陶粒泡沫混凝土砌块墙体的热工性能测试与分析.pdf

中国科技核心期刊 斩 巍 粉 陶粒泡沫混凝士砌◆ 夹 墙体的 热工性能测试与分析 王庆轩 ， 石云兴 ， 屈铁军 ， 张燕刚 2倪坤 ， 刘伟 ( 1 ． 北方工业 大学 建筑工程学 院， 北京 1 0 0 0 4 1 ； 2 ． 中国建筑工程 总公 司技术 中心， 北京1 0 1 3 0 0 ) 摘要： 采用模型房对陶粒泡沫混凝土砌块墙体以及几种常用保温材料砌筑墙体的热工性能进行了同条件测试。 结果表明， 陶粒 泡沫混凝土砌块的保温性能明显优于细石混凝土空心砌块、 多孔砖等常用保温墙体材料； 根据 G B 5 0 1 7 6 --1 9 9 3 《 民用建筑热工设计 规范》 计算了陶粒泡沫混凝土砌块墙体 的传热 系数 ， 测得 数据 与计算值能较好地吻合 ， 两者仅相差 2 ． 1 ％， 证明了多材 料围护结构模 型房传热性能的测试方案是可行 的。此外 ， 基于复合平壁 的热 阻计算 公式 ， 考虑砌块 的多维传热， 得到了砌块考虑几何修正系数的 热阻计算公式。 关键词： 陶粒泡沫混凝土； 砌块； 导热系数； 传热系数 中图分类号： T U 5 2 2 ． 3 ； T U 5 2 8 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 — 7 0 2 X( 2 0 1 4 ) 1 2 — 0 0 2 6 — 0 5 A t e s t i n g a n d a n a l y s i s o n t h e r m a l p e r f o r m a n c e o f c e r a ms i t e c e l l u l a r c o n c r e t e b l o c k wa l l WA N G Q i n g x u a n ， S H I Y u n x i n g 2 ， Q u T i e j u n ， Z H A N G Y a n g a n ~， N I K u n 2 , L I U We i ( 1 ． A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g C o l l e g e o f N o a h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， B e r i n g 1 0 0 0 4 1 ， C h i n a ； 2 ． C h i n a S t a t e C o n s t r u c t i o n E n gin e e ri n g C o r p o r a t i o n T e c h n o l o gy C e n t r e ， B e r i n g 1 0 1 3 0 0 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： A s e rie s o f s y n c h r o n o u s t e s t s o n t h e rm al pe r f o r ma n c e o f e e r a ms i t e c e l l u l a r c o n c r e t e b l o c k a n d o t h e r wa l l ma t e r i als w e r e c a r r i e d o u t ， b y u s i n g a mu l t i — ma t e rial e n v e l o p e mo de l r o o m i n t h i s p a p e r ．T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t i n s u l a t i o n p e rfo r ma n c e o f e e r a ms i t e c e l l u l a r c o n c r e t e b l o c k wa s o b v i o u s l y b e t t e r t h a n t h a t o f c o n c r e t e h o l l o w b l o c k， p e rfo r a t e d b r i c k e t c ．He a t t r a n s f e r c o e f f i — c i e n t o f c e r a ms i t e c e l l u l ar c o n c r e t e b l o c k wa l l wa s c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t o t h e r ma l d e s i g n c o d e f o r c i v i l b u i l d i n g GB 5 01 7 6 -- 1 9 9 3 ， a n d t h e c alc u l a t e d v a l u e wa s i n g o o d a g r e e me n t wi t h t h e d a t e f r 0 m t h e t e s t ， t h e diffe r e n c e wa s o n l y 2 ． 1 ％ ， wh i c h c o r r o b o r a t e d t h e f e a s i b i l i t y o f h e a t t r a n s f e r p e rfo r ma n c e t e s t me t h o d ．I n a d d i t i o n， b a s e d o n f o rm u l a for c a l c u l a t i n g t h e t h e r mal r e s i s t a n c e o f c o mp o s i t e wall a n d c o n s i d e rin g mU l t i d i me n s i o n a l h e a t t r a n s f e r ， t h e t h e rm a l r e s i s t a n c e f o rm u l a wi t h r e s p e c t t o g e o me t ric c o rre c t i o n c o e f f i c i e n t w a s o b t a i n e d ． Ke y wo r ds ： e e r a ms i t e c e l l u l ar c o n c r e t e ； b l o c k ： t h e rm al c o n d u c t i v i t y ； h e a t t r a n s f e r c o e f fic i e n t 0 前言 近年来， 随着我国对建筑节能要求的提高， 新型墙体材 料的开发和应用得到了社会各界的广泛重视， 多孔砖、 混凝 土空心砌块、 混凝土复合砌块和加气混凝土等产品在实际工 程中已得到了广泛应用，同时陶粒泡沫混凝土砌块以其轻 质、 比强高、 保温隔热和便于施工等优点也逐渐受到建筑界 收稿 日期： 2 0 1 4 — 0 9 — 1 6 ； 修订 日期： 2 0 1 4 — 1 1 - 0 3 作者简介 ： 王庆轩 ， 男， 1 9 8 8年生 ， 河 南南安人 ， 硕士研 究生， 研究 方 向： 节能墙体材料 。E - ma i l ： w q x a m s s @1 2 6 ．c o m。 2 6 新型建筑材料 2 0 1 4 ． 1 2 的青睐。但是迄今， 国内外对其热工性能的研究还比较少， 本 文采用模型房对其热工性能和其它墙体材料进行了同步测 试， 并依据相关设计规范对传热系数进行了计算分析。 1 试验方法 1 ． 1 导热系数和蓄热系数测试方法 本试验需准备2组试件， 分别用于导热系数、 蓄热系数 测试( 试件 a ) 和“ 平衡控制” 调节( 试件b ) 。试件尺寸为3 0 0 m m x 3 0 0 m m ~ 4 0 m m ， 绝干密度为6 0 0 k g ／ m 。此外， 为了保证 试件表面的平整度， 本试验采用竖向成型工艺。成型试件标 准养护2 8 d ， 置于干燥箱中， 在 1 0 5 ℃条件下烘干至恒重， 在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王庆轩， 等： 陶粒泡沫混凝土砌块墙体的热工性能测试与分析 ( m 2 o K ) 】 相比， 蓄热系数分别增大了2 5 ％和 3 5 ％， 然三者热阻 相当， 使得陶粒泡沫混凝土砌块墙体的热稳定性最好。 2 ． 2 传热系数 5 种试验墙体的热阻和传热系数见表 1 。 表 1 5 种试验墙体的热阻和传热系数 由表1 可知， 1 9 0 m m厚陶粒泡沫混凝土砌块墙体的传热 系数小于 1 ． 0 W／ ( m K ) ， 符合G B 5 0 1 8 9 - - 7 2 0 0 5 《 公共建筑节 能设计标准》 中有关夏热冬冷地区围护结构传热系数的限值 要求。与同等厚度的加气混凝土砌块墙体和2 9 0 m m厚填充 聚苯板的细石混凝土空心砌块( 复合混凝土砌块) 墙体的传热 阻相当， 保温性能接近。 与不填充聚苯板的细石混凝土空心砌 块墙体和黏土砖墙体相比，陶粒泡沫混凝土砌块墙体的热阻 分别提高了0 ． 9 7 倍和2 ． 3 8 倍， 单位建筑面积通过围护结构的 耗热量只需消耗它们的5 1 ％和3 0 ％，节能效果得到显著改 ， 善。 2 I 3 热惰性指标 墙体的热阻只代表围护结构抵抗导热的能力，只能作为 建筑围护墙体稳定传热的评价指标。且轻质保温墙体材料的 蓄热系数一般较小， 结构轻薄， 对不稳定热作用响应敏感。而 对于实际结构来说， 围护墙体经常处于不稳定传热状态， 单独 研究热阻和蓄热系数意义不大。此时一般采用围护墙体的传 热阻和材料蓄热系数的乘积即围护墙体的热惰性指标来评价 围护墙体的热工性能翻 。 对于陶粒泡沫混凝土砌块墙体，其热阻R = 0 ． 9 1 3 + 0 ． 1 1 + 0 ． 0 4 = 1 ． 0 6 3 m 2 ~ K ／ W， 蓄热系数 S = 4 ． 8 5 6 W／ ( m K ) ， 则墙体的 热惰性指标D = R x S = 5 ． 1 6 2 ， 与加气混凝土 = 3 ．9 1 0 ) 和混凝土 多孔砖( D = 3 ． 2 5 0 ) 相比， 其热惰性指标分别提高了3 2 ％ ：~ 1 5 9 ％， 热稳定性较好， 属于Ⅱ型围护结构。 3 传热系数计算 陶粒泡沫混凝土的导热系数为0 ． 1 5 6 W／ ( m K ) ，绝干密 度为6 0 0 k g ／ m ，陶粒泡沫混凝土砌块尺寸为 5 9 0 m m x 3 9 0 m m x l 9 0 m m ，内置 1 排直径为7 5 m m均匀分布的圆形空腔。 ’ 2 8 新型建筑材料 2 0 1 4 ． 1 2 由于其是非矩形空腔， 要等效为面积和纵横比相同的矩形空腔 ( 6 6 ．5 m in x 6 6 ． 5 m I I 1 ) 来计算热阻嗍 ， 见图4 。 陶粒泡沫混凝土 圆形空腔 ( a ) 原截面 陶粒泡沫混凝土 矩形空腔 图4 砌块传热单元划分 3 ． 1 传热系数验算 陶粒泡沫混凝土砌块可以看作是由2 种以 上材料( 陶粒泡 沫混凝土和空气) 组成的两向非均质结构， 其传热系数根据 G B 5 0 1 7 6 —9 3 《 民用建筑热工设计规范》 计算。 肚 F ． o ㈤ 式中： ——砌块热阻， m 2 o K ／ W； 一 与热流方向垂直的总热阻面积， i n ； 、F 2 、 F 3 、 ⋯、 一 按平行于热流方向划分的各个传热 面积， m ； R 、 R ： 、 R 。 、 ⋯、 R ， 一各传热部位的传热阻， m 2 ~ K ／ W； 厂一 内表面换热阻， m 2 ~ K ／ W； —— 外表面换热阻， m 2 ~ K ／ W； —— 修正系数， 按表2 取值。 表 2 修正系数 ( p 取值 3 ． 1 ． 1 砌块的热阻计算 在热流方向， 将砌块划分为混凝土单元和混凝土一 空腔组 合单元2 类单元， 分别对应5 个奇数单元和4 个偶数单元。 ( 1 ) 传热单元面积计算 总面积： 0 ． 5 9 x 0 ． 3 9 = 0 ． 2 3 0 1 m 2 混凝土单元面积： = ⋯= V 9 = 0 ． 0 6 4 8 x 0 ． 3 9 = 0 ． 0 2 5 3 m 2 混凝土一 空腔组合单元面积： F 2 = = ⋯= F s = 0 ． 0 6 6 5 x 0 ． 3 9 = 0 ． 0 2 5 9 m2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王庆轩， 等： 陶粒泡沫混凝土砌块墙体的热工性能测试与分析 ( 2 ) 传热单元热阻计算 在实际应用过程中，砌块的空腔可以等效为密闭的不通 风空间。 对于宽度小于1 0 倍厚度的小空间， 其热阻可按式( 2 ) 计算[4 1 。 — — — — — _ ( 2 ) +＼ ／ 舌一 手 ) ／ 2 式中： 尺 空腔热阻， m 2 o K ／ W； — 啭导尉流换热系数， 对于水平热流取 1 ．2 5 w ／ n 2 和0 ． 0 2 5 ／ d W／ ( m 。 K ) 中的较大者； 卜表面间辐射率； ^ ， 口 _ 一 黑体表面辐射系数， W／ ( m K ) ； d _空气层间的厚度， m m； 6 一空气层间的宽度， m m 。 本文砌块空腔尺寸： d = b = 6 6 ． 5 m m ， ^ 1 ． 2 5 W／ ( m K ) ， E = 0 ． 8 1 8 2 ， 黑体辐射系数h 取 2 0 c c 时的值5 ． 7 W／ ( m K ) ， 将以 上各值代入式( 2 ) ， 得到空腔热阻： R e = 0 ． 2 1 9 9 m K ／ W。 混凝土单元热阻： R 。 = R 3 = ⋯= R ~ - - o ． 1 9 ． 0 ． 1 5 6 = 1 ． 2 1 8 m K ／ W 混凝土一 空腔组合单元热阻： F 2 = F 4 = ⋯= F s -- 0 ．0 6 1 7 5 ：- 0 ． 1 5 6 x 2 + 0 ． 2 1 9 9 =1 ． 01 2 m K ／ W。 ( 3 ) 砌块热阻计算 由于空气间层厚度为6 6 ． 5 m m时，空气的当量导热系数 为0 ． 3 2 7 W／ ( m 2 e K ) 阿 。 此时， A l， A 2 = 0 ． 4 7 7 ， 则 = 0 ． 9 6 ， 又R F 0 ． 1 1 m K ／ W， R -- 0 ． 0 4 m K ／ W， 将上述各值代入式( 1 ) ， 则R -- 0 ． 9 2 7 m2 , K／ W。 3 ． 1 ．2 墙体传热阻计算 陶粒泡沫混凝土砌块墙体是由砌块与灰缝组成，本试验 将陶粒泡沫混凝土砌块和灰缝作为均质材料考虑，按加权平 均法计算墙体的热阻。取 1 m 墙体作为计算单元， 墙体面积 包括砌块面积和灰缝面积( 水平灰缝面积和竖向灰缝面积) 。 本 试验设计的多材料围护结构模型，水平灰缝和竖向灰缝厚度 均为1 2 m m，灰缝面积E l = ( 1 - 0 ． 4 1 2 + 1 - 0 ． 6 1 2 ) x 0 ． 0 1 2 = 0 ． 0 4 8 7 m ， 砌块面积 = 1 一 F 1 = 1 — 0 ． 048 7 = 0 ． 9 5 1 3 m 。 砌筑砂浆的导热系数为0 ． 9 3 0 W ／ ( m K ) ， 则灰缝热阻： R l = 0 ． 1 9 1 0 ． 9 3 0 = 0 ． 2 04 m 2 K ／ W。围护墙体热阻按式( 3 ) 计算： R ，1 + ，’ 式中： ——灰缝面积， m ( 3 ) 尼一砌块面积， m ； R l ——灰缝热阻， m 2 o K ， W； R 厂砌块热阻， m 2 - K ／ W。 将各参数代入式( 3 ) ， 得到墙体传热阻R ． 8 9 2 m 2 , K ／ W。 3 ． 1 ．3 墙体传热系数计算 墙体传热系数J ( 按式( 4 ) 计算。 = 【_ - ( 4 ) ： 式中： R 广 _ _ 一 围护结构的热阻， m 2 o K ／ W； 尺 I_一 内表面换热阻， 取0 ． 1 1 m 2 ~ K ／ W； —— 外表面换热阻， 取0 ．0 4 m 2 o K ／ W。 因此，多孔陶粒泡沫混凝砌块墙体的传热系数K = 0 ．9 6 0 ( m K ) 。 多材料围护结构模型的传热性能测试结果显示，陶粒泡 沫混凝土砌块墙体的传热系数为0 ． 9 4 0 w／ ( m z K ) ， 而通过导 热系数计算得到的传热系数为0 ． 9 6 0 W ／ ( m K ) ， 两者仅相差 2 ． 1 ％， 验证了多材料围护结构模型传热系数测试方案的可行 性以及传热系数测试结果的准确性。 3 ． 2 串并联模型砌块几何修正系数 的确定 复合平壁传热单元的划分和模拟电路图如图5 所示。 ( 5 ) ： i A i 麓 ( a ) 传热单元划分 ’ 厂 _ [ = = ] _ _ o _ 口⋯ ． ／ A i A ： ^ ＼ o 《 - ——[二= 卜 _ - o - _ { = == = ] ⋯ _ _ { 二二卜 ＼ A } A ； 熊 ／ L- - f =二二 卜 _ _ _ [ ]⋯ —[二]_ ／ J哇 ； { ( b ) 模拟 电路 图 5 复合平壁传热单元划分及模拟电路 根据章熙民等编著的《 传热学》 ， 复合平壁的总热阻见式 式中： R A - ——第n 个传热单元第／ ／ 7, 段的热阻， m K ／ W； 修正系数， 按表2 取值。 不同于复合平壁结构( 空斗墙、 空心板) 的是， 陶粒泡沫混 凝土空心砌块厚度方向的尺寸与长度或宽度方向的尺寸相差 不大， 应考虑三维传热， 本文根据复合平壁热阻计算公式， 考 虑砌块三维传热的影响， 将所得热阻再乘以修正系数肛 ， 本文 称其为几何修正系数。 N E W BUl L DI NG MNI E RI AI． 5 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王庆轩 ， 等： 陶粒泡沫混凝土砌块墙体的热工性能测试与分析 陶粒泡沫混凝土砌块的模拟电路见图6 。 R = 0 ． 2 0 6 砑 1 + 1 + ．．．+ 1 ： + R + A 。 A + R ： + R ^ ； R A + ： + R A — [二]一 4 结语 图 6 陶粒泡沫混凝土砌块的模拟 电路 3 ．2 ． 1 砌块热阻计算 该砌块沿长度方向划分为并联的9 个单元， 其中5 个相 同的混凝土单元热阻为： ． =R = ⋯= A = Q ： Q 一 0 ． 1 5 6 x 0 ． 0 6 4 8 x 0 ． 3 9 = 4 8 ． 1 9 4 m K 4 个混凝土一 空气层组合单元的热阻为： R A 山 = ⋯= R A = 至 ． ! 0 ． 1 5 6 X 0 ． 0 6 6 5 X 0 ． 3 9 ．0 ．0 6 6 5 。 0 ． 3 2 7 X 0 ． 0 6 6 5 X 0 ． 3 9 =3 8 ． 3 6 6 m K ／ W 根据式( 5 ) ， 砌块的总热阻尺 = 4 ． 8 0 8 m K ／ W。 又修正系数 =0 ． 9 6 ， 几何修正系数为 ， 则修正后砌块的总热阻R = R q ／ z = 4 ． 6 l 6 m2 , K ／ W 。 3 ． 2 ． 2 墙体热阻计算 灰缝面积6= 0 ． 0 4 8 7 m ， 砌块面积6= 0 ． 9 5 1 3 m 。灰缝热 阻R 1 = 0 ． 2 0 4 m 2 ~ K ／ W， 砌块热阻R z = R = 4 ． 6 1 m L , K ／ W。 将以上 各值代入式( 3 ) ， 得到陶粒泡沫混凝土砌块墙体的总热阻R 。 = ( 0 ． 0 1 0 + 4 ． 3 9 1 m 2 o K ／ W。 3 ． 2 ． 3 墙体传热系数计算 R 0 = ( 0 ． 0 1 0 + 4 ． 3 9 1 m K ／ W， R 产0 ． 1 1 m K ／ W， R = 0 ． 0 4 m z K ／ W， 则由式( 4 ) 得， 陶粒泡沫混凝土砌块墙体的传热系数 为K = I ／ ( 0 ． 1 6 + 4 ． 3 9 1 ) W ／ ( m K ) 。 又实测传热系数为0 ．9 4 0 W／ ( m z K ) ，则几何修正系数 为0 ．2 0 6 。因此， 陶粒泡沫混凝土砌块的总热阻见式( 6 ) ： ∞ ( 6 ) ( 1 ) 陶粒泡沫混凝土的导热系数为0 ． 1 5 6 W ／ ( m K ) ， 陶粒 泡沫混凝土砌块裸墙体传热系数为0 ．9 4 0 W／ ( m K ) ， 保温性 能明显优于细石混凝土空心砌块、 多孔砖和黏土砖。 ( 2 ) 陶粒泡沫混凝土砌块墙体的热惰性指标为5 ． 1 6 ， 属 于Ⅱ 型围护结构。 ( 3 ) 传热系数的理论计算值较好地吻合了实测值， 两者 仅相差2 ． 1 ％， 证明了多材料围护结构模型传热性能的测试方 案是可行的。 ( 4 ) 陶粒泡沫混凝土砌块串并联模型的热阻计算公式 为： R= 0 ． 2 0 6 可 1 + — 1 ⋯ 1R a I + R I + R R a I + R ^ A ’ A + R ⋯一 + R A ： + R 参考文献 ： [ 1 ] 马刚． 采暖居住建筑节 能检测与 分析[ D 】 ． 哈尔滨 ： 哈尔滨工程 大 学， 2 0 0 5 ． [ 2 】 朱存兵． 建筑节能现场检测 中热流计法 的应用[ J J ． 江苏建筑， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 6 3 — 6 5 ． [ 3 ] 赵维霞 ， 杨海 勇， 陈昱， 等． 多孔膨胀 珍珠岩混凝土 比热容与导热 系数测定及 其保温性 能评价【 J J ． 新 型建筑材料 ， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 7 8 — 8 O ． 1 4 J G B ／ T2 0 3 1 1 — 2 0 0 6 ， 建筑构件和建筑单元 热 阻和传热系数 计算 方法【 s 】 ． [ 5 ] 叶燕华 ， 孙伟 民， 何 嘉鹏 ， 等． 混凝土空心砌 块墙体热绝缘系数理 论分析【 J ] ． 新型建筑材料， 2 0 0 2 ( 5 ) ： 2 7 — 2 9 ． A ( 上接第 2 5页) 参考文献： [ 1 ] 闫振 甲， 何艳君． 现浇泡沫混凝土 复合墙体技术[ M1 ． 北京 ： 化学工 业 出版社 ， 2 0 1 3 ． 1 2 1 牛云辉 ， 卢忠远， 严云 ， 等． 泡沫混凝土整体现浇墙体 工程应用研 究I J 1 ． 新型建筑材料 ， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 2 5 — 2 9 ． 3 0 新型建筑材料 2 0 1 4 ． 1 2 [ 3 ] 尚润 祥． 谈整体现浇式 泡沫混凝土墙施工技 术的应用【 J J ． 山西建 筑， 2 0 1 4( 9 ) ： 9 9 — 1 0 0 ． 【 4 J4 刘力． 泡沫混凝土墙体 自保温工艺研究[ D J ． 重庆 ： 西南大学 ， 2 0 1 3 ． 【 5 ] 陈庆华． 轻质泡沫混凝土现浇墙体施工工法[ J j _ 建材与装饰， 2 0 1 3 ( 5 ) ： 1 03 —1 0 5 ． 【 6 ] 辽宁省地方标准 D B 2 1 ／T 1 7 9 4 --2 0 1 0 ， 现浇轻质复合墙体应用技 术规程【 s ] ． A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m