摘要：設(shè)計三種橫孔連鎖混凝土砌塊, 研究了連鎖自保溫混凝土砌塊墻體的熱工性能。利用ABAQUS有限元軟件對內(nèi)部填充保溫材料和內(nèi)部未填充保溫材料的連鎖混凝土砌塊墻體進(jìn)行了熱工性能的數(shù)值模擬, 并計算得出墻體的傳熱系數(shù), 得到有利于實際生產(chǎn)和工程應(yīng)用的砌塊形式。結(jié)果表明, 墻體各項熱工性能指標(biāo)良好, H形砌塊墻體的傳熱系數(shù)較田字形砌塊墻體大幅度下降。增大孔洞率、減小孔間距和填充保溫材料等有利于提高砌塊的保溫隔熱能力。
關(guān)鍵詞：連鎖混凝土砌塊;保溫材料;熱工性能;ABAQUS有限元軟件;
0、前言
相關(guān)研究表明, 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱損耗占整個建筑熱損耗的70%～80%, 其中外墻所占比重又是最大的[1,2]。目前, 我國建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用外保溫技術(shù), 在實際工程應(yīng)用中, 墻體保溫材料容易引起安全事故, 如墻體的開裂、保溫材料的脫落和著火等, 嚴(yán)重影響建筑物的使用壽命和安全性能。因此, 發(fā)展自保溫墻體材料是當(dāng)前和今后的迫切任務(wù)。
對于自保溫混凝土砌塊墻體而言, 墻體自身材料是混凝土砌塊。王慶軒等[3]對陶粒泡沫混凝土砌塊、加氣混凝土砌塊、黏土磚以及細(xì)石空心混凝土砌塊 (填充聚苯板/未填充聚苯板) 5種砌塊進(jìn)行了研究, 建立了多材料圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型, 并測試了各墻體的傳熱系數(shù), 結(jié)果表明, 使用自保溫砌塊墻體的傳熱系數(shù)大幅度減小。此外, 關(guān)于連鎖型混凝土空心砌塊的研究也都有進(jìn)展[4,5]。李揚等[6]對口字形、田字形、H形橫孔連鎖型混凝土空心砌塊單個砌塊進(jìn)行了熱工性能研究, 并利用節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的配套軟件計算橫孔連鎖混凝土空心砌塊熱橋部位的線傳熱系數(shù), 為橫孔連鎖混凝土空心砌塊填充墻節(jié)能設(shè)計提供了依據(jù)。
為更好了解孔洞內(nèi)填充保溫材料后對砌塊墻體熱工性能的影響, 本文運用ABAQUS有限元軟件對田字形、H形橫孔連鎖混凝土砌塊墻體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析。分別建立擠塑聚苯板作填充材料和無填充材料橫孔連鎖混凝土砌塊砌體的數(shù)值模型, 以便全面掌握其穩(wěn)態(tài)傳熱過程中的熱工性能, 為橫孔連鎖混凝土砌塊的工程應(yīng)用提供參考。
1、 橫孔連鎖混凝土砌塊墻體
1.1、 橫孔連鎖混凝土砌塊幾何構(gòu)造
橫孔連鎖混凝土砌塊分為田字形、H字形兩種, 強度等級為MU10。型號為BT240型、BH240型、BH290型三種[7], 如圖1所示。三種砌塊的孔洞率依次為31%、36%、41%。
橫孔連鎖混凝土砌塊的砌筑方法與黏土磚近似, 但砌塊的上下皮可通過砌塊自身的肋和凹槽的咬合實現(xiàn)自動對齊, 以BH240型砌塊主塊為例, 在施工中通過砌塊凸肋和凹槽能實現(xiàn)自動對準(zhǔn), 對工人技術(shù)要求低, 砌筑后墻體的平整度好, 質(zhì)量穩(wěn)定, 且易于查驗。墻體砌筑示意圖見圖2。
圖1 砌塊尺寸 (單位:mm)
圖2 墻體砌筑示意圖
2 、有限元模型
2.1 、連鎖型混凝土砌塊墻體熱分析單元
在穩(wěn)態(tài)傳熱過程中, 墻體的內(nèi)表面、外表面溫度均保持穩(wěn)定, 當(dāng)墻體的寬度和高度尺寸比厚度尺寸大得多的時候, 可近似認(rèn)為墻體的溫度只沿厚度一個方向變化, 即熱能流動僅沿厚度方向進(jìn)行, 故可將墻體穩(wěn)態(tài)傳熱近似作為一維穩(wěn)態(tài)傳熱問題進(jìn)行分析[8]。鑒于此, 根據(jù)墻體的構(gòu)造形式選取其縱向剖面圖中具有周期性變化的單元作為熱工性能分析單元, 如圖3所示。文中主要對圖中所示的熱分析單元進(jìn)行熱工性能的數(shù)值模擬, 對比分析無填充孔洞的砌塊墻體和不同填充材料填充孔洞的砌塊墻體內(nèi)部溫度場及熱流密度場的分布情況, 并比較計算墻體的傳熱系數(shù)。
圖3 墻體熱分析單元幾何模型
2.2、 模擬參數(shù)設(shè)定
結(jié)合所要分析的連鎖混凝土砌塊墻體自身傳熱問題的特性, 選用穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱第三類邊界條件作為有限元分析計算的邊界條件, 給定室內(nèi)、外環(huán)境溫度和相應(yīng)溫度下室內(nèi)、外表面與空氣間的換熱系數(shù)。按照GB 50176—93《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》上規(guī)定的參數(shù)范圍進(jìn)行選擇, 所取數(shù)值如表1所示。
表1 模擬參數(shù)取值
有限元模型中不同材料導(dǎo)熱系數(shù)取值如表2所示。
表2 不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)
空氣間層導(dǎo)熱系數(shù)按照GB 50176—93取值, 如表3所示取相應(yīng)的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。
表3 不同空氣間層厚度的空氣當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)
3、 計算結(jié)果與分析
3.1 、溫度場分布
計算得到墻體單元的溫度分布云圖, 如圖4、圖5所示。
由圖4、圖5可見, 未填充保溫材料的砌塊墻體熱分析單元內(nèi)部溫度分布相對較均勻, 而填充保溫材料的墻體溫度分布云圖起伏較大, 溫度分布不再均勻, 在填充保溫材料所覆蓋的范圍處溫度梯度變化加快。引起這一差異的原因在于保溫材料的填充使得墻體內(nèi)部的各材料之間的導(dǎo)熱系數(shù)差異變大, 由于保溫材料良好的保溫隔熱性能使得其對熱流的阻礙作用加強, 導(dǎo)致此處的溫度梯度加大, 進(jìn)而使得其熱分析單元內(nèi)部溫度分布不再均勻。從墻體內(nèi)外表面的溫度分布可見, 填充保溫材料的砌塊墻體內(nèi)外表面的溫差要大于未填充保溫材料的砌塊墻體, 即保溫材料的填充提升了砌塊墻體的保溫隔熱性能。由圖還可以看出, H形砌塊墻體內(nèi)外表面的溫差要大于田字形砌塊墻體, 溫度云圖起伏也較大, 其中孔洞率較大的BH290墻體內(nèi)外表面溫差更大, 說明提高砌塊孔洞率, 優(yōu)化孔洞組合可以提高砌塊墻體的保溫性能。
圖4 未填充保溫材料溫度分布云圖
圖5 填充保溫材料溫度分布云圖
3.2、 熱流密度場分布
計算得到墻體單元的熱流密度分布云圖, 如圖6、圖7所示。
圖6 未填充保溫材料熱流密度分布云圖
由圖6可見, 對于未填充保溫材料的砌塊墻體, 其內(nèi)部熱流密度分布相對均勻, 這與其內(nèi)部溫度場分布是相吻合的;由圖7可見, 填充保溫材料的墻體孔洞處的熱流密度值遠(yuǎn)小于未填充孔洞墻體的熱流密度值;由兩圖對比可得, 未填充保溫材料的墻體在穩(wěn)態(tài)傳熱過程中每一層的熱流密度平均值均大于填充保溫材料的墻體, 由此可看出, 未填充保溫材料的墻體的熱損耗量大, 即其保溫隔熱性能要差于填充保溫材料的墻體。
在溫度分布有明顯變化的地方對應(yīng)到砌塊模型中發(fā)現(xiàn), 這些部位正是孔間肋分布的地方, 表明在空心砌塊的孔間肋處確有形成使導(dǎo)熱短路的熱橋, 而其他位置的溫度分布則沿主要傳熱方向均勻變化。孔壁越厚熱橋面積越大, 田字形砌塊德孔壁為60 mm, 熱橋幾乎是連續(xù)的, 不利于墻體的保溫性能。而H形砌塊孔洞分布較合理, 保溫性能較好。3.3墻體傳熱系數(shù)計算
墻體的傳熱系數(shù)數(shù)值上等于墻體兩側(cè)的溫差為1℃時, 單位時間內(nèi)通過墻體單位面積的傳熱量, 又由于在穩(wěn)態(tài)傳熱過程中, 垂直熱流方向的每一層傳熱面所傳遞的總的熱流量均是相等的, 故可由處于穩(wěn)態(tài)傳熱過程中的墻體兩側(cè)的平均溫差及垂直于熱流方向任意截面的平均熱流密度來計算墻體傳熱系數(shù), 其計算公式為:
式中:q為垂直熱流方向傳熱層的平均熱流密度;ΔT為墻體兩側(cè)的平均溫差。
計算時, 平均熱流密度取內(nèi)、外表面熱流密度的均值, 傳熱系數(shù)計算結(jié)果如表4所示。
表4 墻體單元傳熱系數(shù)
由計算結(jié)果可知, 保溫材料的填充提高了墻體的保溫隔熱性能, 使其傳熱系數(shù)下降。由于混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與空氣、保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)差距較大, 墻體單元的傳熱系數(shù)受混凝土影響較大, 傳熱系數(shù)下降不明顯。BT240孔洞率最小, 填充保溫材料后墻體傳熱系數(shù)下降6.3%;BH290孔洞率最大, 填充保溫材料后墻體傳熱系數(shù)下降15.7%。
對比未填充保溫材料時三種砌塊墻體的傳熱系數(shù), BH240較BT240傳熱系數(shù)降低了39.7%, BH290較BT240降低了47.8%。究其原因, 田字形砌塊孔洞內(nèi)空氣較容易產(chǎn)生短路對流, 導(dǎo)致空心砌塊的傳熱路徑變短, 減小了空心砌塊的熱阻, 使墻體傳熱系數(shù)變大。
4、 結(jié)論
(1) 連鎖混凝土砌塊內(nèi)填充保溫材料對砌塊墻體的節(jié)能效果相比未填充保溫材料的砌塊墻體有所提高, 在同樣的邊界條件下保溫材料的填充使得砌塊墻體向外界傳遞的熱量減少。
(2) H形砌塊墻體比田字形砌塊墻體的傳熱系數(shù)大幅度下降。說明孔洞率的增大能明顯提高砌塊墻體保溫隔熱性能, 較長的孔洞比較利于增長傳熱路徑, 增大砌塊的熱阻。因此, 在設(shè)計砌塊孔型時, 應(yīng)適當(dāng)增加孔洞長度。
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