烧结自保温砖(墙体)的意义和计算程序

秦 锐

(1.四川省建材工业科学研究院，四川 成都 610081；2.四川省材科院检验检测有限公司，四川 成都 610081)

1 背景和意义

我国已成为世界第三大能源生产国和第二大能源消费国，每年建成建筑总面积已超过所有发达国家的总和。建筑在生产和使用过程中要消耗能源总量的50%，其中建筑能耗约占全社会总能耗的24%，而该比例还仅仅是建造和使用过程中所消耗的能源比例，如果再加上建筑材料在生产过程中所消耗的能源，那么建筑能耗将占到全社会总能耗的47.24%，在社会总能耗中位居首位[1]。

根据建设部科技司的分析数据，到2020年底，我国新增的300亿m2房屋面积中，城市将新增加130亿m2房屋面积。假如这些新增加的建筑在现有状况下做到节能50%，则每年这些建筑约可节约1.6亿t标煤。2005年，我国440亿m2的现有建筑中，城市建筑面积约达138亿m2，这些建筑的围护结构很大一部分存在保温隔热性较差、暖通空调系统效率低下等问题，节能的潜力相当巨大。拿城市建筑面积达60%的建筑住宅为例，现有采暖区域的城镇住宅面积约40亿m2，在2000年时，我国供暖季的平均能耗约25 kg标煤/m3，假如在现有状况下做到节能50%，则每年约可节约0.5亿t标煤。其中空调设施是住宅能耗的重要部分，我国住宅的空调安装增加率1 100万台/年，空调的电耗占建筑能耗的比重迅速上升。据此推测，近10年我国城镇增加的建筑约8亿m2/年，假如暖通空调设备全部安装，则10年用电负荷的增加将超过1亿kW，达到我国2000年发电能力的近1/3。而如果我国大多数新建建筑按节能标准建造并且对已有建筑实施节能改造，则可使空调负荷下降40%～70%，一些地区甚至不用空调也可基本保证处于舒适状态。

墙体是外围护结构的主体，墙体材料的好坏对建筑能耗有着重要的影响。根据国内外学者对建筑全寿命周期能耗评价的研究结果可以看出，对于节能建筑，建筑材料的能耗占建筑全寿命周期能耗的比例40%以上，因此，推广新型节能墙体材料和可再生墙体材料对建筑节能有着重要的意义[2]。

2 程序设计

目前常用的节能保温砖设计软件有Matlab或Ansys软件，但使用这些软件需要进行多学科长时间的培训，又需要花费大量的人力、物力和时间成本，需要设计一个简单易行的程序，在设计砖型的基础上，提供一个理论计算值，最主要的是使用方便，简单易懂。该程序要实现以下目标：①不同孔型的烧结砖的导热系数计算；②不同孔型烧结砖砌筑墙体的传热系数的计算；③不含抹灰层砌体热工性能：当量热阻、当量导热系数、蓄热系数、热惰性指标的计算。

程序采用Homayr公式，使用前端开发技术，用表格输入框的形式，直接在网页上打开进行操作计算，并且支持移动设备操作，界面简洁明了，操作简单，只用输入相关数据，程序会自动计算出空心砖导热系数，墙体传热系数等相关热工指标。用户可以方便地测量出数据，如砖的规格尺寸、肋的厚度，空心层的厚度，而不用管复杂繁琐的计算公式与计算过程，程序优点如下。

1)易用性：使用angularJS开发前端动态内容，提供很好的交互性，计算结果即是体现内置墙体热工性能计算算法。

2)互联性：接入互联网，使用HTML5Boilerplate提供很好的客户端兼容性，支持手机、PC、平板，方便更新，统一使用标准。

3)稳定性：利用coding.netPages服务。CodingPages是一个免费的静态网页托管和演示服务，可以使用CodingPages托管博客、项目官网等静态网页。

4)扩展性：易于添加新的算法和标准，程序员可以方便的更新和升级程序的算法和标准。

3 程序主界面设计

程序的计算是从顺向导热系数、顶向导热系数、墙体传热系数、不含抹灰层砌体的热工性能依次进行，主界面见图1。界面分为4个计算步骤，分别是顺向导热系数、顶向导热系数、墙体导热系数和不含抹灰层砌体的热工性能，从左到右依次计算。

图1 程序主界面

3.1 顺向导热系数和顶向导热系数界面设计

顺向导热系数和顶向导热系数的计算方法是一样的，所以本文以顺向导热系数为例。图2所示页面中,白色的输入框如空心砖截面总面积F、顺着热流方向两侧边壁面积F2等，需要测量砖的相关尺寸后手动输入数据，灰色的方框(加*)设置成不能输入任何字符。在白色输入框中输入数据后，系统会自动计算的相关参数并显示在灰色框里。其中“空心砖各类孔型空气层的厚度”，因为目前四川省内烧结自保温砖的孔型绝大部分都是2～3种，所以程序设计了4个孔型的输入框，就目前来说是足够了，若今后有超过4个孔型的保温砖，可以很方便地在程序中扩展。“决定于孔洞布置方式的系数f”，通过下拉菜单选择“错列孔”、“齐排孔”和“菱形砖”，分别对应不同的系数值。“砖质材料导热系数λs”的值相关资料中取固定值0.68，程序直接显示。

图2 导热系数计算界面

3.2 墙体传热系数程序的页面设计

图3所示页面中，测出墙体的面积，墙体使用砖的面积，砖墙的厚度等数据并输入程序，抹灰砂浆的导热系统通过查询资料取值0.8，顺向导热系数和顶向导热系数在前面的步骤中已经求出，直接录入结果即可，程序会自动计算出墙体的传热系数。

图3 墙体传热系数计算界面

3.3 热工性能程序页面设计

图4所示页面中，测出单元产品的尺寸、体积密度、墙体砌筑的灰缝厚度、两侧抹灰的厚度，再输入前面计算得到的墙体传热系数值，程序就会自动计算出不含抹灰层砌体相关的热工性能指标，如当量热阻、蓄势系数等。

图4 热工性能计算界面

通过笔者对10组不同尺寸和孔型结构的空心砖计算值与实测值的比较，程序计算的理论值与实测值的误差值在4%～10%，说明通过程序计算得出的理论值具有一定的参考意义。

4 结 语

目前建筑节能已经成为世界建筑行业的主题之一，与其他墙体保温体系相比，墙体围护结构自保温在耐久性、抗震性和安全性等方面具有很大的优势，自保温砖和自保温砌块是目前墙体围护结构自保温体系中典型的材料，与建筑主体结构寿命、防火性能好、施工方便、综合成本低，比外墙外保温系统更耐久，维护成本更低，节能效果也更好。设计出合理孔型的自保温砖和自保温砌块对每个砖厂来说，不仅可以节约生产成本，提高生产效率，而且可以产生更好的效益，赢得市场。

墙体热工性能涉及的方面很多，许多材料和系统的传热都是传导、对流和辐射的复杂组合，传热性质经常与试件自身及边界条件，试件的尺寸、传热方向、温度、温差、气流速度以及相对湿度有关。绝热材料本身又有许多种，还有复合保温材料，计算方法也有多种，Homayr公式、K·ΦΦοκин公式以及我国《民用建筑热工设计规范》(GB/T 50176—2016)中的相关公式，所以相关的计算都比较复杂。

在实验室里通过防护热箱法来测试墙体的传热系数，把保温节能砖砌成墙体试件，将墙体试件放置在已知环境温度的热室和冷室之间，在稳定的状态下测量空气温度和表面温度以及输入热室功率。由这些测量数值计算出墙体试件的传热性质。一般小砖厂企业规模较小，人员文化水平普遍较低，自身没有能力设计孔型和计算相关指标，也不愿意花钱请专家根据企业实际情况来设计，没有条件更没有必要购买检测设备，往往就看市场哪种砖好销售，就跟风去做，但是由于自身生产工艺的落后，生产出来的成品又达不到标准要求，通不过检测就进入不了市场，造成资源和资金的浪费。如果在生产一种砖型之前，能通过公式计算出这种砖的导热系数、墙体的传热系数以及相关热工指标，可以作为参考数据来改进优化砖型和孔型，指导生产，则可以节省大量的人力物力，提高生产效率。

本文所述程序把复杂的公式图形化、简单化，不需要人员有多高的学历和电脑知识，并可以在手机、平板等移动端上操作，通过表格化的界面，只需要把实际测量得到的数据输入相应的输入框中，就能得到传热系数和相关热工性能计算值的结果。可以节省大量的时间和精力，还可以与后期检测出来的实测数据对比，并不断扩充对比数据库，通过数据对比总结规律，通过大数据分析，总结出在保温性、经济性、实用性、耐久性等各方面都比较好的砖型，也可以对企业提供指导性意见和服务，一举多得。

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