鄭楊梅，田艷，李剛，秦子鵬，馬玉薇

（石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

0 引言

目前，應(yīng)用于外墻外保溫的材料多種多樣，按材料種類(lèi)不同可分為有機(jī)保溫材料和無(wú)機(jī)保溫材料2大類(lèi)。在建筑領(lǐng)域中有機(jī)保溫材料主要有模塑聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）、擠塑聚苯乙烯泡沫材料（XPS）和聚氨酯（PU）等，這些材料雖然具有質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)低和保溫隔熱效果好的優(yōu)異性能，但其復(fù)合材料的熱工性能研究仍不充分[1-2]。其中，EPS板是一種隔熱保溫性能非常優(yōu)良的有機(jī)保溫材料[3-4]，采用其制造的保溫板用于外墻外保溫系統(tǒng)時(shí)，整體性不高和使用厚度較大，后期在工程應(yīng)用中易產(chǎn)生與墻體粘結(jié)不牢固、外墻保溫板脫落等問(wèn)題。為了克服保溫隔熱材料在工程應(yīng)用中存在的不足，亟待研制輕質(zhì)多功能的EPS復(fù)合保溫材料。而玄武巖纖維中空織物作為一種新型的礦物纖維織物，具有高強(qiáng)、抗壓、阻燃（A級(jí)難燃）、抗沖擊和抗斷裂等優(yōu)異性能，這恰巧可以彌補(bǔ)了EPS板用于外墻保溫系統(tǒng)時(shí)所存在的缺陷。

本文以EPS板和玄武巖纖維中空織物為主要材料，將二者通過(guò)特定配合比的粘結(jié)劑粘結(jié)復(fù)合形成一種新型EPS-玄武巖纖維中空織物保溫板，并測(cè)試了保溫板不同組合形式下的導(dǎo)熱系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)EPS-玄武巖纖維中空織物保溫板進(jìn)行了傳熱分析和熱工計(jì)算，并將新型EPS-玄武巖纖維中空織物保溫板保溫隔熱系統(tǒng)在不同墻體中的應(yīng)用進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

聚苯板（EPS）：工業(yè)級(jí)，烏魯木齊鴻興達(dá)保溫材料有限公司生產(chǎn)，EPS試件尺寸及及導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 EPS試件的尺寸及導(dǎo)熱系數(shù)

玄武巖纖維中空織物：新疆拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)。

粘結(jié)劑：由環(huán)氧樹(shù)脂WSR 6101（E-44）、固化劑T31和無(wú)水乙醇（分析純）按照6∶2∶1配制而成，環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑均由南通星辰合成材料有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)方案

將不同厚度的EPS板與玄武巖纖維中空織物進(jìn)行組合，具體組合形式見(jiàn)表2。

表2 新型保溫板的組合形式

1.3 測(cè)試方法

導(dǎo)熱系數(shù)采用北京世紀(jì)建通科技股份有限公司生產(chǎn)的JTRG-Ⅲ導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀對(duì)所制備的新型保溫板進(jìn)行測(cè)試。該設(shè)備的測(cè)試范圍為0.02～0.8 W/（m·K），相對(duì)誤差≤±3%。不同厚度新型保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)為3個(gè)測(cè)試試件的平均值。熱板和冷板的溫度分別設(shè)定在15℃和30℃左右。當(dāng)被測(cè)保溫板的試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到一定且熱板、冷板的實(shí)測(cè)熱流恒定不變時(shí)，即可判定該保溫板達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。一般情況下，每個(gè)被測(cè)保溫板達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要2 h左右。

1.4 新型保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)

用穩(wěn)態(tài)熱流計(jì)法測(cè)得3組新型保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)如表3所示。

表3 新型保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)

從GB 50176—1993《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》中查得EPS的導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.042 W/（m·K），由表1可知，測(cè)得的EPS板的導(dǎo)熱系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值相比較小，說(shuō)明本文使用的EPS板保溫性能較好，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)標(biāo)。由表3可知，相較1-1組和1-3組試件，1-2組保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)最小，為0.0272 W/（m·K），低于表1中不同厚度EPS板的導(dǎo)熱系數(shù)。由此表明，1-2組為最優(yōu)組合，且與單獨(dú)采用EPS板相比，其保溫隔熱效果較好。

2 新型保溫板的傳熱分析

本試驗(yàn)所研究的新型EPS-玄武巖纖維中空織物保溫板在常溫下的溫度傳遞不考慮其熱輻射的熱能散失，主要研究熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流。

2.1 新型保溫板內(nèi)的導(dǎo)熱傳熱

熱傳導(dǎo)是指物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱能傳遞，簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)熱。導(dǎo)熱現(xiàn)象是通過(guò)溫度較高的物體把熱量傳遞給與之接觸的溫度較低的另一物體。新型EPS-玄武巖纖維中空織物保溫板內(nèi)由EPS板和玄武巖纖維中空織物粘結(jié)組合而成，其一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)傅里葉定律數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Φ——熱流量，W；λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；dt/dx——溫度變化率；A——傳熱面積，m2；q——熱流密度，W/m2。

由式（1）、式（2）可以看出，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)保溫材料的熱流量Φ與溫度變化率dt/dx、傳熱面積A、導(dǎo)熱系數(shù)λ成正比，而在溫差△t一定時(shí)，熱流量經(jīng)過(guò)保溫材料的傳熱路徑越長(zhǎng)，溫度變化率越小，其保溫隔熱效果越好。在新型EPS-玄武巖纖維中空織物保溫板中，通過(guò)使用玄武巖纖維中空織物來(lái)降低保溫板的厚度δ，而玄武巖纖維中空織物可以相當(dāng)于一層空腔（其側(cè)面面積比平面面積小得多，由側(cè)面散去的熱量可以忽略不計(jì)），能夠提高保溫板的阻熱能力。此外，EPS板本身是具有低導(dǎo)熱系數(shù)的有機(jī)保溫材料，可以整體提高新型保溫板的保溫隔熱性能。

2.2 新型保溫板內(nèi)的對(duì)流傳熱

熱對(duì)流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過(guò)程。熱對(duì)流僅能發(fā)生在流體中，而且由于流體中的分子同時(shí)在進(jìn)行著不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，因而熱對(duì)流必然伴隨有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，其對(duì)流傳熱的基本計(jì)算式是牛頓冷卻公式：

式中：h——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·K）；t1——保溫板表面的溫度，℃；t1——保溫板周?chē)臏囟?，℃?/p>

3 新型保溫板熱工計(jì)算

J 10786—2017《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和GB 50176—2016規(guī)定了傳熱系數(shù)的限值，本文只研究墻體的傳熱系數(shù)，不同地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值見(jiàn)表4、表5和表6。

表4 嚴(yán)寒（C）地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值

表5 寒冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值

表6 夏熱冬冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值

在實(shí)際工程應(yīng)用中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻按式（5）、式（6）[5]進(jìn)行計(jì)算：

式中：K——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；Ro——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻，（m2·K）/W；Ri——內(nèi)表面換熱阻，（m2·K）/W；Re——外表面換熱阻，（m2·K）/W；R——圍護(hù)結(jié)構(gòu)平壁的熱阻，（m2·K）/W。

由于新型保溫板是由EPS板和玄武巖纖維中空織物組成，每層玄武巖纖維中空織物厚度為10 mm，EPS板厚度分別為 10、20、30mm進(jìn)行計(jì)算，其內(nèi)表面換熱阻為 0.11（m2·K）/W，外表面的換熱阻為0.04（m2·K）/W，具體計(jì)算過(guò)程如下：

（1）EPS板厚度取10 mm時(shí)

通過(guò)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)與表4、表5對(duì)比，可以得到9層以上的建筑和體形系數(shù)不大于0.3，且用于外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，新型保溫板中EPS板厚度為30 mm時(shí)，其保溫板的傳熱系數(shù)可以滿(mǎn)足寒冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱的限值要求。當(dāng)EPS板的厚度分別為10、20、30 mm，本文設(shè)計(jì)的這3種類(lèi)型的新型保溫板的傳熱系數(shù)均小于1.0 W/（m2·K），符合JGJ 134—2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，同時(shí)符合建筑節(jié)能65%的指標(biāo)要求。因此，新型保溫板在外墻保溫中具有廣泛的應(yīng)用前景。

4 用于不同墻體的新型保溫板保溫隔熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 墻體及計(jì)算厚度為200 mm厚鋼筋混凝土

新型EPS-玄武巖纖維中空織物保溫板與鋼筋混凝土墻形成的保溫隔熱系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 新型保溫板墻體保溫系統(tǒng)基本構(gòu)造（1）

4.2 墻體及計(jì)算厚度為190 mm厚混凝土空心砌塊

新型EPS-玄武巖纖維中空織物保溫板與混凝土空心砌塊墻形成的保溫隔熱系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 新型保溫板墻體保溫系統(tǒng)基本構(gòu)造（2）

5 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)不同厚度的EPS板與玄武巖纖維中空織物在不同形式下組合而成的新型保溫板進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，新型保溫板的保溫隔熱效果優(yōu)于與單獨(dú)采用EPS板。

（2）通過(guò)對(duì)新型EPS-玄武巖纖維中空織物保溫板的傳熱分析和熱工計(jì)算，得到9層以上的建筑、體形系數(shù)不大于0.3，且用于外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的新型保溫板，當(dāng)其EPS板厚度為30 mm時(shí)，新型保溫板的傳熱系數(shù)可以滿(mǎn)足寒冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱的限值要求；由厚度分別為10、20、30 mm的EPS板結(jié)合玄武巖纖維中空織物設(shè)計(jì)的新型保溫板，其傳熱系數(shù)均小于1.0 W/（m2·K），符合JGJ 134—2010的規(guī)定，同時(shí)也能達(dá)到建筑節(jié)能65%的指標(biāo)要求。