提高空心砌块热工性能的方法与砌块型式与流程

本发明涉及建筑技术和建筑材料领域，确切地说是一种提高砌筑墙体用空心砌块热工性能的方法与砌块型式。

背景技术：

建筑墙体用砌块按形式分实心和空心两类，（图1）和（图2）。空心砌块相较实心砌块有两大优势，一是减少材料消耗、减轻自重；二是保温隔热性能更好。也因此相关文件鼓励建筑中使用空心砌块，同时限制实心砌块的使用。所以一个不争的事实是，空心砌块是我国今后建筑中砌筑墙体的主要材料。空心砌块按其力学性能也分两种，一是承重型，空心率控制在25%以下；二是非承重型，空心率控制在25%～50%之间。本发明针对非承重型砌块。

空心砌块的保温隔热性能是其重要的热工参数指标，所以如何能够最大限度提高这一性能是空心砌块型式设计与技术改进的核心目标。空心砌块保温隔热性能优于实心砌块的主要因素在于空心部分，由于它的存在，导致砌块内部热流由原来只通过导热形式渗透转化为导热、辐射和对流三种换热形式同时介入，且相互交织、转化，空心层和固体部分互为边界，形成较为复杂的热流场。这为我们深入挖掘其保温隔热性能提供了可能。

针对目前市场上大量使用的或有关标准图集中制定的空心砌块标准由于设计与技术处理上的缺陷，没有充分挖掘其保温隔热能力，浪费了大量资源和能源，令人痛惜。因此如何在不增加（或少增加）制作成本的基础上最大限度提高其保温隔热能力是本发明追求的目标。因为增加了砌块自身的保温隔热能力就可以提高整个外围护结构墙体的保温隔热性能，从而为建筑节能和减少其它保温材料的使用奠定基础，对建筑业的绿色发展贡献非常大。

目前常用生产空心砌块的材料有：粘土烧结砖，工业废料及其辅料（如粉煤灰、炉渣等），轻骨料混凝土等。这里以粉煤灰为主材的空心砌块为例，其它大同小异，本发明重点在如何从型式设计和技术措施上提高砌块热工性能，而不牵涉使用何种材料。减少单位时间从砌块流失的热量可用两项指标表达，即增加其热阻R值（热量从围护结构一侧空间传向另一侧空间所受到的总阻力大小，单位： ），或减小传热系数K值（围护结构两侧温差为1ºC或1K时，单位时间通过单位面积的传热量，单位：）。R与K在数值上互为倒数。这里用热阻R来说明传热量问题。R=d/λ——①，式中：d：砌块厚度，m；λ：砌块导热系数，，表示当材料层厚度内的温差为1K时，在一小时内通过1m²面积的热量。可见若要提高砌块热阻可以有两个途径。一是增加砌块的厚度d值；二是减小导热系数λ值。由于砌块尺寸和材料都是固定的，提高其热阻似乎无能为力。但实际情况是公式①是针对单一材料热阻值计算，而空心砌块是复合材料，即空气与固体材料复合。如果针对两种材料分别分析，各自找出提高热阻的方法，则砌块的总热阻就会提高（图3）。以此为切入点，可以为提高砌块热工性能而进行的型式设计和采取技术措施提供清晰思路。砌块的固体部分按导热形式传热。上述三类砌块固体材料的导热系数在0.58～0.85之间，而空气层的导热系数为0.029，二者相差20多倍。所以单从导热角度分析热量传递的话，空气层可看作是绝热层。即导热的热流大部分集中在固体材料中,减少这部分单位时间热量的渗透量，即提高其热阻，可采用三个办法，一是尽量延长热流路径的长度，也即相当于增加砌块的当量厚度。（图3）中最短的导热流线长度为300mm，比砌块自身厚度多110mm，如果以粉煤灰及辅料（λ=0.62）为固体材料，热阻可提高约0.18；二是在热流线的恰当位置设置导热系数更小的材料，如EPS块（λ=0.042），即在固体导热路径上增加一层隔热层，（图4）。值得一提的是，EPS块位置应选择在不破坏砌块的整体性与力学性能，同时要在热流线流经的关键节点处，并应尽量靠近热量流入侧，目的是尽可能减小固体内部的热流密度，以降低单位时间的热量流失，同时为减小空气层的传热量营造有利的边界条件；三是在满足砌块力学要求的前提下，尽量减少固体导热部分向内传热的热流通道数量和通道宽度，从源头上限制热量渗透。（图5），经导热形式向砌块内部传热的热流通道有四条。可考虑通过孔洞的重新排布缩减到三条（图6），甚至两条（图7）。经上述三个方法处理后，砌块固体部分经导热而流失的热量将大幅减少，同时为空气层的传热量减少营造有利的边界条件。

在空气层内部的传热大部分是由冷热界面间的辐射、气体与固体间的辐射与对流以及气体内部对流换热和小部分导热的三维混合传热过程。经相关的研究论证，辐射换热量占70%左右，对流和导热占30%左右，也就是说界面间热辐射起主导作用，需优先解决。由于在空心砌块的孔型选择上，理论推算和实验证明矩形对提高热工性能较为有利，这里就选择矩形孔型为基本型制。如果只考虑水平热流而忽略砌块空心层的上下边界条件，空心层就相当于一个封闭空腔。由固体导热形成的热界面辐射出来的热量被其周边的冷界面和次冷界面吸收，再源源不断地传进冷界面固体中，形成动态平衡状态，同时造成热量的流失。根据封闭系统的辐射换热特性，空腔内经辐射传递热量的多少主要由四个因素决定，一是冷热界面间的温差。温差越大，单位时间的辐射换热量越大，也即热损失越多，实际工程中尽可能降低热界面的温度是减小换热量的关键，可采用的有效办法是选择反射系数大的材料将热量反射回热界面固体中，并且自身保持相对低的温度；二是热界面的热辐射强度和冷界面的热吸收系数。按照上述制作砌块常用固体材料，其辐射强度C值在4.65～5.4之间，吸收系数在0.65～0.85之间，两项指标均偏大，不能有效降低两界面间的辐射换热量。但改换固体材料目前尚不现实，所以介入指标更好的其它材料来辅助减小传热量是一个选项；三是冷热界面间的距离。辐射热是一种电磁波，单位时间换热量与两物体间距离平方成反比。考虑到整个砌块的厚度尺度，空气层的厚度达到30mm后，再以增大界面距离提高其辐射换热阻的做法收效甚微；四是冷热界面间的相互位置关系。矩形空腔的两个长边面分别是冷热界面且相互平行，其辐射换热量是最大的，但两个短边面由于是固体导热通道上的边界，应属于次冷界面，会参与到与热界面间的换热，减少其面积（即减小孔径）是有利的。综上所述，决定空气层内辐射换热大小的主要因素是冷热界面间的温差和两表面的辐射强度与吸收系数；降低热界面温度和选择热辐射强度小、热反射系数大的热界面面层材料对单位时间的换热量影响较大。空心层内单位时间经对流方式的换热量主要取决于气流状态和空气与界面间的热交换，其中气流状态占主导地位。气流状态分为三种，即层流、过渡区和紊流。根据传热学理论，层流状态导热起一定作用，气体内部温度梯度大，传热量最小，所以保持层流状态可减少气流内部换热量以及与界面间的换热量；紊流状态换热量最大，热量流失也最大。由于是封闭空气间层，属于自然对流，所以界面间距和温差对气流状态影响最大。一般而言，界面间距小、温差小，气流处于层流的可能性大；反之则可能处于紊流状态。可见空心层厚度不宜过大，应使气流状态保持在层流或层流到过渡区之间，而应防止出现紊流状态。实验证明，空心层厚度小于25mm时，对流换热最小。

从实际应用的角度，考虑到砌块的尺度、综合辐射和对流的相互影响，空心层厚度在20mm～30mm之间是较为恰当的。关于这一点，《民用建筑热工设计规范》（GB50176-93）给出了明确数据，即30mm厚和60mm及以上厚度的空气层，其当量热阻相差仅0.01；就降低辐射传热来说，选择将铝箔贴到热界面上是较为可行的做法，铝箔的热辐射强度为0.29～1.12，长波热反射系数为0.70～0.80之间，可有效地将很大一部分热流反射回固体层内，同时铝箔的表面温度也有所降低，辐射出去的热量相对较少。但由于铝箔的导热系数非常大，约200，直接粘贴在空气层的热界面上表面温度降低的效果不够理想，所以更为合理的做法是将铝箔先粘贴在3～5mm厚EPS板上，然后再贴到空心层的热面，这样制作也方便，并利于保证铝箔的耐久性；就空心层层数来说，由于空气层的热阻要大于同厚度下固体材料的热阻，经过改进设计和采取合理的技术措施后，其隔热效果要远远好于同厚度下的固体部分，所以增加空气层数量对提高砌块总的热工性能更有效。

通过对空心砌块两条传热路径，即固体材料和空心层分别优化后，其热工性能将有较大提升。

技术实现要素：

提高空心砌块及其砌筑墙体热工性能的砌块型式设计思路

由以上分析可为提高空心砌块和墙体的热工性能而设计的砌块型式确定以下几个基本思路。

对空心砌块的固体部分，应通过合理的孔洞设计，尽量延长其热流线长度，减少热流通道数量，同时可在其热流通道上通过设置隔热层（如导热系数小的EPS块）的方式降低其热流密度；

充分挖掘空心层的绝热能力。可通过涂贴对长波热辐射反射性能高和辐射系数小的材料提高热反射效率和减少热辐射量；孔的厚度不宜过大（以20～30mm为宜），防止空心层内对流换热量的增加；应通过增加空心层数来提高整个砌块的热阻；

砌块型式设计应充分考虑墙体中的L型节点和T型节点等部位因热流方向改变和吸、散热面积不同而导致的传热异常，同时要为消除或降低砂浆灰缝引起的“热桥”效应做出安排，以提高整个墙体的热工性能。

砌块型式设计

技术方案：以外墙用非承重型空心砌块为例（空洞率控制在25%～35%之间），空心砌块的型式设计包括两方面内容，一是孔型选择及其排布；二是砌块的整体外形设计。砌块的孔型选择应简捷、便于制作和孔内传热量最小，孔型排布在满足基本力学要求的前提下，要保证砌块本身有良好的热工性能；砌块的整体外形设计要便于施工，节点构造简单且完善，同时要保证墙体的整体性、稳定性和提高整个墙体的热工性能。基于以上原则，设计空心砌块，其特征在于：在靠近迎热面和散热面各设一通长空心层，目的是最大限度减少固体部分导热通道数量；在砌块两端部中间各设一凹槽，其目的是在两砌块间的垂直灰缝中设置一空心层，尽可能降低垂直灰缝产生的热桥影响；在靠近迎热面的固体导热通道关键节点处设EPS隔热块，目的是尽量降低固体内的热流密度，减少热流渗透量；在砌块上部设通长凸起，下部设同尺寸凹进，目的是减小水平灰缝的热桥影响，同时能改善砌筑墙体的平整度，有利于提高墙体的稳定性。在空心层的热界面贴铝箔可将大量热流反射回固体层内，减少热量在空心层内的渗透量。两端凹槽热界面贴铝箔。上述的各类方法同样适用于建筑中使用的大型轻质混凝土外墙用板材的内部构造型式设计。

本发明的优点是：

1. 理念创新：如何提高空心砌块的热工性能已经有很多探索。由于空心砌块内部传热过程复杂，要彻底搞清楚这一过程需要进行反复实验和调整，当然也可以进行计算机模拟。不论实验还是模拟都能起到重要的辅助作用，但到目前为止这些工作都局限在已有砌块型式，或进行局部调整后的砌块型式，问题的解决尚不够彻底。本发明在已有研究的基础上，将砌块内部热扩散过程按传热方式的不同分为两个路径，通过合理简化，分析主要热流通道及其减少热流散失的办法，排除空心层与固体部分的交互影响，忽略其中的一些边界影响等复杂因素，从而建立了一套简单明了实用的砌块型式设计思路；

2. 型式创新：墙体中，水泥砂浆的灰缝面积大约占总面积的不到10%，但由于水泥砂浆的导热系数非常大（λ=0.93），热桥作用明显，造成砂浆及其周边部分的热损失占比甚至可达30%。因此必须通过优化型式设计消除或降低此项热损失。本设计对竖横两个方向的砂浆均采取相应措施进行处理，对提高墙体的整体热工性能非常有益。同时能改善砌筑墙体的平整度，有利于提高墙体的稳定性。其中A型系列为垂直空心，可将原料注入模具后一次成型，制作简便；B型系列为水平空心，砌块上下皮间的灰缝更加饱满，墙体的强度更容易得到保证，且砌筑时可防止砂浆落入空心中，影响保温与隔热效果。缺点是和需二次操作成型；

3. 方法创新：通过在固体材料部分的关键节点处安排EPS块，既能充分发挥其隔热作用，又对砌块的力学性能影响比较小；通过尽量增加空心层数，最大限度发挥空心层的绝热作用；通过空心层内贴铝箔可成倍地提高空心层的热阻，是一种简单实用的方法；

4.基本不增加材料用量，不改变生产工艺，利于推广，社会效益好；

由于不牵涉砌块实体材料部分的变化，所以不会大幅度改变生产工艺，同时空心率都在30%左右，也不会增加材料消耗，增加了一道粘贴铝箔的工序，但此工序非常简单，不需培训，不需要技术工种即可操作，可扩大不具技能人的就业，一旦推广有良好的社会效益；

5.可减少其它保温材料的消耗，能取得良好的经济效益和环境效益；

目前常用外墙保温材料是聚苯板（EPS板）和挤塑板（XPS板）。这两种材料在生产过程中均消耗大量能源，且其中防火型的价格高，非防火型存有消防方面隐患，所以减少其使用量能取得良好的经济效益；同时这两种材料在自然条件下均难于降解，因此一旦建筑被拆除会产生所谓的白色污染，为以后的环境留下遗患。所以本发明一旦推广，对严寒和寒冷地区，在保证建筑节能的前提下，平均使用厚度可减少2cm左右；对我国的一些夏热冬冷和夏热冬暖地区，其自身就可以达到保温和隔热要求，能够取得良好的环境效益。

附图说明

图1是实心砌块的结构示意图。

图2是空心砌块的结构示意图。

图3是热流渗透路径示意图。

图4是隔热块位置选择。

图5是四通道导热热流通道。

图6是三通道导热热流通道。

图7是二通道导热热流通道。

图8是A型空心砌块。

图9是A型空心砌块墙体示例。

图10是型空心砌块。

图11是型空心砌块墙体示例。

图12是型空心砌块。

图13是型空心砌块墙体示例。

图14是A型空心砌块各部位作用。

图15是型空心砌块各部位作用。

图16是型空心砌块各部位作用。

图17是B型空心砌块。

图18是B型空心砌块墙体示例。

图19是型空心砌块。

图20是型空心砌块墙体示例。

图21是型空心砌块。

图22是型空心砌块墙体示例。

图23是B型空心砌块各部位作用。

图24是型空心砌块各部位作用。

图25是型空心砌块各部位作用。

图26是组合材料层。

图27是几种空心砌块的平均热阻计算值。

具体实施方式

实施例1 A型［390×190×190（mm）］，（图14），所设计的砌块具有以下特点：

1.采用三层垂直空心层，空心率为31.85%；

2.该型砌块用于平直的大面积外墙墙体砌筑，（图9）；

3.①是在靠近迎热面和散热面各设一通长垂直空心层，目的是最大限度减少固体部分导热通道数量，同时在空心层的热界面上贴铝箔⑥，可将大量热流反射回固体层内；

4.②是在砌块两端部中间各设一凹槽，其热界面贴铝箔，目的是在两砌块间的垂直灰缝中设置一空心层，尽可能降低垂直灰缝产生的热桥影响；

5.③是在靠近迎热面的固体导热通道关键节点处设EPS隔热块，目的是尽量降低固体内的热流密度，减少热流渗透量；

6.④是在砌块上部设一60×70mm的通长凸起，⑤是下部设同尺寸凹进（制作时要满足误差要求），目的是减小水平灰缝的热桥影响，同时能改善砌筑墙体的平整度，有利于提高墙体的稳定性；

7. 本设计砌块型式生产不改变生产工艺，也不增加固体材料用量，且可一次成型，增加的一道工序是贴铝箔组合层，工艺简单。

实施例2 型［390×190×190（mm）］，（图15），所设计的砌块具有以下特点：

1.采用三层垂直空心层，空心率为30.67%；

2.用于外墙转角处墙体砌筑，称为墙体的L型节点，（图11）。由于墙体在该处出现轴向旋转，砌块内部热流方向由一维转化为二维，为适应这种转变设计为型；

3. ①是在靠近纵向迎热面和散热面各设一通长垂直空心层和靠近横向散热面设一通长垂直空心层，目的是最大限度减少两个方向固体部分导热通道数量，同时在空心层的热界面上贴铝箔⑥，可将大量热流反射回固体层内；

4.②是在砌块纵横两轴端部中间各设一凹槽，其热界面贴铝箔，目的是在两砌块间的垂直灰缝中设置一空心层，尽可能降低垂直灰缝产生的热桥影响；

5. ③是在靠近迎热面的固体导热通道关键节点处设EPS隔热块，目的是尽量降低固体内的热流密度，减少热流渗透量；

6. ④是在砌块横向和纵向（长度为砌块纵向长度减砌块横向长度的结果）上部设一60×70mm的凸起，⑤是下部设同尺寸凹进（制作时要满足误差要求），目的是减小水平灰缝的热桥影响，同时能改善砌筑墙体的平整度，有利于提高墙体的稳定性；

7. 本设计砌块型式生产不改变生产工艺，也不增加固体材料用量，且可一次成型，增加的一道工序是贴铝箔组合层，工艺简单；

实施例3 型［390×190×190（mm）］，（图16），所设计的砌块具有以下特点：

1.采用三层垂直空心层，空心率为31.14%；

2.用于内外墙交角处的外墙部分的砌筑，称为墙体的T型节点，见图13。由于墙体在该处出现轴向旋转，砌块内部热流方向由一维转化为二维，为适应这种转变设计为型；

3. ①是在靠近纵向迎热面与散热面各设一通长垂直空心层和在靠近横向散热面设一通长垂直空心层，目的是最大限度减少两个方向固体部分导热通道数量，同时在空心层的热界面上贴铝箔⑥，可将大量热流反射回固体层内；

4. ②是在砌块纵横两轴端部中间各设一凹槽，其热界面贴铝箔，目的是在两砌块间的垂直灰缝中设置一空心层，尽可能降低垂直灰缝产生的热桥影响；

5. ③是在靠近迎热面的固体导热通道关键节点处设EPS隔热块，目的是尽量降低固体内的热流密度，减少热流渗透量；

6. ④是在砌块横向上部设一60×70mm的通长凸起和纵上部设一60×70mm的凸起（长度为砌块纵向长度减砌块横向长度的结果），下部设同尺寸凹进⑤（制作时要满足误差要求），目的是减小水平灰缝的热桥影响，同时能改善砌筑墙体的平整度，有利于提高墙体的稳定性；

7. 本设计砌块型式生产不改变生产工艺，也不增加固体材料用量，且可一次成型，增加的一道工序是贴铝箔组合层，工艺简单；

实施例4 B型［390×190×190（mm）］，（图23），所设计的砌块具有以下特点：

1. 采用三层水平空心层，空心率为31.14%；

2. 该型砌块用于平直的大面积外墙墙体砌筑，（图18）；

3. 水平空心砌块上下皮间的灰缝更加饱满，墙体的强度更容易得到保证，且砌筑时可防止砂浆落入空心中，影响保温与隔热效果。

4. ①是在靠近迎热面和散热面各设一通长水平空心层，目的是最大限度减少固体部分导热通道数量，同时在空心层的热界面上贴铝箔，可将大量热流反射回固体层内；

5. ②是在砌块两端部中间各设一凹槽，其热界面贴铝箔，目的是在两砌块间的垂直灰缝中设置一空心层，尽可能降低垂直灰缝产生的热桥影响；

6 ③是在靠近迎热面的固体导热通道关键节点处设EPS隔热块，目的是尽量降低固体内的热流密度，减少热流渗透量；

7. ④是在砌块上部设一60×70mm的通长凸起，下部设同尺寸凹进⑤（制作时要满足误差要求），目的是减小水平灰缝的热桥影响，同时能改善砌筑墙体的平整度，有利于提高墙体的稳定性；

8. 本设计砌块型式生产不改变生产工艺，也不增加固体材料用量，且可一次成型，增加的一道工序是贴铝箔组合层，工艺简单；

实施例5 型［390×190×190（mm）］，（图24），所设计的砌块具有以下特点：

1. 采用三层水平空心层，空心率为31.91%；

2. 用于外墙转角处墙体砌筑，称为墙体的L型节点，（图20）。由于墙体在该处出现轴向旋转，砌块内部热流方向由一维转化为二维，为适应这种转变设计为型；

3. ①是在靠近纵向迎热面与散热面各设一水平空心层和在靠近横向散热面设一通长水平空心层，目的是最大限度减少两个方向固体部分导热通道数量，同时在空心层的热界面上贴铝箔⑥，可将大量热流反射回固体层内；

4. ②是在砌块纵横两轴端部中间各设一凹槽，其热界面贴铝箔，目的是在两砌块间的垂直灰缝中设置一空心层，尽可能降低垂直灰缝产生的热桥影响；

5. ③是在靠近迎热面的固体导热通道关键节点处设EPS隔热块，目的是尽量降低固体内的热流密度，减少热流渗透量；

6.④是在砌块横向上部设一60×70mm的通长凸起和在砌块纵向上部设一60×70mm的凸起（长度为砌块纵向长度减砌块横向长度的结果），下部设同尺寸凹进⑤（制作时要满足误差要求），目的是减小水平灰缝的热桥影响，同时能改善砌筑墙体的平整度，有利于提高墙体的稳定性；

7. 本设计砌块型式生产不改变生产工艺，也不增加固体材料用量，但由于水平空心层方向不同，所以成型时需增加一道工序，另外增加的一道工序是贴铝箔组合层，工艺简单。

实施例6 型［390×190×190（mm）］，（图25），所设计的砌块具有以下特点：

1. 采用三层水平空心层，空心率为31.56%；

2. 用于外墙转角处墙体砌筑，称为墙体的T型节点，（图22）。由于墙体在该处出现轴向旋转，砌块内部热流方向由一维转化为二维，为适应这种转变设计为型；

3. ①是在靠近纵向迎热面与散热面各设一水平空心层和在靠近横向散热面设一通长水平空心层，目的是最大限度减少两个方向固体部分导热通道数量，同时在横向空心层的热界面上贴铝箔⑥，可将大量热流反射回固体层内；

4. ②是在砌块纵横两轴端部中间各设一凹槽，其热界面贴铝箔，目的是在两砌块间的垂直灰缝中设置一空心层，尽可能降低垂直灰缝产生的热桥影响；

5. ③是在靠近迎热面的固体导热通道关键节点处设EPS隔热块，目的是尽量降低固体内的热流密度，减少热流渗透量；

6.④是在砌块横向上部设一60×70mm的通长凸起和在砌块纵向上部设一60×70mm的凸起（长度为砌块纵向长度减砌块横向长度的结果），下部设同尺寸凹进⑤（制作时要满足误差要求），目的是减小水平灰缝的热桥影响，同时能改善砌筑墙体的平整度，有利于提高墙体的稳定性；

7. 本设计砌块型式生产不改变生产工艺，也不增加固体材料用量，但由于水平空心层方向不同，所以成型时需增加一道工序，另外增加的一道工序是贴铝箔组合层，工艺简单。

技术指标

笔者依据《民用建筑热工设计规范》（GB50176-93）推荐的公式——②，（图26）

式中：——平均热阻，；

F——与热流方向垂直的总传热面积，m²；

——按平行于热流方向划分的各个传热面积，m²；

——各个传热部位的总传热阻，；

——内、外表面换热阻，分别取0.11和0.04；

φ——修正系数。

对本设计空心砌块（A型）的平均热阻进行了计算。计算中，固体材料选择粉煤灰及辅料，取λ=0.62，然后与现在市场上大量使用的同材料三款空心砌块进行比较，结果见图27。

由图27可知，本设计砌块型式的热阻均高于其它三种25%以上，且粘贴铝箔后热阻提高更为明显，尤以在两层空心层内均粘贴铝箔热阻提高的最突出，提高的量如果折算成EPS板厚为25mm左右，节能效果显著。考虑到本文所设计砌块型式对消除或降低墙体内水平和垂直灰缝的热桥作用有一定帮助，所以可以预期整个墙体的热工性能将得到很大改善。