预制混凝土夹心墙板热工性能模拟分析

朱文祥，魏燕丽，张海遐，许锦峰，吴志敏，蔡旻

（1.江苏省建筑科学研究院有限公司，江苏 南京 210008；2.江苏建科节能技术有限公司，江苏 南京 210008；3.江苏省绿色建筑与结构安全重点实验室，江苏 南京 210008）

0 引言

随着季节的交替变化，建筑物内外界的热量交换呈周期性变化，围护结构内部的温度与通过的热流也将发生变化，整个传热过程呈不稳定状态[1]。外围护墙体作为建筑热量传导的第一道防线，其保温性能对整个建筑的节能效果起着极其关键的作用。因此，提高外墙体的保温隔热性能是提升整体建筑节能效果的重要措施。

在现有的装配式建筑中，外围护的墙体主要是预制混凝土夹心墙，是由内叶混凝土板、外叶混凝土板、保温层及连接件组成的一种新形式墙板。预制夹心墙体作为一种复合墙体，其保温隔热性能与保温层、内外侧混凝土板的厚度和导热系数有直接关系。由于连接件的存在，且连接件的导热系数一般远远大于保温层材料的导热系数，因此，连接件部位是墙板的热桥区域，其导热系数一般大于同条件下无热桥的保温墙板。在现行GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》中，虽提出了对带有热桥的围护构件的计算方法，但未提出由热桥导致的预制夹芯墙板导热系数的折减修正，故对预制墙板的热工性能的分析显得十分必要。

本文对影响墙板热工性能的相关参数进行分析，探索其对墙板传热系数与热惰性指标的影响规律。

1 传热系数

1.1 软件模拟

1.1.1 模型单元与尺寸

采用有限元软件ABAQUS对墙板的传热系数进行模拟，根据热传导的特性，选取软件中的热传导实体单元和桁架单元。其中，混凝土板与保温层选择八节点实体单元C3D8R，内、外叶墙板中的钢筋以及连接件都采用DC1C2桁架单元。

模型中的夹心墙板的平面尺寸为3000 mm×3000 mm，总厚度为310 mm。夹心层采用挤塑聚苯乙烯（XPS）板，厚度为60 mm，内、外叶混凝土层厚分别为200 mm与60 mm。内叶混凝土层中钢筋的直径为10 mm，采用双层双向配筋，单层钢筋网格的间距为200 mm×200 mm；外叶层钢筋的直径为8 mm，采用单层配筋，钢筋网格的间距与内叶墙相同；墙板的剪力连接件采用Φ8的不锈钢丝，布置间隔约为400 mm×400 mm，不锈钢丝的两端分别与内外叶混凝土板中的钢筋连接。墙板有限元模型如图1所示。

图1 墙板的有限元模型

1.1.2 材料参数

模型中的材料密度、导热系数及比热容的数值依据GB 50176—2016《建筑材料热物理性能与数据手册》选取，具体见表1。

表1 模型材料的热物理参数

1.1.3 接触与边界条件

内、外叶混凝土板与中间XPS板采用面与面绑定的tie连接，内、外叶混凝土板中的钢筋网与中间层的不锈钢丝布尔运算merge连接成新的整体，此整体部件与整个墙板采用点对点的tie连接。

根据GB/T 13475—2008《绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法》规定，墙板两侧的温度差不应小于20℃。因此，墙板初始温度取20℃，墙板外侧温度设定为-10℃，墙体外侧对流换热系数为23 W/（m·K），墙板内侧温度设定为30℃，墙板表面对流换热系数为8.7 W/（m·K）。

1.2 模拟结果与分析

1.2.1 夹心层厚度的影响

为了探索夹心保温层厚度对墙板传热系数的影响，取中间保温层厚度为变量进行分析。墙板传热系数与保温层厚度的关系如图2所示。

图2 墙板传热系数随保温层厚度变化曲线

由图2可知，随着保温层厚度的增大，墙板的传热系数逐渐减小，且变化较为明显。保温层厚度每增加10mm，墙板的传热系数减小的幅度为10%～15%，且由于连接件的热桥效应，导致二者的变化不呈线性关系。图中计算值是根据GB 50176—2016中一维传热公式求出的理论值（下同），模拟求得的传热系数值为理论计算值的1.1～1.15倍，主要是因为一维传热只考虑了单一的方向，而实际的传热是呈三维的。因此，软件模拟求得的值相对较准确。

1.2.2 内外叶板厚度的影响

为了探索内、外叶混凝土墙板的厚度对墙板传热系数的影响，分别取二者的厚度为变量进行分析，墙板的传热系数与内、外叶混凝土墙板厚度变化的关系曲线如图3、图4所示。

图3 墙板传热系数随内叶墙厚度变化曲线

图4 墙板传热系数随外叶墙厚度变化曲线

由图3、图4可知，随着内、外叶混凝土面板厚度的增加，墙板的传热系数逐渐减小，但变化幅度不明显，主要是由于混凝土的导热系数远大于保温层的导热系数，内、外叶混凝土墙板的热阻之和占墙板总热阻的比例较小，因此，混凝土层厚度对墙板传热系数的影响较小。同等条件下，模拟求得的传热系数约为根据规范求出的理论值的1.15倍左右。

1.2.3 夹心层导热系数的影响

墙板传热系数与墙板夹心层材料的导热系数的关系如图5所示。

图5 墙板传热系数随夹心层导热系数变化曲线

由图5可知，随着夹心层材料的导热系数的增大，墙板的传热系数也增大，且墙板的传热系数受保温层导热系数的影响较明显，保温层导热系数每上升10%，墙板的传热系数约增加6%，二者之间的关系近似呈线性关系。同等条件下，模拟求得的传热系数约为根据规范求出的理论值的1.15倍左右。

1.2.4 连接件导热系数的影响

墙板传热系数与连接件材料导热系数的关系如图6所示。

图6 墙板传热系数随连接件导热系数变化曲线

由模拟曲线可知，随着连接件导热系数的增大，墙板的传热系数也增加，但增长较为缓慢，二者之间的关系近似呈线性关系。理论的传热计算时，未考虑到连接件周围的三维热传导，使得理论值与模拟值之间的偏差较大。

1.2.5 连接件总截面面积的影响

墙板的传热系数与连接件总截面面积关系如图7所示。

图7 墙板传热系数随连接件截面面积的变化曲线

当连接件总截面面积小于0.03 m2时，其总面积的增大，墙板的传热系数也增大，但当其面积达到0.03 m2后，连接件面积对墙板热阻的影响趋势变缓。

1.2.6 窗洞口封边的影响

由于墙板构造的需要，在带窗洞的预制墙板中，窗洞四周需要作封边处理，本次设计在墙上开有1500 mm×1500 mm的窗洞，窗洞四周封边的宽度皆为50 mm，分别建模模拟带封边与不带封边墙板的传热系数。模拟结果表明，不带封边墙板的传热系数为0.51 W/（m2·K），带封边墙板的传热系数为0.64 W/（m2·K），较前者增大了25%。由此可见，封边带来的热桥效应对墙板的传热系数有较大影响。

2 热惰性指标

热惰性指标D值作为围护结构的热工性能的另一个重要参数，其反应围护结构对周期性温度波在其内部衰减快慢程度。图8、图9分别为墙板的热惰性指标分别随其夹心层厚度与混凝土层总厚度的的变化关系。

图8 墙板热惰性指标随夹心层厚度变化曲线

图9 墙板热惰性指标随混凝土层厚度变化曲线

由图8、图9可知，其他条件不变的情况下，随着夹心层与混凝土层厚度的增大，墙板热惰性指标D值也增大，二者呈现线性的关系；热惰性指标受保温层厚度的变化影响较小，而受混凝土层厚度变化明显，主要是由于混凝土层的D值在墙板总D值的比例较大。因此，提高墙板热惰性指标的最有效方法是增加混凝土层的厚度。

3 结论

内外叶层、夹心保温层对预制混凝土夹心墙板传热系数和热惰性指标有一定的影响，影响墙板传热系数最显著的因素是夹心保温层的厚度与其导热系数，影响墙板热惰性指标最显著的因素是混凝土层的厚度。因此，提升整个预制墙板热工性能的有效措施是增加保温层的厚度或减小其导热系数，或增加混凝土层的厚度。

连接件的存在，使得墙板的传热系数增大了10%左右，因此，在设计此类带不锈钢连接件的预制夹心墙板时，建议将墙板的理论计算传热系数乘以1.1～1.15倍的放大系数，作为实际夹心墙板的传热系数。