自保溫空心砌塊導熱性能研究

鄒堰柯

（四川工商職業技術學院，四川 都江堰 611830）

當前我國建筑能耗大概占總能耗的百分之三十，且還在不斷增加，目前超過九成的建筑都屬于高能耗建筑。基于此現狀，建筑節能是我國節能減排工作的重點。當前建筑外墻保溫技術中常用的有三種，即外墻的內保溫、外保溫、自保溫三種技術，其中自保溫技術具有耐用性、施工簡便、可靠性高等優點而得到高度重視，而降低自保溫結構的導熱系數是提高保溫效果，實現建筑節能的關鍵所在[1]。因此，必須找到一種更加理想的節能建筑材料，研發高效能的自保溫結構，從而提高墻體節能效果。當前，世界各國研究者已經對自保溫混凝土空心砌塊的熱物理性能進行了大量研究，然而針對砌塊孔洞對其熱物理性能的影響展開的研究不多。因此，本文在分析自保溫混凝土空心砌塊的導熱過程的基礎上，探討了自保溫混凝土空心砌塊的孔洞對其熱物理性能的影響，旨在促進自保溫混凝土空心砌塊導熱性能的研究與應用，從而推動我國建筑節能技術的發展。

1 自保溫混凝土空心砌塊導熱過程分析

砌塊內進行的導熱過程是熱對流、輻射、熱傳導三者耦合構成的三維導熱過程，砌塊的導熱過程與其孔洞直徑、寬度有關。這種導熱本質上屬于有限空間內的熱傳遞。因此，應該分析自保溫混凝土空心砌塊內部空氣層的導熱過程。根據導熱方程式Q=KAΔTm可知，通過減少導熱面積A、導熱平均溫度差ΔTm、導熱系數K都能有效降低導熱量。但是因為客觀因素限制，在實際應用中通常都是通過降低導熱系數K，增加砌塊的熱阻系數來提高砌塊的自保溫效能。

1.1 內部空氣夾層導熱過程

空氣夾層的厚度往往與熱阻成反比，即厚度越小，熱阻越大，因此，現在出現了很多帶有一定空氣夾層的建筑材料[2]。例如，空心砌塊、空心磚等，它們都是利用空氣夾層的保溫隔熱特性。通常建筑材料都是通過彈性波的作用傳遞熱量，而空氣中熱量需要通過空氣分子熱運動進行傳導，提高空氣夾層厚度可減少由于熱傳導損失的熱量，同時會增加熱對流造成的熱量損失，但是熱輻射引發的熱量損失不受空氣夾層的厚度影響[3]。因為空氣夾層存在著熱對流、輻射、熱傳導三種導熱方式，使得其熱阻與厚度的變化不成比例，這就是空氣夾層具備的隔熱特點。自保溫混凝土空心砌塊的孔洞空氣夾層的熱阻主要與其導熱系數、對流換熱系數、輻射換熱系數有關。在其他條件滿足的前提下，砌塊空氣夾層熱阻可表示為：

其中δ表示砌塊空氣夾層的厚度；λ1表示夾層內空氣當量導熱系數；λ2表示夾層空氣對流當量導熱系數；λ3表示夾層壁之間的輻射當量導熱系數

1.1.1 自保溫混凝土空心砌塊空氣夾層導熱

砌塊夾層空氣的導熱系數只和砌塊內部空氣定性溫度有關，而砌塊內部空氣定性溫度則由夾層壁之間的溫度確定，其計算公式下：

其中t1t2表示夾層壁表面溫度，通過上述公式可以求得tm的值，在結合tm與λ1的對照表得到夾層內空氣當量導熱系數λ1的值。

1.1.2 自保溫混凝土空心砌塊空氣夾層對流換熱

自保溫混凝土空心砌塊空氣夾層對流換熱屬于有限空間內發生的對流換熱，其大小與砌塊空氣夾層形狀、位置、厚度等因素有關。當垂直空氣夾層的邊界產生溫差時，形成不均勻的溫度場，導致密度場不均勻，從而產生浮升力使得孔洞內部的空氣發生對流，更熱的一面附近空氣上升，更冷的一面附近空氣下降，從而構成上升/下降的氣流。如果夾層厚度較小，兩股氣流相互干擾，氣流之間相互混合，促進了熱量傳導；如果夾層厚度提升，兩股氣流之間的干擾變小，夾層壁周圍的空氣流速上升，如果夾層厚度不斷增加到一定厚度時就會和無限空間中沿著垂直夾層壁面自然對流的情況類似。

如果砌塊孔洞寬高比超過0.28時，夾層中的空氣對流換熱為無限空間中的自然對流換熱；如果砌塊孔洞寬高比低于0.28，夾層空氣對流換熱就為有限空間中的自然對流換熱。現階段我國制造的自保溫混凝土空心砌塊孔洞寬高比均低于0.28，其夾層空氣對流換熱屬于有限空間中的自然對流換熱，其對流當量導熱系數課通過如下公式求得：

1.1.3 自保溫混凝土空心砌塊空氣夾層輻射換熱

自保溫混凝土空心砌塊內的空氣夾層的氣體光學厚度較小，因此，可以忽略以空氣為介質的輻射換熱過程，此時砌塊內的輻射換熱過程只受到其內壁材料輻射性能、溫度的影響。

2 自保溫混凝土空心砌塊孔洞對其導熱性能的影響

2.1 孔洞形狀對砌塊導熱性能的影響

砌塊材料以及孔型決定其節能效果。在孔型固定的前提下，砌塊材料的導熱系數與其導熱性能成反比；在材料相同的前提下，孔型的設計也會顯著影響其導熱性能。通常自保溫混凝土空心砌塊的孔型由正方形、矩形、菱形、圓形四種。這四種孔型對砌塊對導熱系數的影響明顯不同。通常矩形的砌塊孔洞的導熱系數最小，菱形次之，圓形砌塊孔洞的導熱系數最大，因為矩形孔洞內部的空氣容易構成長路對流，不利于熱量傳導。而圓形孔洞內部的空氣易產生短路對流，這時空氣對流換熱強度更大，熱量傳導更容易。可見，砌塊的孔洞越長，越能有效阻隔熱量傳導，砌塊的保溫性能越優良。

2.2 矩形孔洞的長寬比對砌塊導熱性能的影響

在孔洞數量、孔洞率、砌塊形狀相同的情況下，矩形孔洞的長寬比與砌塊熱阻成正比。因為其長寬比越大，內部空氣流動強度越低，空氣夾層熱阻越大，導致砌塊熱阻變大。因此，在生產時間中，應該結合自保溫混凝土空心砌塊的尺寸、干燥、力學性能，盡量設計較大的矩形孔洞長寬比，減小孔肋，使孔洞內部產生空氣長路對流，從而減少導熱量。通常來說，自保溫混凝土空心砌塊內部的矩形孔洞的長寬比保持在3∶1到 6∶1范圍比較適合。

2.3 孔洞排數對砌塊導熱性能的影響

在砌塊孔洞率不變的情況下，改變矩形孔洞尺寸可以有效增加混砌塊孔洞排數。自保溫混凝土空心砌塊熱流方向的孔洞排數越多，其熱阻越大。因為孔洞率相同的情況下，孔洞排數越多，其空氣層越小，矩形孔洞長寬越大，空氣夾層總熱阻越大。因此要盡可能提高砌塊的孔洞排數，從而提高自保溫混凝土空心砌塊的熱物理性能。

2.4 孔洞率對砌塊導熱性能的影響

自保溫混凝土空心砌塊可視為混凝土、空氣夾層構成，兩者的導熱系數差距明顯，砌塊孔洞率越高，其熱阻越大，從而保溫性能越好。在砌塊形狀、孔洞數目、孔洞排列數、孔洞長寬比相同的前提下，孔洞率與混砌塊熱阻成正比。因為砌塊、空氣夾層之間構成了導熱耦合體，孔洞率的增加，使得空氣夾層尺寸變大、孔壁、孔肋尺寸變小，有效隔絕了熱量傳遞，從而增加了混凝土空心砌塊的熱阻。然而在孔肋尺寸不斷變小的情況下，成型時矩形孔洞的應力集中，增加了成型難度，因此，在滿足混凝土空心砌塊成型性能、強度的情況下，應該盡量提高混凝土空心砌塊的孔洞率，從而提高砌塊的保溫性能，提升砌塊的熱物理性能。

3 結語

本文論述了自保溫混凝土空心砌塊內發生的導熱過程是熱對流、輻射、熱傳導耦合而成的三維導熱過程。通過研究顯示，自保溫混凝土空心砌塊內孔洞的結構對砌塊的導熱性能有很大影響。因此，本文以自保溫混凝土空心砌塊孔洞為研究對象，分析了孔洞結構對自保溫混凝土空心砌塊熱物理性能的影響。通過分析孔洞的導熱過程，建立描述砌塊耦合導熱過程的數學模型，探討了孔洞形狀、矩形孔洞的長寬比、孔洞率、孔洞排數對砌塊熱阻的影響，為自保溫混凝土空心砌塊的設計改進提供理論基礎。