空心砌塊傳熱路徑分析與砌塊型式設計

周 琴，陳 沈，張東旭，劉撫英

(東北大學 江河建筑學院，遼寧省城市與建筑數字化技術重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

目前，我國建筑能耗約占能源消耗總量的24%，而采暖空調能耗高達建筑能耗的50%[1]，其中外墻能耗占建筑圍護結構能耗比例在40%以上.改善建筑圍護結構的熱工性能，可以使能量更好地蓄存利用，降低建筑暖通設備運行費用，是建筑節能的重要手段[2].混凝土空心砌塊相較于實心砌塊因自重輕、用料省、熱工性能相對好且力學指標能夠滿足要求而被廣泛用于砌筑建筑內外墻體[3]，近年來研究人員在節能與結構一體化結構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[4].

空心砌塊熱工性能好表現在其自身的保溫和隔熱能力比實心砌塊要提高很多，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揮到其最佳水平.從空心砌塊的傳熱特點入手，探討如何能通過設計合理型式和只在關鍵部位放置EPS隔熱塊來進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]，但其價格較高，在荷載、氣候和其他環節作用下的耐久性仍值得研究[6]，大規模使用不利于實現綠色建筑發展的總體目標，因此，減少其使用可以帶來良好的經濟、環境和社會效益.

1 空心砌塊傳熱特點及減小傳熱量的方法及設計思路

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間通過砌塊的熱量.關于這個問題，很多學者從實驗、計算機模擬和理論推導等不同的角度進行了研究.Del Coz Diaz J J等[7]認為：孔洞交錯排列、且左右邊緣穿通的砌塊的單位質量熱工性能最好.HUI SAM C M[8]和A NIACHOU等[9]通過軟件模擬分析認為：空心層數多對提高砌塊的保溫和隔熱性能均有利.李紅蘭等[10]認為空心砌塊的固體部分傳熱是造成熱量損失的主要原因，并且認為孔洞的厚度不宜過大，以防止空心層內對流換熱量的增大.朱文運等[11]對空心砌塊按內部傳熱量大小進行排列為：固體部分>孔洞輻射>孔洞對流，且輻射和對流在同一數量級上.李建成等[12]認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]認為矩形孔洞傳熱量最小，且長路熱對流性能在傳熱量上優于短路傳熱量，即這種構造的砌塊可以最小的重量達到最大的熱阻值.在基礎上，以K4砌塊[390 mm×190 mm×190 mm]為例分析其傳熱過程和減小傳熱量的方法.依據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.經這兩條路徑傳遞的熱量會在空心砌塊內部交織在一起，且相互影響，形成各自的邊界條件，具體的傳熱情況較為復雜.但簡化內部的一些換熱過程會使問題的研究更具針對性，且能滿足改進空心砌塊型式設計的實際需要.固體部分按導熱形式傳熱.

圖1 砌塊內部傳熱路徑Fig.1 Heat transfer path inside block

混凝土空心砌塊固體部分的導熱系數遠遠大于空氣層，所以僅從導熱角度分析熱量傳遞，空氣層可看作是絕熱層，即由導熱形式造成的熱量流失大部分集中在固體材料中，減少這部分單位時間熱量的滲透量也即提高其熱阻，可采用三個辦法：一是盡量延長熱流路徑的長度，也即相當于增加砌塊的當量厚度，圖1中最短的導熱流線長度為190 mm，而圖2中最短的導熱流線長度為近300 mm，比砌塊厚度多110 mm；二是在熱流線的恰當位置設置導熱系數小的材料，如EPS塊(λ=0.038[W/(m2·K)])，即在固體導熱路徑上增加一層隔熱層，如圖3.值得一提的是，EPS塊位置應選擇在不破壞整個砌塊的整體性與力學性能，同時要在熱流線流經的關鍵節點處，并盡量靠近熱量流入側，目的是盡可能減小固體內部的熱流密度，以降低單位時間的熱量流失；三是在滿足砌塊力學要求的前提下，盡量減少固體導熱部分向內傳熱的熱流通道數量和通道寬度，從源頭上限制熱量滲透.經計算，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的增加，平均熱阻降低了12%.對于多排孔砌塊，如圖4，由導熱形式向砌塊內部傳熱的熱流通道有四條，可考慮通過孔洞的重新排布縮減到三條甚至兩條.經上述處理后，砌塊固體部分經導熱而流失的熱量將有所減少，同時為空氣層的傳熱量減少創造有利的邊界條件.

圖2 改進的固體傳熱路徑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計思路

為提高空心砌塊和墻體的熱工性能，本文提出以下三個基本思路用于指導砌塊型式設計.

(1)對空心砌塊的固體部分，應通過合理的孔洞設計，盡量延長其熱流線長度，減少熱流通道數量，并在熱流通道的關鍵節點處通過設置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，防止空心層內對流換熱量的增加；應通過增加空心層數來提高整個砌塊的熱阻；

(3)砌塊型式設計應充分考慮墻體中的L型節點和T型節點等部位因熱流方向改變和吸、散熱面積不同而導致的傳熱異常，同時要為消除或降低砂漿灰縫引起的“熱橋”效應做出應對措施，以提高整個墻體的熱工性能.

2 空心砌塊的設計與性能

2.1 型式設計

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)，空心砌塊的型式設計包括兩方面內容，一是孔型選擇及其排布；二是砌塊的整體外形設計.砌塊的孔型選擇應簡潔和便于制作，孔型排布在滿足基本力學要求的前提下，要保證砌塊本身有良好的熱工性能；砌塊的整體外形設計要便于施工與運輸，節點構造簡單且完善，同時要保證墻體的整體性、穩定性和提高整個墻體的熱工性能.

依據以上原則，本文設計兩種應用于墻體不同位置的空心砌塊，平面簡圖5、圖6所示.

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

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

2.2 數值模擬

Fluent是用于計算復雜幾何條件下流動和傳熱問題的CFD軟件程序，在對流體傳熱模擬上有較高的準確性[14]，利用Fluent模擬軟件對不同形式空心砌塊的熱工性能進行有限元模擬，先對模型進行合理的假設：(1)將通過砌塊的熱流只沿厚度方向傳遞，在軟件模擬中可以簡化為二維模型進行分析；(2)所有材料各項同性且均勻分布；(3)不考慮砌體間的傳熱效應，只分析單個砌塊的傳熱性能，在模擬中設定砌塊水平方向為絕熱條件；(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，外表面傳熱系數23 W/(m2·K)，內表面傳熱系數為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EPS隔熱塊放置位置的不同設計工況，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GB50176-2016《民用建筑熱工設計規范》[16]和《建筑材料熱物理性能與數據手冊》[17]選取，EPS塊選取建筑施工中常用的規格型號[18]，空氣層考慮嚴寒地區以保溫為設計主，選用冬季情況空氣層熱阻，換算為當量導熱系數，如表2所示.

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

通過模擬計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，再經過數據處理，可得到不同工況下砌塊的傳熱系數.

由表3可知，對于A型混凝土空心砌塊，將EPS塊放置于1號或3號位置對于砌塊的整體熱工性能提升要顯著大于2號位置，且在1號位置和3號位置均設置EPS塊的空心砌塊其熱阻值是其他工況的2倍以上，而EPS塊的用量并沒有增加，由此可見工況4#為A類型砌塊的最佳設計形式.對于B型混凝土空心砌塊，在1號或2號位置設置EPS塊兩者的熱阻只相差4%，但在1號和2號位置同時設置EPS塊后，其熱阻值相對于不放置EPS塊提高了3倍，由此可見8#為B類型砌塊的最佳設計形式.值得一提的是，這里的研究是2維的，而且只研究了一個砌塊的傳熱，兩側厚度方向設定了對稱邊界條件，如果研究多個砌塊砌成墻體的形式，結果也許會有不同.

依據以上結論，設計了2組針對于不同墻體位置的混凝土空心砌塊，詳見表4.考慮到文章所設計砌塊型式對消除或降低墻體內水平和垂直灰縫的熱橋作用有一定幫助，所以可以預期整個墻體的熱工性能將得到很大改善.

圖7 1#～8#號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果Tab.3 Simulation results of thermal performance of hollow block

表4 A、B系列空心砌塊型式設計Tab.4 Type design of A、B series hollow block

3 結論

(1)空心砌塊內部傳熱途徑可按傳熱方式的不同分別加以分析，通過采取合理的孔洞設計和技術措施，提高不同傳熱方式條件下的各自熱阻來綜合提高整個砌塊的熱工性能；

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

(3)在砌塊型式設計上，不能只滿足于砌塊本身的熱阻提高，而且要考慮到整個墻體的熱工性能，因此消除墻體內由砌塊設計不合理而遺留下的“熱橋”作用和完善節點設計同樣重要；

(4)在不增加或少增加成本的基礎上，充分挖掘空心砌塊的熱工潛能，合理設置EPS塊的位置，可以使砌塊熱阻顯著提高，在滿足建筑節能要求下減少外保溫材料消耗，實現建筑的綠色發展.