自保温空心砖传热性能研究

1自保温空心砖传热性能研究摘要：在当前的能源和建筑节能形式下，自保温空心砖作为一种新型的建筑材料与传统砖相比，具有良好的保温隔热性能。加上其具有使用的寿命和建筑物的寿命相一致、施工相对简单、容易确保施工的质量并且方便外墙饰面、价格低廉等优点，在建筑工程中得到了广泛应用。由于其具有良好的保温隔热性能，可作为墙体节能材料，因而受到了很多节能研究人员的关注。目前，对自保温空心砖的隔热保温性能的研究主要是采取模拟试验的方法。本文主要应用Gambit和Fluent软件模拟试验，比较几种不同类型的空心砖的保温性能，初步确定影响自保温性能的因素，为改进空心砖的自保温能力提供了参考依据。关键词：自保温空心砖；保温隔热性能；模拟试验；Gambit和FluentAbstractInthecurrentsituationofenergyandbuildingenergyconservation,comparedwithtraditionalbricks,theSelf-insulationHollowbrickasanewbuildingmaterialhasexcellentheatinsulationperformancebesidesithassomeadvantagessuchasservicelifeconsistingwiththelifeofbuilding,relativelysimpleconstruction,easytoensureconstructionqualityandeasytoexteriorwallfinishes,lowprice.Therefore,theSelf-insulationHollowbrickiswidelyusedinconstructionengineering.Asaresultofitsexcellentheatinsulationperformance,theSelf-insulationHollowbrickisfocusedmuchattentionbyresearchersinenergyconservation.Atpresent,thesimulationtestismainlyadoptedinthestudyoftheheatinsulationperformanceoftheSelf-insulationHollowbrick.Inthispaper,thesoftwareofgambitandfluentareappliedtosimulateexperimentsabouttheheatinsulationperformanceofdifferentkindsofhollowbricksandthusthefactorsinfluencingheatinsulationperformanceofthenewbrickareconfirmed,whichoffersreferencestoimprovetheheatinsulationperformanceofhollowbricks.Keywords：theself-insulationhollowbrick;heatinsulationperformance;simulationtest;thesoftwareofGambitandFluent1引言21.1空心砖自保温的研究意义在我国城市化迅速发展的大趋势下，建筑的建造规模越来越大，建筑能耗在能源的总消耗量中所占比例也逐年的上升。然而这些建筑能耗中包含巨大的能量损失，仅建筑围护结构的热损失就将近总损失的77%，其中墙体又在围护结构中占的比例最大，大约59.4%的热量都是通过墙体散发出去的。由此可见降低建筑能耗的关键措施之一是降低墙体的散热损失，即提高墙体的保温隔热能力。目前，墙体保温技术主要有外墙内保温技术、外保温技术和墙体的自保温技术（即空心砖的自保温技术）。外墙内保温技术应用相对较少，因为它存在以下问题：内保温复合墙体保温隔热能力较差，外墙的平均传热系数偏高根据相关研究，采用内保温技术，其主体结构的传热系数比平均传热系数要高出1.8～2.0。不利于室内装修二次装修时破坏内保温结构：当今住宅一般都只进行初装修，户主入住前必然要进行二次装修后才能入住，内保温结构容易遭到破坏。占用室内使用空间室内装修已经完成的情况下，如果再进行墙体内保温，必然要在墙体上加装保温材料，占用室内的使用空间。保温层容易出现裂缝由于外墙的温差较大，这种温差将直接影响到墙体内表面的应力变化，一般情况下这种变化比外保温墙体的要大得多。外墙和屋面受到太阳辐射热的作用而引起温度变化的幅度较大。当室内温度高于室外温度时，内墙收缩幅度比外保温隔热速度慢；当室3内温度低于室外温度时，内墙膨胀的幅度比外保温隔热体系快，这样的反反复复的形变使内保温隔热体一直终处于一个不稳定的墙体基础上，在这种形变应力反反复复的作用下，不仅外墙易遭受温差应力的破坏，内保温隔热体系也易发生空鼓开裂的情况。影响施工进度一般情况下工程的装修阶段中，最关键工序为内装修，假如再采用内保温的话，就必须在关键工序中再增加工序，必然会影响到施工的进度。外保温墙体是指由两种或两种以上的保温材料所构成的放置在室外侧的复合墙体结构。墙体外保温技术存在着以下一些缺点：外保温复合墙体采用外保温的墙体防护能力较差，不能够适应现代建筑多样化的外墙装饰要求，特别是在南方这种多风多雨的气候地区，例如空调的室外机、通水管道、各种电路等，并且经常发生漏水现象，从而引发墙体的渗漏、内部霉变等质量问题。采用外保温的墙体保温层直接暴露外界环境中，日晒雨淋，并且承受很大的温差，必须严格要求保温材料的耐腐蚀性和耐水性等性能。由于外保温复合墙体的保温层长期暴露在比较恶劣的环境中，经常性的风吹雨打会使其与固定材料的粘结发生松动、老化的情况，存在安全隐患并且减少了外保温层的使用寿命。外墙外保温的结构中，由于保温层存在于基层和外饰面层之间，保温材料的比容与膨胀系数跟面层和基层之间存在着很大的差异，即使采取了一些加固的措施，仍影响保温层与外饰面、基层之间的稳定性。特别是在采用外墙外保温时面层是面砖的情况下，在安全性方面一直存在着很大的争议，大多数人认为一直存在着潜在的危险。由于墙体内保温系统和墙体外保温系统所使用的保温材料绝大多数为有机材料，而近年来由于保温系统引起火灾的悲剧时有发生，造成了严重的人员伤亡和大量的财产损失。为此，国4家先后出台了一系列的文件，对有机类保温材料的应用做出了一些限制使用和禁止使用的规定。空心砖的自保温技术（墙体自保温技术）弥补了以上两种技术的不足，它通过提高自身热工性能，使其满足相关建筑节能标准规定的热工参数要求。这样即可以满足国家的质量要求，又可以实现墙体的自保温功能，工程实践证明应用该项技术不仅可以降低建筑的成本，还可以缩短工期、延长使用寿命，而且对于提高工程质量，降低建筑能耗具有十分重要的意义。与采用内、外保温技术相比，空心砖的自保温技术具有以下明显的优势：与建筑物具有相同寿命可以独立砌筑成为保温墙体，保证了建筑保温墙体的整体性并且能够有效抵抗气候变化，使其使用寿命与建筑物相同，解决了保温系统的后顾之忧。消除火灾隐患由于自保温空心砖可以直接砌筑成墙，不使用有机保温材料，避免了火灾发生，从而增强了建筑的安全系数。缩短工期墙体砌筑成之后可直接进行装修，不必再另作保温工作，大大缩短了工期。由此可见，与其他墙体保温技术相比，空心砖自保温技术在防火安全、使用安全、施工难易程度、经济性、耐久性等方面都有显著的优势，在当前我国全面推进建筑节能的背景下，进行空心砖自保温技术的研究对开展建筑节能工作具有重要的现实意义。1.2研究背景本文根据当前自保温空心砖研究的不足，考虑到砖体结构对保温性能的影响，通过软件模拟比较，分析孔型、孔的排数、列数、孔洞率、砖型、排列方式等对空心砖的热工性能的影响，对自保温空心砖进行了优化。此外，通过比较可知优化后的自保温空心砖可以更大程度地降低建筑能耗，降低成本，增加建筑的安全性。本文通过软件模拟与结果分析来研究空心砖的孔洞形状、矩形孔洞长宽比、孔洞排数和列数、孔洞率、排列方式对保温性能的影响。当把单块空心砖作为研究对象时，由于在外墙体系中作为研究对象的空心砖必然不是孤立的，其左右可视为有完全相同的空心砖，因此我们设定所研究的空心砖的左右两个面为绝热界面。将空心砖的另外两面各设置成低温侧和高温侧，在这样的边界条件下进行模拟分析。在不考虑空心砖本身材性对砌块保温性能影响的情况下，根据大学本科传热学课本[14]附录中砖的导热系数将所研究的空心砖材料的导热系数设定为0.93W/m2·K。本文主要通过Gambit软件建立计算模型导入到Fluent软件中，输入材料相关的参数，最后设定边界条件。左右边界为绝热面(设定第二类边界条件中热流为0W/m2)，其他两个面设定为热侧(室内侧)和冷侧(室外侧)。通过改变条件获得数据并用公式计算得出不同条件下的传热系数，比较分析哪种空心砖的传热系数较低，最后得出空心砖的自保温能力大小。52空心砖自保温系统的基本知识由于空心砖内有大量的空气，热量的传递是通过介质实现的，砖内空心部分大量空气可以有效的阻止热量的传递，加之空心砖的孔洞可以插入保温材料增强保温性能，因此它比实心砖的保温性能要好的多。2.1空心砖的基本概况用保温隔热材料注塑成型在空心砖的孔洞内复合而成的带有阻热条的保温空心砖，称为自保温空心砖。它是以页岩、粘土等材料作为主要原料，经过原料的处理、成型、烧结而制成。空心砖是现代建筑行业中最常用的墙体主材，并因其具有质量轻、用量少等优点，被广泛使用。空心砖分为以下几个类型：页岩空心砖以页岩为主体，以煤矸石为辅材，用水泥作为粘和物质，通过机械加压而制成的建筑材料，称为页岩空心砖。烧结空心砖（又称多孔砖）用页岩、粉煤灰和煤矸石作为主要材料，烧结成具有竖向孔洞的建筑材料，其孔洞率一般大于25%，且孔洞的尺寸小、数量多。粘土空心砖顾名思义，粘土空心砖是以粘土为主要原料，并在砖体上、下断面间各设置一条贯穿整砖厚度的矩形通孔的砖型。该砖型设计受力面积大，整体强度高，制作工艺简单，且新颖合理，具有十分客观的社会和经济效益。免烧空心砖它是一种规格型号等与普通空心砖相近，但不用烧结成型，而是用机器直接压制成型的空心砖。玻璃空心砖顾名思义，玻璃空心砖首先是由玻璃制成的空心的砖型，它由两块半坯在高温下熔接而成。它具有很多优点，例如有隔音、透光、导热率低、保温、强度高、防潮、抗腐蚀等优点，因此它是优点十分突出的砖型。2.2自保温系统的基本知识空心砖内部所发生的传热过程是由导热、热对流和表面辐射同时共同作用的复杂的传热过程，而这些传热过程又都与空心砖孔洞的宽度或直径有关系，根据传热学的相关知识，我们可以把这种传热归结为有限空间的热传递。所以对空心砖内部空气层进行传热分析是非常有必要的。我们通过传热学中的传热基本方程式Q=KAΔTm可以得出，减小自保温空心砖的传热系数K，传热的面积A与两壁面之间传热的平均温度差ΔTm，都可以使传热量降低。然而由于客观条件的制约，设法降低自保温空心砖的传热系数K才是实现提高自保温空心砖自保温能力的主要途径。62.2.1空心砖内部空气夹层的传热过程由于厚度比较小的空气夹层有相对来说较大的热阻，所以现在的市场上出现了很多辅助一定的空气夹层的建筑材料，例如：混凝土空心砖、烧结页岩空心砖等等，这些空心砖都很好地利用了空气夹层保温的性能。一般情况下建筑材料的热量转移依靠弹性波的作用转移的，然而空气的热量转移则是依靠空气分子热运动进行的，增加空气夹层的厚度可以减小由于热传导而造成的热量损失，却增加了热对流的热量损失，而空气夹层热辐射的热量损失则与空气夹层的厚度减小或增加基本上没有关系，正由于空气夹层存在着三种传热形式，才导致了它的热阻和厚度的减小或者增加不成比例，这是空气夹层固有的隔热特性。不同于实心砖内部全是实体，空气夹层的热阻取决于夹层两个边界和它们之间的辐射换热的强度。对于空心砖来说，主要取决于孔