無機絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)影響因素的研究

張玉輝 穆秀君 隋承 鑫 彭 超 李貴強

（中國建筑材料科學(xué)研究總院 中國建材檢驗認證集團股份有限公司 ，北京 100024）

隨著建筑行業(yè)對建筑能耗的要求越來越高，建筑節(jié)能對于節(jié)約能源消耗具有重要的意義，越來越得到重視。建筑節(jié)能就是在滿足居住舒適性要求的前提下，在建筑中使用保溫隔熱的新型墻體材料和高能效比的采暖空調(diào)設(shè)備，達到節(jié)約能源、減少能耗、提高能源利用率的目的。在建筑材料中使用保溫隔熱材料是降低建筑能耗非常有效的措施。采用保溫隔熱材料降低建筑能耗在國外已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，我國對保溫隔熱材料的研究和使用也取得了顯著的成效[1]。

保溫隔熱材料的品種繁多。按材質(zhì)可分為無機絕熱材料、有機絕熱材料和金屬絕熱材料三大類。其中，無機絕熱材料主要為巖（礦）棉及其制品、玻璃棉及其制品、膨脹珍珠巖及其制品、膨脹蛭石及其制品、加氣混凝土、泡沫玻璃及其制品等。有機絕熱材料包括聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、酚醛樹脂泡沫、聚氯乙烯泡沫塑料及其制品等。金屬絕熱材料主要有鋁箔、錫箔等。

導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為1度，在1秒內(nèi)，通過1平方米面積傳遞的熱量。保溫隔熱材料絕熱性能最重要的指標(biāo)就是材料的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)越小，材料的熱傳導(dǎo)越難，其保溫效果將會更好。一般來說，保溫材料的共同特點是：質(zhì)輕、疏松，成多孔狀或纖維狀，以其內(nèi)部不流動的空氣來阻隔熱的傳導(dǎo)。然而材料的導(dǎo)熱系數(shù)取決于材料的成分、密度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、孔隙率和含水率的影響，同時也會隨著溫度、濕度的變化而改變，這都會影響其保溫隔熱效果[2~4]。

保溫隔熱材料多為含有一定水分的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，熱工性能的變化具有一定的復(fù)雜性[5~9]。本文選取了幾種不同的無機保溫隔熱材料，研究其在不同密度、溫度和相對濕度條件下導(dǎo)熱系數(shù)的變化，獲得了保溫隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)在不同密度、溫度和相對濕度條件下的變化規(guī)律。

1 密度對無機絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

選用同一廠家采用相同工藝生產(chǎn)的不同密度的玻璃棉板和巖棉板。分別將玻璃棉板、巖棉板放在80℃烘箱中進行干燥，取出放在干燥器中冷卻至室溫。采用導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測量70℃時的導(dǎo)熱系數(shù)。實驗結(jié)果見表1。

表1 不同密度條件下無機絕熱保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)

從表1可以看出，玻璃棉板的導(dǎo)熱系數(shù)隨著密度的增大而逐漸減小，并且不同密度的玻璃棉板導(dǎo)熱系數(shù)差別較大；密度從24kg/m3到56kg/m3的導(dǎo)熱系數(shù)差別為0.0066 W/（m·K）。巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)隨著密度的增大也呈現(xiàn)減小的趨勢。然而，不同密度的巖棉板導(dǎo)熱系數(shù)差別不大；密度從60kg/m3到140kg/m3的導(dǎo)熱系數(shù)差別為0.0025 W/（m·K）。

2 溫度對無機絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

選擇具有代表性的密度為48kg/m3玻璃棉板和100kg/m3巖棉板，研究不同溫度條件下材料導(dǎo)熱系數(shù)的變化。將玻璃棉板和巖棉板放在80℃烘箱中進行干燥，取出放在干燥器中冷卻至室溫。用導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測量10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃溫度條件下的導(dǎo)熱系數(shù)，實驗結(jié)果見表2。

從表2可以看出，玻璃棉板和巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)都隨測試溫度的升高而增大。這可能是由于溫度的升高導(dǎo)致材料固體分子熱運動增強，進而影響材料的導(dǎo)熱系數(shù)，材料孔隙中的空氣的導(dǎo)熱和孔壁間的輻射作用也逐漸增強，導(dǎo)致了材料導(dǎo)熱系數(shù)增大。

表2 不同溫度條件下無機絕熱保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)

對玻璃棉板和巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化進行線性擬合，如圖2所示。擬合得到48kg/m3玻璃棉板的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的斜率為1.40×10-4。擬合得到100kg/m3巖棉板導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的斜率為1.31×10-4，這與其他文獻的結(jié)果相吻合。

3 相對濕度對無機絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

選擇密度為48kg/m3的玻璃棉板和100kg/m3的巖棉板，研究不同相對濕度條件對材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。將玻璃棉板和巖棉板分別放在22℃，不同相對濕度條件下的恒溫恒濕箱中進行狀態(tài)調(diào)節(jié)，用導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測量材料25℃、70℃的導(dǎo)熱系數(shù)，實驗結(jié)果見表3。

圖1 不同溫度條件下無機絕熱保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)

表3 不同相對濕度條件下無機絕熱保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)

從表3可以看出，隨著相對濕度的逐漸增大，玻璃棉板和巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)都在逐漸增大。玻璃棉和巖棉都屬于吸濕性材料，隨著相對濕度的增大，材料的孔隙中含有的水蒸氣和液態(tài)水等水分逐漸增多，由于水的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.581 W/（m·K），遠大于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)。因此，當(dāng)材料受潮吸濕后的導(dǎo)熱系數(shù)增大，降低其保溫隔熱效果。

4 結(jié)論

1)從實驗可得出，在相同溫度條件下，無機絕熱材料玻璃棉板和巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)隨著密度的增大逐漸減小，但導(dǎo)熱系數(shù)的變化范圍有所不同。玻璃棉板導(dǎo)熱系數(shù)相差較大，差別為0.0066 W/（m·K）

2)密度相同的情況下，玻璃棉板和巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高逐漸增大，對實驗結(jié)果進行線性擬合分析，擬合得到玻璃棉板導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的斜率為1.40×10-4，巖棉板導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的斜率為1.31×10-4。

3)密度不變的情況下，玻璃棉板和巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)隨著相對濕度的增大逐漸增大，玻璃棉板和巖棉板屬于吸濕性材料，隨著相對濕度的增大，水分進入材料的孔隙導(dǎo)致保溫絕熱性能下降。

[1] 徐峰，張雪芹，華七三.建筑保溫隔熱材料與應(yīng)用[M].中國建筑工業(yè)出版社

[2] 陳則韶, 錢軍, 葉一火.復(fù)合材料等效導(dǎo)熱系數(shù)的理論推算[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報.1992(04)

[3] 孫無二. 建筑材料導(dǎo)熱系數(shù)的回歸計算[J].低溫建筑技術(shù).1994(03)

[4] 徐婷婷,詹樹林.含濕多孔建材有效導(dǎo)熱系數(shù)的理論推算[J].低溫建筑技術(shù).2010(06)

[5] 黃建恩, 閆加賀, 呂恒林等.自然干燥狀態(tài)下粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊導(dǎo)熱系數(shù)實驗研究[J].新型建筑材料.2012(09)

[6] 王浩, 侯素蘭, 董亮.環(huán)境溫、濕度對絕熱保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)影響的實驗研究[J].工業(yè)計量.2012(S2)

[7] 陳會娟, 陳斌.多孔建筑材料熱濕傳遞過程的研究[ J].暖通空調(diào), 2004, 34( 17) : 24- 28.

[8] 張敬堂, 周衛(wèi)國.蒸壓加氣混凝土砌塊含水率對節(jié)能設(shè)計的影響[J].墻材革新與建筑節(jié)能, 2008（7）:33-34.

[9] GB/T 11835-2007 絕熱用巖棉、礦渣棉及其制品