邹堰柯

（四川工商职业技术学院，四川 都江堰 611830）

当前我国建筑能耗大概占总能耗的百分之三十，且还在不断增加，目前超过九成的建筑都属于高能耗建筑。基于此现状，建筑节能是我国节能减排工作的重点。当前建筑外墙保温技术中常用的有三种，即外墙的内保温、外保温、自保温三种技术，其中自保温技术具有耐用性、施工简便、可靠性高等优点而得到高度重视，而降低自保温结构的导热系数是提高保温效果，实现建筑节能的关键所在[1]。因此，必须找到一种更加理想的节能建筑材料，研发高效能的自保温结构，从而提高墙体节能效果。当前，世界各国研究者已经对自保温混凝土空心砌块的热物理性能进行了大量研究，然而针对砌块孔洞对其热物理性能的影响展开的研究不多。因此，本文在分析自保温混凝土空心砌块的导热过程的基础上，探讨了自保温混凝土空心砌块的孔洞对其热物理性能的影响，旨在促进自保温混凝土空心砌块导热性能的研究与应用，从而推动我国建筑节能技术的发展。

1 自保温混凝土空心砌块导热过程分析

砌块内进行的导热过程是热对流、辐射、热传导三者耦合构成的三维导热过程，砌块的导热过程与其孔洞直径、宽度有关。这种导热本质上属于有限空间内的热传递。因此，应该分析自保温混凝土空心砌块内部空气层的导热过程。根据导热方程式Q=KAΔTm可知，通过减少导热面积A、导热平均温度差ΔTm、导热系数K都能有效降低导热量。但是因为客观因素限制，在实际应用中通常都是通过降低导热系数K，增加砌块的热阻系数来提高砌块的自保温效能。

1.1 内部空气夹层导热过程

空气夹层的厚度往往与热阻成反比，即厚度越小，热阻越大，因此，现在出现了很多带有一定空气夹层的建筑材料[2]。例如，空心砌块、空心砖等，它们都是利用空气夹层的保温隔热特性。通常建筑材料都是通过弹性波的作用传递热量，而空气中热量需要通过空气分子热运动进行传导，提高空气夹层厚度可减少由于热传导损失的热量，同时会增加热对流造成的热量损失，但是热辐射引发的热量损失不受空气夹层的厚度影响[3]。因为空气夹层存在着热对流、辐射、热传导三种导热方式，使得其热阻与厚度的变化不成比例，这就是空气夹层具备的隔热特点。自保温混凝土空心砌块的孔洞空气夹层的热阻主要与其导热系数、对流换热系数、辐射换热系数有关。在其他条件满足的前提下，砌块空气夹层热阻可表示为：

其中δ表示砌块空气夹层的厚度；λ1表示夹层内空气当量导热系数；λ2表示夹层空气对流当量导热系数；λ3表示夹层壁之间的辐射当量导热系数

1.1.1 自保温混凝土空心砌块空气夹层导热

砌块夹层空气的导热系数只和砌块内部空气定性温度有关，而砌块内部空气定性温度则由夹层壁之间的温度确定，其计算公式下：

其中t1t2表示夹层壁表面温度，通过上述公式可以求得tm的值，在结合tm与λ1的对照表得到夹层内空气当量导热系数λ1的值。

1.1.2 自保温混凝土空心砌块空气夹层对流换热

自保温混凝土空心砌块空气夹层对流换热属于有限空间内发生的对流换热，其大小与砌块空气夹层形状、位置、厚度等因素有关。当垂直空气夹层的边界产生温差时，形成不均匀的温度场，导致密度场不均匀，从而产生浮升力使得孔洞内部的空气发生对流，更热的一面附近空气上升，更冷的一面附近空气下降，从而构成上升/下降的气流。如果夹层厚度较小，两股气流相互干扰，气流之间相互混合，促进了热量传导；如果夹层厚度提升，两股气流之间的干扰变小，夹层壁周围的空气流速上升，如果夹层厚度不断增加到一定厚度时就会和无限空间中沿着垂直夹层壁面自然对流的情况类似。

如果砌块孔洞宽高比超过0.28时，夹层中的空气对流换热为无限空间中的自然对流换热；如果砌块孔洞宽高比低于0.28，夹层空气对流换热就为有限空间中的自然对流换热。现阶段我国制造的自保温混凝土空心砌块孔洞宽高比均低于0.28，其夹层空气对流换热属于有限空间中的自然对流换热，其对流当量导热系数课通过如下公式求得：

1.1.3 自保温混凝土空心砌块空气夹层辐射换热

自保温混凝土空心砌块内的空气夹层的气体光学厚度较小，因此，可以忽略以空气为介质的辐射换热过程，此时砌块内的辐射换热过程只受到其内壁材料辐射性能、温度的影响。

2 自保温混凝土空心砌块孔洞对其导热性能的影响

2.1 孔洞形状对砌块导热性能的影响

砌块材料以及孔型决定其节能效果。在孔型固定的前提下，砌块材料的导热系数与其导热性能成反比；在材料相同的前提下，孔型的设计也会显著影响其导热性能。通常自保温混凝土空心砌块的孔型由正方形、矩形、菱形、圆形四种。这四种孔型对砌块对导热系数的影响明显不同。通常矩形的砌块孔洞的导热系数最小，菱形次之，圆形砌块孔洞的导热系数最大，因为矩形孔洞内部的空气容易构成长路对流，不利于热量传导。而圆形孔洞内部的空气易产生短路对流，这时空气对流换热强度更大，热量传导更容易。可见，砌块的孔洞越长，越能有效阻隔热量传导，砌块的保温性能越优良。

2.2 矩形孔洞的长宽比对砌块导热性能的影响

在孔洞数量、孔洞率、砌块形状相同的情况下，矩形孔洞的长宽比与砌块热阻成正比。因为其长宽比越大，内部空气流动强度越低，空气夹层热阻越大，导致砌块热阻变大。因此，在生产时间中，应该结合自保温混凝土空心砌块的尺寸、干燥、力学性能，尽量设计较大的矩形孔洞长宽比，减小孔肋，使孔洞内部产生空气长路对流，从而减少导热量。通常来说，自保温混凝土空心砌块内部的矩形孔洞的长宽比保持在3∶1到 6∶1范围比较适合。

2.3 孔洞排数对砌块导热性能的影响

在砌块孔洞率不变的情况下，改变矩形孔洞尺寸可以有效增加混砌块孔洞排数。自保温混凝土空心砌块热流方向的孔洞排数越多，其热阻越大。因为孔洞率相同的情况下，孔洞排数越多，其空气层越小，矩形孔洞长宽越大，空气夹层总热阻越大。因此要尽可能提高砌块的孔洞排数，从而提高自保温混凝土空心砌块的热物理性能。

2.4 孔洞率对砌块导热性能的影响

自保温混凝土空心砌块可视为混凝土、空气夹层构成，两者的导热系数差距明显，砌块孔洞率越高，其热阻越大，从而保温性能越好。在砌块形状、孔洞数目、孔洞排列数、孔洞长宽比相同的前提下，孔洞率与混砌块热阻成正比。因为砌块、空气夹层之间构成了导热耦合体，孔洞率的增加，使得空气夹层尺寸变大、孔壁、孔肋尺寸变小，有效隔绝了热量传递，从而增加了混凝土空心砌块的热阻。然而在孔肋尺寸不断变小的情况下，成型时矩形孔洞的应力集中，增加了成型难度，因此，在满足混凝土空心砌块成型性能、强度的情况下，应该尽量提高混凝土空心砌块的孔洞率，从而提高砌块的保温性能，提升砌块的热物理性能。

3 结语

本文论述了自保温混凝土空心砌块内发生的导热过程是热对流、辐射、热传导耦合而成的三维导热过程。通过研究显示，自保温混凝土空心砌块内孔洞的结构对砌块的导热性能有很大影响。因此，本文以自保温混凝土空心砌块孔洞为研究对象，分析了孔洞结构对自保温混凝土空心砌块热物理性能的影响。通过分析孔洞的导热过程，建立描述砌块耦合导热过程的数学模型，探讨了孔洞形状、矩形孔洞的长宽比、孔洞率、孔洞排数对砌块热阻的影响，为自保温混凝土空心砌块的设计改进提供理论基础。