陶粒砌块热工性能计算及孔型优化研究

朱清峰，夏多田，毛虎荣，吴士轩，吕开清

（石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000）

陶粒砌块热工性能计算及孔型优化研究

朱清峰，夏多田，毛虎荣，吴士轩，吕开清

（石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000）

根据新疆寒冷地区的特点，设计了一系列390 mm×300 mm×190 mm规格的陶粒混凝土空心砌块。从陶粒混凝土基材导热系数、孔洞排列数、孔洞交错排列等方面对砌块的热工性能进行了理论分析和平均热阻的计算。研究发现，陶粒砌块孔洞的排数是影响砌块平均热阻最主要的因素，基材的导热系数对砌块热阻影响次之，孔洞交错排列对改善空心砌块的热阻效果不明显，并提出了基于热工因素的建议优化孔型。

陶粒混凝土；空心砌块；热工性能；孔型

0 前言

随着我国建筑节能和墙体材料改革工作的开展，混凝土空心砌块由于其具有节土节能的特点，成为替代实心黏土砖的墙体材料之一，在我国得到了大力推广[1]。特别是轻质混凝土空心砌块，作为多层建筑中既承重又保温隔热的新型墙体材料，除了在力学性能上要满足基本的要求以外，它的保温隔热性能也是学者们研究的热点[2]。孔型优化是改善砌块热工性能的有效方法之一。滕超等[3]指出，热流方向的孔排数对空心砌块的热阻影响最大，每增加一排孔，砌块热阻至少可增大10%，而垂直热流方向的孔列数对其热工性能影响很小。居松茂和李楠[4]通过正交试验发现，孔的交错程度对混凝土空心砌块的热阻影响非常小，可在热阻值优化计算过程中固定孔的交错程度，通过改变孔宽和最大限度地设置孔排数（保证砌块强度的前提下）进行砌块热阻值优化计算。通过计算比较，孔宽35 mm的四排孔砌块的热阻值最大。张源和何嘉鹏[5]研究指出，对规格390 mm×190 mm×190 mm、每排2个孔的砌块，当间层宽度（大孔/小孔）为220 mm/95 mm，间层高度为190 mm，间层厚度为25 mm，间层排数为4排时，可以达到最佳热工性能。

结合新疆地域的特点，课题组开展了大掺量粉煤灰陶粒混凝土轻质空心砌块的相关研究（以下简称陶粒砌块）。本陶粒砌块以陶粒为粗骨料，以陶砂为细骨料，以水泥和粉煤灰为主要胶凝材料并加入其它工业固废与水拌合经成型后制得。本文考虑孔洞交错排列、陶粒砌块基材导热系数和孔洞排列数等对砌块热阻的影响，进行了孔型优化设计及平均热阻的计算，为砌块的批量生产提供理论依据和技术支撑。

1 陶粒砌块孔型设计

根据新疆地区目前多层砖混结构墙体厚度和墙体保温节能工法，设计陶粒砌块尺寸为390 mm×300 mm×190 mm。为研究孔洞交错排列对砌块热工性能的影响，设计出壁厚为30 mm、肋厚为20 mm的三排交错孔型和壁厚、肋厚都为30 mm的四排交错孔型，如图1、图2所示。为找出孔洞排列数与砌块热工性能之间的关系，固定砌块的孔洞率为40%，设计出不同排数的空心砌块，如图3所示。

图2 4排孔型空心砌块设计物理模型

图3 不同排数空心砌块的设计物理模型

2 陶粒砌块平均热阻计算方法

按照GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》中2种以上材料组成的计算公式，利用其外形尺寸和基材导热系数，将砌块划分成若干个传热通道以计算其平均热阻，原理如图4所示。

图4 空心砌块平均热阻计算示意

式中：F——与热流方向垂直的传热面面积，m2；

L——与热流方向垂直的传热面长度，m；

H——与热流方向垂直的传热面高度，m。

根据热力学原理[6]，平行于传热方向由几层不同材料组成，其热阻为：

式中：Rj——各通道中各层的热阻，（m2·K）/W，由式（3）求得：

式中：λj——各通道各层的导热系数，W/（m·K）；

dj——各通道各层的厚度，m。

各通道的热阻R0，i由式（4）计算：

式中：Ri——内表面换热阻，取0.11（m2·K）/W；

Re——外表面换热阻，取0.04（m2·K）/W。

垂直于传热方向由2种以上的材料组合构成的组合材料层，其平均热阻应按式（5）计算：

式中：F0——与传热方向垂直的总传热面积，m2；

F1、F2、...、Fn——按平行于热流方向划分的各个传热面积，m2；

R0，1、R0，2、...、R0，n——各个通道热阻，（m2·K）/W。

φ——组合材料的修正系数，取值见表1。

表1 修正系数φ的取值

不同材料的导热系数比参照GB 50176—93选取，空气间层的热阻应按表2取值。

表2 空气间层的热阻

3 陶粒砌块热工参数计算实例

3.1 参数的采集及通道的划分

根据文献[6]的方法，选择图1中三排孔空心砌块中的编号6为对象，将垂直于热流方向的总传热面划分为9个传热面，如图5所示。模型采用的数据主要有：陶粒混凝土导热系数为0.53 W/（m·K），空气间层的热阻取0.18（m2·K）/W。

图5 三排孔空心砌块传热通道划分模型

3.2 计算平行于热流方向各个传热面面积

根据图5中L、L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9尺寸及H的尺寸代入式（1）计算各传热面的面积，结果见表3。

表3 三排空心砌块各通道的传热面积m2

3.3 计算平行于热流方向各个传热面部位的热阻

从图5可以发现，一般平行于混凝土空心砌块热流方向的结构只分为2种：（1）混凝土层；（2）混凝土+空气层。根据图4的尺寸，计算平行于热流方向的传热面部位的热阻需分为以下2种情况[7]：

（1）计算混凝土通道的热阻R0，1、R0，9

以混凝土空心砌块基材的宽度B=0.30 m，导热系数λ基= 0.53 W（/m·K）为例，根据式（3）计算得R1=R9=0.30/0.53=0.5660 （m2·K）/W，再由式（4）计算R0，1=R0，9=0.7160（m2·K）/W。

（2）计算混凝土+空气层的热阻R0，1、R0，2、...、R0，8

根据混凝土空心砌块中空气间层厚度，从表2查得空气间层的热阻值R空=0.18（m·2K）/W，由混凝土空心砌块宽度方向的规格可得：R2=R4=R6=R8=0.7287（m2·K）/W，再由式（4）计算可以得出：R0，2=R0，4=R0，6=R0，8=0.8787（m2·K）/W。同理R0，3= R0，7=0.8119（m2·K）/W，R0，5=0.7828（m2·K）/W。

3.4 计算修正系数φ

根据R空和空气间层厚度，计算空气间层的当量导热系数λ空=0.07/0.18=0.3889 W（/m·K）。与λ基比较，较小值作为分子，较大值作为分母，计算两者的比值，得λ空/λ基=0.3889/ 0.53=0.73，其结果在范围0.70～0.99内，故修正系数φ取0.98。

利用3.1、3.2、3.3、3.4中的各参数，代入式（5），计算得到平均热阻=0.6734（m2·K）/W。

考虑陶粒混凝土基材不同的配合比，水泥的用量，骨料的不同成分和陶粒砌块的密度不同会产生不同的导热系数，图1、图2、图3中各孔型砌块的平均热阻计算结果分别见表4、表5、表6。

表4 三排孔型空心砌块的平均热阻（m2·K）/W

表5 四排孔型空心砌块的平均热阻（m2·K）/W

表6 不同孔洞排列数空心砌块的平均热阻

4 陶粒砌块平均热阻的影响因素

4.1 材料导热系数、孔洞交错排列的影响

为进一步分析影响空心砌块热阻得因素，将表4～表6数据绘制成曲线，见图6～图8。

图6 三排孔砌块平均热阻曲线

图7 四排孔砌块平均热阻曲线

图8 孔洞排数-平均热阻曲线

由表4和表5、图6和图7可以看出，在孔洞率、孔型的排数及布置都不变的情况下，随着陶粒砌块基材导热系数由0.30 W/（m·K）逐渐增大到0.6 W/（m·K）时，砌块的平均热阻值逐渐减小，三排孔型和四排孔型具有相似的变化规律，而且导热系数由0.30 W/（m·K）增大到0.35 W/（m·K）时，三排孔型和四排孔型砌块平均热阻减小幅度最大。当陶粒混凝土基材导热系数固定、孔洞率变化很小的情况下，改变孔洞的排列方式，砌块平均热阻值变化很小，说明改变孔洞排列方式对于改善砌块的平均热阻的效果不明显。

4.2 孔洞排数的影响

由表6和图8可知，在孔洞率为40%的情况下，增加砌块中空气间层的数目，即孔洞的排数从2排增加到5排，每增加1排，砌块平均热阻依次分别增大20.41%、18.95%、8.43%比较3排孔、4排孔、5排孔与2排孔砌块的平均热阻值发现3排孔、4排孔、5排孔砌块比2排孔砌块的平均热阻值增幅分别为20.41%、43.22%和55.29%。可以看出砌块孔洞的排数对空心砌块的热阻影响很大。孔洞排数增加到4排以后，再通过增加孔洞排数来增大砌块平均热阻的效果将降低，说明砌块孔洞率在某一数值时，存在与最佳热工性能相匹配的孔洞排列个数。

4.3 最佳孔型

比较选出最佳的孔型设计，所设计的3排孔型中，基材导热系数为0.53 W/（m·K）时，图3的b孔型理论计算出的平均热阻为0.7263（m2·K）/W，较图1中3排孔型的都大，即砌块孔型为3排时，图3的b孔型为所优化的最佳孔型；图2的4排孔1#孔型的平均热阻为0.8703（m2·K）/W，表6中c孔型砌块平均热阻0.8639（m2·K）/W，两者相差不大，考虑其生产工艺复杂性及条件，图2的1#孔型砌块生产较复杂一些，故选图3的c孔型为4排孔所优化的最佳孔型。

5 结语

通过对陶粒砌块热工性能的计算与孔型优化研究，得出如下结论：（1）孔洞的排数对砌块平均热阻影响很大，仅考虑热工性能，应设置尽可能多的孔洞排数；（2）陶粒混凝土基材的导热系数对砌块热工性能影响较大；（3）在孔洞率和孔洞排数固定的情况下，改变孔洞的排列方式，对改善空心砌块的热阻效果不明显；（4）在其力学性能及生产工艺允许的条件下，按其热工性能选择最佳的孔型为图3中的b、c孔型。“导热系数低、多排孔”可以作为具有良好热工性能的陶粒混凝土空心砌块的热工设计原则。

[1]申绘芳.复合自保温混凝土砌块砌体的试验研究[D].杭州，浙江工业大学，2010.

[2]陈利群.多排孔陶粒混凝土空心砌块砌体基本性能研究[D].长沙长沙理工大学，2007.

[3]滕超，杨旗，彭红.陶粒混凝土空心砌块孔洞结构的优化[J].材料导报，2011，25（S1）：281-284.

[4]居松茂，李楠.正交试验在混凝土小型空心砌块热阻值优化中的应用[J].墙体革新与建筑节能，2008（11）：31-33.

[5]张源，何嘉鹏.节能空心砌块选型的正交综合分析[J].建筑技术2009，40（4）：336-339.

[6]Yunus A Gengel，Michael A Boles.热力学-原理及工程技术应用[M].4版.北京：清华大学出版社，2004.

[7]黄嘉樑.混凝土空心砌块热导率的计算方法[J].建筑节能，2009，37 （9）：44-45.

Study on the ceramsite hollow block thermal performance calculation and the type optimization

ZHU Qingfeng，XIA Duotian，MAO Hurong，WU Shixuan，LV Kaiqing
（College of Water Conservancy and Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi 832000，China）

According to the characteristics of the cold region in Xinjiang，many of the 390 mm×300 mm×190 mm specifications of ceramsite concrete hollow blocks are designed.From the thermal conductivity of the substrate material，the holes arrangement and the holes staggered about many aspects，theoretical analysis of the thermal performance and average thermal resistance calculation of the block are carried out.The study found that one of the largest factors affecting the average thermal resistance is the holes arrangement，thermal conductivity coefficient of the substrate material takes the second place，the effect of holes staggered is not obvious，and some suggestions based on the thermal factors optimization type are put forward.

ceramsite concrete，hollow block，thermal performance，the hole type

TU522.34

A

1001-702X（2016）09-0054-04

国家自然科学基金项目（51468057）；国家级大学生创新创业训练计划项目（201510759044）

2016-02-01；

2016-05-13

朱清峰，男，1990年生，河南永城人，硕士研究生，研究方向为砌体结构。