optimization of the Configuration of Multi-holed Clay Bricks Used for Constructing Building Walls by the Finite Volume Method［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2008，51（13）：3669－3682.

［8］ Li L P，Wu Z G，Li Z Y，et al.Optimization of the Configuration of 290×40×90 Hollow Clay Bricks with 3-D Numerical Simulation by Finite Volume Method［J］.Energy and Buildings，2008，40（10）：1790－1799.

［9］ 馬靜，李臨平，陶文銓，等.保溫層對空心磚當量導熱系數影響的數值研究［J］.工程熱物理學報，2012，33（11）：1947－1949.

［10］ 陶文銓.數值傳熱學［M］.2版.西安：西安交通大學出版社，2001.

［11］ Li Z Y，Tao W Q.A New Stability-guaranteed Second-order Difference Scheme［J］.Numerical Heat Transfer：Part B，2002，42（4）：349－365.

［12］ 孫東亮，屈治國，何雅玲，等.求解流動與傳熱問題的一種高效穩定的分離式算法—IDEAL［J］.工程熱物理學報，2009，30（8）：1369－1372.

TK124

A

1672－6871（2015）05－0030－06

山西省自然科學基金項目（2014011033－2）

劉峪良（1991－），男，山西運城人，碩士生；李臨平（1957－），女，通信作者，山西太原人，副教授，博士，碩士生導師，主要從事空心磚外墻傳熱傳質學方面的研究.

2015－01－19