一种新型多孔砖导热系数算法的对比研究

王静

（黄骅市住建局检测站，河北黄骅 061100）

一种新型多孔砖导热系数算法的对比研究

王静

（黄骅市住建局检测站，河北黄骅 061100）

对这一新型无骨料多孔砖的参数及性能作了简要分析，将多孔砖平均导热系数的两种计算方法进行了探讨并作了对比，结果表明：两种方法计算结果比较接近，反映了ANSYS模拟计算值的合理性，为此类多孔砖的导热性能计算提供指导。

多孔砌块，蜂窝块，平均导热系数，热阻，保温性能

目前，国家要求在全国范围内建筑节能首先达到50%（在20世纪80年代初的建筑能耗基础上）的要求，对于一些大中城市则提出了更高的要求，如对北京的要求为节能65%［1］。这就对墙体材料的热工性能提出了更高的要求，同时推动了墙体材料改革进程。因此研制新型的，保温性能良好的多孔砖来替代原有能耗高的砌体材料，成了墙体材料革新的一个方向。这种新型多孔砖，不采用粘土且自身的强度较高，采用多孔空心截面，节约材料同时具有较好的热工性能。

空心砖与多孔砖的传热性能分析属于二维传热问题，保温性能的测定方法分为现场观测、实验测定和模拟的方法。现场观测和实验测定都需要按规定采用热流计测定，而这种测定方法受现场条件的环境的影响测量误差较大［2］。德国Homayr氏曾定出一个计算导热系数的近似公式，用此公式计算出的导热系数虽与测定值有出入，但对于计算内部孔型复杂的空心砖导热系数的近似计算还是很适用的。大型有限元分析软件ANSYS，其热工分析功能强大，能有效的模拟多孔砖的保温性能，并计算其平均导热系数。通过这两种方法的对比，为此类复合材料多孔砖的导热性能计算提供参考与借鉴。

1 新型多孔砖参数

这种新型多孔砖的主尺寸为240 mm×115 mm×90 mm，圆孔直径为8.6 mm，孔壁为2 mm，如图1所示。由于这种砌块的孔洞数量多、孔径小如同蜂巢一般，故可将其称为蜂窝块。蜂窝块的孔洞数量为231孔，孔洞率高达48.6%，具有良好的保温性能。其制品所用材料结合唐山实际采用:早强型普通硅酸盐水泥42.5 （唐山启新水泥厂）、粉煤灰（唐山电厂）、建筑石膏。

2 Homayr导热系数计算法

2.1 计算公式

其中，λm为多孔砖的导热系数，W/（m·K）;λs为基料导热系数，取0.93W/（m·K）;λ'为多孔砖孔洞中空气层的导热系数，W/（m·K）;F为多孔砖截面总面积，cm2;F2为顺着热流方向两侧边壁面积，cm2;Fs为F1内部孔壁的面积，cm2;F1为顺着热流方向两侧边壁之间具有孔洞的面积，cm2，F1=F－F2;Wm为孔壁线延长值的平均值，Wm=（WA+WB）×f，WA为孔壁轴A的最大延长线/多孔砖宽度，WB为孔壁轴B的最小延长线/多孔砖宽度，f为孔洞的布置方式系数，菱形砖f=0.53～0.55，错列孔多孔砖f=0.58～0.60，齐排孔多孔砖f=0.5。

图1 多孔砖尺寸及孔洞排列

2.2 多孔砖导热系数计算

图2 多孔砖传热路线图

如图2所示给出了多孔砖顺向和顶向的最长热流线路A和最小热流线路B，根据式（1）及图2可分别计算出顺向和顶向的导热系数。顺向导热系数计算过程如下:

F:多孔砖断面总面积=24×11.5=276 cm2，

F2:顺着热流方向两侧边壁面积=0.7×11.5×2=16.1 cm2，

Fs:F1内部孔壁面积=259.9－134.2=125.7 cm2，

3 ANSYS导热系数计算法

ANSYS热分析是基于能量守恒原理的热平衡方程。用有限元法计算物体内部各个节点的温度，并导出其他物理参数［3］。运用ANSYS软件可以进行热传导、热对流、热辐射、相变、热应力以及接触热阻等问题的分析求解。

3.1 多孔砖模型参数

根据民用建筑热工设计规范，冬季的室内气温一般居住建筑取为18℃，室外平均温度取为－2.9℃，冬季的内表面换热系数为8.7W/（m2·K），外表面换热系数为23.0 W/（m2·K）。内外表面的换热阻分别为0.11（m2·K）/W，0.04（m2·K）/W。水泥砂浆的导热系数为0.93W/（m·K）。

3.2 ANSYS导热系数计算

单元类型为Solid70三维实体热单元，经过网格划分及边界条件的施加可模拟出多孔砖上各个节点温度，进而准确分析出多孔砖的温度场（见图3）和热流密度。根据传热学的基本原理可计算出材料的热阻及导热系数。顺向和顶向的计算数据见表1。

图3 多孔砖温度场分布

表1 ANSYS计算数据

4 计算结果分析

通过上述两种计算方法分别得出了这种多孔砖的平均导热系数为0.410 W/（m·K），0.382 W/（m·K）。当其作为外墙材料时，砌块厚度选为240mm，则其热阻分别为0.585（m2·K）/W，0.628（m2·K）/W。内外表面的换热阻分别为0.11（m2·K）/W，0.04（m2·K）/W。则外墙作为围护结构其热阻为0.735 0（m2·K）/ W，0.778（m2·K）/W。根据民用建筑热工设计规范围护结构的最小热阻按下式计算［4］:

其中，ti为室内计算温度;te为室外计算温度;Δt为室内温度与围护结构内表面的允许温度差;n为温差修正系数。根据唐山地区的实际情况计算出最小热阻为0.513（m2·K）/W。计算值均大于规范要求的热阻值，说明这种新型多孔砖符合规范的热工要求。对比几种常用的空心砖多孔砖的热工性能，这种新型的蜂窝块具有更优异的热工性能。如表2所示，这种新型多孔砖能够在较小墙厚的条件下保证热阻的要求，且有较轻的容重。

表2 热工性能对比

5 结语

通过比较Homayr公式和ANSYS模拟的导热系数结果，两者顺向导热系数相差6.5%，顶向导热系数相差7.0%，两种计算结果基本一致，反映了ANSYS模拟计算值的合理性，另外ANSYS能够直观的显示砌块的实际传热情况，为不规则多孔砖的热工参数计算提供一些借鉴与参考。通过计算也表明这种新型的多孔蜂窝块，有着良好的热工性能且孔洞率较大故容重较轻，符合国家对于墙体材料节能降耗的要求，对比几种常用多孔砖、空心砖单位厚度热阻提高了2倍～3倍，是一种有良好前景的新型墙材。

［1］黄际洸.混凝土砌块性能构造与设计［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［2］冯金秋.建筑节能设计标准与混凝土空心砌块墙体热工性能测试［J］.建筑砌块与砌块建筑，2004（1）：23-28.

［3］张朝晖.ANSYS10.0热分析教程与实例解析［M］.北京：中国铁道出版社，2007.

［4］GB 50176-93，民用建筑热工设计规范［S］.

［5］迟政权，佟万泉.混凝土砌块的发展现状和趋势［J］.辽宁建材，2005（1）：25-26.

Com parative research on new calculation for porous brick thermal conductivity coefficient

WANG Jing

（Monitoring Office，Huanghua Residing and Construction Bureau，Huanghua 061100，China）

The study undertakes the brief analysis of the parameter and performance of new coarse aggregate porous bricks，explores the two calculationmethods for the average thermal conductivity coefficientof porous bricks and has the comparison，and proves by the result that the calculation results of the twomethodsare close，and reflects the reasonability of ANSYSsimulation calculation value，so it provides the direction for the thermal conductivity performance calculation of the porous brick.

porousmasonry，cellular block，average thermal conductivity coefficient，thermal resistance，thermal insulation performance

TU522

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.22.095

1009-6825（2012）22-0223-02

2012-04-25

王静（1970-），女，助理工程师