摘要：设计三种横孔连锁混凝土砌块, 研究了连锁自保温混凝土砌块墙体的热工性能。利用ABAQUS有限元软件对内部填充保温材料和内部未填充保温材料的连锁混凝土砌块墙体进行了热工性能的数值模拟, 并计算得出墙体的传热系数, 得到有利于实际生产和工程应用的砌块形式。结果表明, 墙体各项热工性能指标良好, H形砌块墙体的传热系数较田字形砌块墙体大幅度下降。增大孔洞率、减小孔间距和填充保温材料等有利于提高砌块的保温隔热能力。
关键词：连锁混凝土砌块;保温材料;热工性能;ABAQUS有限元软件;
0、前言
相关研究表明, 建筑围护结构的热损耗占整个建筑热损耗的70%～80%, 其中外墙所占比重又是最大的[1,2]。目前, 我国建筑围护结构主要采用外保温技术, 在实际工程应用中, 墙体保温材料容易引起安全事故, 如墙体的开裂、保温材料的脱落和着火等, 严重影响建筑物的使用寿命和安全性能。因此, 发展自保温墙体材料是当前和今后的迫切任务。
对于自保温混凝土砌块墙体而言, 墙体自身材料是混凝土砌块。王庆轩等[3]对陶粒泡沫混凝土砌块、加气混凝土砌块、黏土砖以及细石空心混凝土砌块 (填充聚苯板/未填充聚苯板) 5种砌块进行了研究, 建立了多材料围护结构模型, 并测试了各墙体的传热系数, 结果表明, 使用自保温砌块墙体的传热系数大幅度减小。此外, 关于连锁型混凝土空心砌块的研究也都有进展[4,5]。李扬等[6]对口字形、田字形、H形横孔连锁型混凝土空心砌块单个砌块进行了热工性能研究, 并利用节能设计标准中的配套软件计算横孔连锁混凝土空心砌块热桥部位的线传热系数, 为横孔连锁混凝土空心砌块填充墙节能设计提供了依据。
为更好了解孔洞内填充保温材料后对砌块墙体热工性能的影响, 本文运用ABAQUS有限元软件对田字形、H形横孔连锁混凝土砌块墙体进行稳态热分析。分别建立挤塑聚苯板作填充材料和无填充材料横孔连锁混凝土砌块砌体的数值模型, 以便全面掌握其稳态传热过程中的热工性能, 为横孔连锁混凝土砌块的工程应用提供参考。
1、 横孔连锁混凝土砌块墙体
1.1、 横孔连锁混凝土砌块几何构造
横孔连锁混凝土砌块分为田字形、H字形两种, 强度等级为MU10。型号为BT240型、BH240型、BH290型三种[7], 如图1所示。三种砌块的孔洞率依次为31%、36%、41%。
横孔连锁混凝土砌块的砌筑方法与黏土砖近似, 但砌块的上下皮可通过砌块自身的肋和凹槽的咬合实现自动对齐, 以BH240型砌块主块为例, 在施工中通过砌块凸肋和凹槽能实现自动对准, 对工人技术要求低, 砌筑后墙体的平整度好, 质量稳定, 且易于查验。墙体砌筑示意图见图2。
图1 砌块尺寸 (单位:mm)
图2 墙体砌筑示意图
2 、有限元模型
2.1 、连锁型混凝土砌块墙体热分析单元
在稳态传热过程中, 墙体的内表面、外表面温度均保持稳定, 当墙体的宽度和高度尺寸比厚度尺寸大得多的时候, 可近似认为墙体的温度只沿厚度一个方向变化, 即热能流动仅沿厚度方向进行, 故可将墙体稳态传热近似作为一维稳态传热问题进行分析[8]。鉴于此, 根据墙体的构造形式选取其纵向剖面图中具有周期性变化的单元作为热工性能分析单元, 如图3所示。文中主要对图中所示的热分析单元进行热工性能的数值模拟, 对比分析无填充孔洞的砌块墙体和不同填充材料填充孔洞的砌块墙体内部温度场及热流密度场的分布情况, 并比较计算墙体的传热系数。
图3 墙体热分析单元几何模型
2.2、 模拟参数设定
结合所要分析的连锁混凝土砌块墙体自身传热问题的特性, 选用稳态导热第三类边界条件作为有限元分析计算的边界条件, 给定室内、外环境温度和相应温度下室内、外表面与空气间的换热系数。按照GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》上规定的参数范围进行选择, 所取数值如表1所示。
表1 模拟参数取值
有限元模型中不同材料导热系数取值如表2所示。
表2 不同材料的导热系数
空气间层导热系数按照GB 50176—93取值, 如表3所示取相应的当量导热系数。
表3 不同空气间层厚度的空气当量导热系数
3、 计算结果与分析
3.1 、温度场分布
计算得到墙体单元的温度分布云图, 如图4、图5所示。
由图4、图5可见, 未填充保温材料的砌块墙体热分析单元内部温度分布相对较均匀, 而填充保温材料的墙体温度分布云图起伏较大, 温度分布不再均匀, 在填充保温材料所覆盖的范围处温度梯度变化加快。引起这一差异的原因在于保温材料的填充使得墙体内部的各材料之间的导热系数差异变大, 由于保温材料良好的保温隔热性能使得其对热流的阻碍作用加强, 导致此处的温度梯度加大, 进而使得其热分析单元内部温度分布不再均匀。从墙体内外表面的温度分布可见, 填充保温材料的砌块墙体内外表面的温差要大于未填充保温材料的砌块墙体, 即保温材料的填充提升了砌块墙体的保温隔热性能。由图还可以看出, H形砌块墙体内外表面的温差要大于田字形砌块墙体, 温度云图起伏也较大, 其中孔洞率较大的BH290墙体内外表面温差更大, 说明提高砌块孔洞率, 优化孔洞组合可以提高砌块墙体的保温性能。
图4 未填充保温材料温度分布云图
图5 填充保温材料温度分布云图
3.2、 热流密度场分布
计算得到墙体单元的热流密度分布云图, 如图6、图7所示。
图6 未填充保温材料热流密度分布云图
由图6可见, 对于未填充保温材料的砌块墙体, 其内部热流密度分布相对均匀, 这与其内部温度场分布是相吻合的;由图7可见, 填充保温材料的墙体孔洞处的热流密度值远小于未填充孔洞墙体的热流密度值;由两图对比可得, 未填充保温材料的墙体在稳态传热过程中每一层的热流密度平均值均大于填充保温材料的墙体, 由此可看出, 未填充保温材料的墙体的热损耗量大, 即其保温隔热性能要差于填充保温材料的墙体。
在温度分布有明显变化的地方对应到砌块模型中发现, 这些部位正是孔间肋分布的地方, 表明在空心砌块的孔间肋处确有形成使导热短路的热桥, 而其他位置的温度分布则沿主要传热方向均匀变化。孔壁越厚热桥面积越大, 田字形砌块德孔壁为60 mm, 热桥几乎是连续的, 不利于墙体的保温性能。而H形砌块孔洞分布较合理, 保温性能较好。3.3墙体传热系数计算
墙体的传热系数数值上等于墙体两侧的温差为1℃时, 单位时间内通过墙体单位面积的传热量, 又由于在稳态传热过程中, 垂直热流方向的每一层传热面所传递的总的热流量均是相等的, 故可由处于稳态传热过程中的墙体两侧的平均温差及垂直于热流方向任意截面的平均热流密度来计算墙体传热系数, 其计算公式为:
式中:q为垂直热流方向传热层的平均热流密度;ΔT为墙体两侧的平均温差。
计算时, 平均热流密度取内、外表面热流密度的均值, 传热系数计算结果如表4所示。
表4 墙体单元传热系数
由计算结果可知, 保温材料的填充提高了墙体的保温隔热性能, 使其传热系数下降。由于混凝土导热系数与空气、保温材料的导热系数差距较大, 墙体单元的传热系数受混凝土影响较大, 传热系数下降不明显。BT240孔洞率最小, 填充保温材料后墙体传热系数下降6.3%;BH290孔洞率最大, 填充保温材料后墙体传热系数下降15.7%。
对比未填充保温材料时三种砌块墙体的传热系数, BH240较BT240传热系数降低了39.7%, BH290较BT240降低了47.8%。究其原因, 田字形砌块孔洞内空气较容易产生短路对流, 导致空心砌块的传热路径变短, 减小了空心砌块的热阻, 使墙体传热系数变大。
4、 结论
(1) 连锁混凝土砌块内填充保温材料对砌块墙体的节能效果相比未填充保温材料的砌块墙体有所提高, 在同样的边界条件下保温材料的填充使得砌块墙体向外界传递的热量减少。
(2) H形砌块墙体比田字形砌块墙体的传热系数大幅度下降。说明孔洞率的增大能明显提高砌块墙体保温隔热性能, 较长的孔洞比较利于增长传热路径, 增大砌块的热阻。因此, 在设计砌块孔型时, 应适当增加孔洞长度。
参考文献
[1]江亿.我国建筑能耗趋势与节能重点[J].建筑科技, 2006 (7) :10-15.
[2]任乃鑫, 阮帆, 赵宇洲.夏热冬冷地区既有办公建筑围护结构节能改造[J].沈阳建筑大学学报:自然科学版, 2012 (7) :678-683.
[3]王庆轩, 石云兴, 屈铁军, 等.自保温砌块墙体在夏热冬冷地区的传热性能研究[J].施工技术, 2014, 43 (24) :19-23.
[4]吴方伯, 李亚琳, 刘彪, 等.横孔连锁混凝土空心砌块砌体抗压性能试验研究[J].混凝土与水泥制品, 2015 (6) :62-66.
[5]王政, 张敬书, 赵俊, 等.承重型横孔连锁混凝土砌块的物理力学性能[J].混凝土与水泥制品, 2016 (6) :73-77.
[6]李杨.横孔连锁混凝土空心砌块的块型设计及热工性能[D].兰州:兰州大学, 2014.
[7]张敬书, 张伟鹏, 赵俊, 等.承重型横孔连锁混凝土砌块的技术特点及应用前景[J].混凝土与水泥制品, 2015 (12) :71-74.
[8]魏玲, 肖婷.砌法对混凝土空心砌块热工性能的影响[J].混凝土与水泥制品, 2014 (12) :70-74.