朱文祥，魏燕麗，張海遐，許錦峰，吳志敏，蔡旻

（1.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210008；2.江蘇建科節(jié)能技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210008；3.江蘇省綠色建筑與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008）

0 引言

隨著季節(jié)的交替變化，建筑物內(nèi)外界的熱量交換呈周期性變化，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度與通過的熱流也將發(fā)生變化，整個(gè)傳熱過程呈不穩(wěn)定狀態(tài)[1]。外圍護(hù)墻體作為建筑熱量傳導(dǎo)的第一道防線，其保溫性能對(duì)整個(gè)建筑的節(jié)能效果起著極其關(guān)鍵的作用。因此，提高外墻體的保溫隔熱性能是提升整體建筑節(jié)能效果的重要措施。

在現(xiàn)有的裝配式建筑中，外圍護(hù)的墻體主要是預(yù)制混凝土夾心墻，是由內(nèi)葉混凝土板、外葉混凝土板、保溫層及連接件組成的一種新形式墻板。預(yù)制夾心墻體作為一種復(fù)合墻體，其保溫隔熱性能與保溫層、內(nèi)外側(cè)混凝土板的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)有直接關(guān)系。由于連接件的存在，且連接件的導(dǎo)熱系數(shù)一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于保溫層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，因此，連接件部位是墻板的熱橋區(qū)域，其導(dǎo)熱系數(shù)一般大于同條件下無熱橋的保溫墻板。在現(xiàn)行GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》中，雖提出了對(duì)帶有熱橋的圍護(hù)構(gòu)件的計(jì)算方法，但未提出由熱橋?qū)е碌念A(yù)制夾芯墻板導(dǎo)熱系數(shù)的折減修正，故對(duì)預(yù)制墻板的熱工性能的分析顯得十分必要。

本文對(duì)影響墻板熱工性能的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，探索其對(duì)墻板傳熱系數(shù)與熱惰性指標(biāo)的影響規(guī)律。

1 傳熱系數(shù)

1.1 軟件模擬

1.1.1 模型單元與尺寸

采用有限元軟件ABAQUS對(duì)墻板的傳熱系數(shù)進(jìn)行模擬，根據(jù)熱傳導(dǎo)的特性，選取軟件中的熱傳導(dǎo)實(shí)體單元和桁架單元。其中，混凝土板與保溫層選擇八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元C3D8R，內(nèi)、外葉墻板中的鋼筋以及連接件都采用DC1C2桁架單元。

模型中的夾心墻板的平面尺寸為3000 mm×3000 mm，總厚度為310 mm。夾心層采用擠塑聚苯乙烯（XPS）板，厚度為60 mm，內(nèi)、外葉混凝土層厚分別為200 mm與60 mm。內(nèi)葉混凝土層中鋼筋的直徑為10 mm，采用雙層雙向配筋，單層鋼筋網(wǎng)格的間距為200 mm×200 mm；外葉層鋼筋的直徑為8 mm，采用單層配筋，鋼筋網(wǎng)格的間距與內(nèi)葉墻相同；墻板的剪力連接件采用Φ8的不銹鋼絲，布置間隔約為400 mm×400 mm，不銹鋼絲的兩端分別與內(nèi)外葉混凝土板中的鋼筋連接。墻板有限元模型如圖1所示。

圖1 墻板的有限元模型

1.1.2 材料參數(shù)

模型中的材料密度、導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容的數(shù)值依據(jù)GB 50176—2016《建筑材料熱物理性能與數(shù)據(jù)手冊(cè)》選取，具體見表1。

表1 模型材料的熱物理參數(shù)

1.1.3 接觸與邊界條件

內(nèi)、外葉混凝土板與中間XPS板采用面與面綁定的tie連接，內(nèi)、外葉混凝土板中的鋼筋網(wǎng)與中間層的不銹鋼絲布爾運(yùn)算merge連接成新的整體，此整體部件與整個(gè)墻板采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的tie連接。

根據(jù)GB/T 13475—2008《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測(cè)定標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》規(guī)定，墻板兩側(cè)的溫度差不應(yīng)小于20℃。因此，墻板初始溫度取20℃，墻板外側(cè)溫度設(shè)定為-10℃，墻體外側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)為23 W/（m·K），墻板內(nèi)側(cè)溫度設(shè)定為30℃，墻板表面對(duì)流換熱系數(shù)為8.7 W/（m·K）。

1.2 模擬結(jié)果與分析

1.2.1 夾心層厚度的影響

為了探索夾心保溫層厚度對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響，取中間保溫層厚度為變量進(jìn)行分析。墻板傳熱系數(shù)與保溫層厚度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 墻板傳熱系數(shù)隨保溫層厚度變化曲線

由圖2可知，隨著保溫層厚度的增大，墻板的傳熱系數(shù)逐漸減小，且變化較為明顯。保溫層厚度每增加10mm，墻板的傳熱系數(shù)減小的幅度為10%～15%，且由于連接件的熱橋效應(yīng)，導(dǎo)致二者的變化不呈線性關(guān)系。圖中計(jì)算值是根據(jù)GB 50176—2016中一維傳熱公式求出的理論值（下同），模擬求得的傳熱系數(shù)值為理論計(jì)算值的1.1～1.15倍，主要是因?yàn)橐痪S傳熱只考慮了單一的方向，而實(shí)際的傳熱是呈三維的。因此，軟件模擬求得的值相對(duì)較準(zhǔn)確。

1.2.2 內(nèi)外葉板厚度的影響

為了探索內(nèi)、外葉混凝土墻板的厚度對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響，分別取二者的厚度為變量進(jìn)行分析，墻板的傳熱系數(shù)與內(nèi)、外葉混凝土墻板厚度變化的關(guān)系曲線如圖3、圖4所示。

圖3 墻板傳熱系數(shù)隨內(nèi)葉墻厚度變化曲線

圖4 墻板傳熱系數(shù)隨外葉墻厚度變化曲線

由圖3、圖4可知，隨著內(nèi)、外葉混凝土面板厚度的增加，墻板的傳熱系數(shù)逐漸減小，但變化幅度不明顯，主要是由于混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，內(nèi)、外葉混凝土墻板的熱阻之和占?jí)Π蹇偀嶙璧谋壤^小，因此，混凝土層厚度對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響較小。同等條件下，模擬求得的傳熱系數(shù)約為根據(jù)規(guī)范求出的理論值的1.15倍左右。

1.2.3 夾心層導(dǎo)熱系數(shù)的影響

墻板傳熱系數(shù)與墻板夾心層材料的導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系如圖5所示。

圖5 墻板傳熱系數(shù)隨夾心層導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線

由圖5可知，隨著夾心層材料的導(dǎo)熱系數(shù)的增大，墻板的傳熱系數(shù)也增大，且墻板的傳熱系數(shù)受保溫層導(dǎo)熱系數(shù)的影響較明顯，保溫層導(dǎo)熱系數(shù)每上升10%，墻板的傳熱系數(shù)約增加6%，二者之間的關(guān)系近似呈線性關(guān)系。同等條件下，模擬求得的傳熱系數(shù)約為根據(jù)規(guī)范求出的理論值的1.15倍左右。

1.2.4 連接件導(dǎo)熱系數(shù)的影響

墻板傳熱系數(shù)與連接件材料導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系如圖6所示。

圖6 墻板傳熱系數(shù)隨連接件導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線

由模擬曲線可知，隨著連接件導(dǎo)熱系數(shù)的增大，墻板的傳熱系數(shù)也增加，但增長(zhǎng)較為緩慢，二者之間的關(guān)系近似呈線性關(guān)系。理論的傳熱計(jì)算時(shí)，未考慮到連接件周圍的三維熱傳導(dǎo)，使得理論值與模擬值之間的偏差較大。

1.2.5 連接件總截面面積的影響

墻板的傳熱系數(shù)與連接件總截面面積關(guān)系如圖7所示。

圖7 墻板傳熱系數(shù)隨連接件截面面積的變化曲線

當(dāng)連接件總截面面積小于0.03 m2時(shí)，其總面積的增大，墻板的傳熱系數(shù)也增大，但當(dāng)其面積達(dá)到0.03 m2后，連接件面積對(duì)墻板熱阻的影響趨勢(shì)變緩。

1.2.6 窗洞口封邊的影響

由于墻板構(gòu)造的需要，在帶窗洞的預(yù)制墻板中，窗洞四周需要作封邊處理，本次設(shè)計(jì)在墻上開有1500 mm×1500 mm的窗洞，窗洞四周封邊的寬度皆為50 mm，分別建模模擬帶封邊與不帶封邊墻板的傳熱系數(shù)。模擬結(jié)果表明，不帶封邊墻板的傳熱系數(shù)為0.51 W/（m2·K），帶封邊墻板的傳熱系數(shù)為0.64 W/（m2·K），較前者增大了25%。由此可見，封邊帶來的熱橋效應(yīng)對(duì)墻板的傳熱系數(shù)有較大影響。

2 熱惰性指標(biāo)

熱惰性指標(biāo)D值作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能的另一個(gè)重要參數(shù)，其反應(yīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)周期性溫度波在其內(nèi)部衰減快慢程度。圖8、圖9分別為墻板的熱惰性指標(biāo)分別隨其夾心層厚度與混凝土層總厚度的的變化關(guān)系。

圖8 墻板熱惰性指標(biāo)隨夾心層厚度變化曲線

圖9 墻板熱惰性指標(biāo)隨混凝土層厚度變化曲線

由圖8、圖9可知，其他條件不變的情況下，隨著夾心層與混凝土層厚度的增大，墻板熱惰性指標(biāo)D值也增大，二者呈現(xiàn)線性的關(guān)系；熱惰性指標(biāo)受保溫層厚度的變化影響較小，而受混凝土層厚度變化明顯，主要是由于混凝土層的D值在墻板總D值的比例較大。因此，提高墻板熱惰性指標(biāo)的最有效方法是增加混凝土層的厚度。

3 結(jié)論

內(nèi)外葉層、夾心保溫層對(duì)預(yù)制混凝土夾心墻板傳熱系數(shù)和熱惰性指標(biāo)有一定的影響，影響墻板傳熱系數(shù)最顯著的因素是夾心保溫層的厚度與其導(dǎo)熱系數(shù)，影響墻板熱惰性指標(biāo)最顯著的因素是混凝土層的厚度。因此，提升整個(gè)預(yù)制墻板熱工性能的有效措施是增加保溫層的厚度或減小其導(dǎo)熱系數(shù)，或增加混凝土層的厚度。

連接件的存在，使得墻板的傳熱系數(shù)增大了10%左右，因此，在設(shè)計(jì)此類帶不銹鋼連接件的預(yù)制夾心墻板時(shí)，建議將墻板的理論計(jì)算傳熱系數(shù)乘以1.1～1.15倍的放大系數(shù)，作為實(shí)際夾心墻板的傳熱系數(shù)。