金屬面夾芯板的保溫隔熱性能分析

李 健，鈕瑞艷

(1.中國石油大學(xué)(華東) 規(guī)劃建設(shè)處， 山東 東營 247061；2.中國石油大學(xué)(華東) 儲建學(xué)院， 山東 東營 247061)

金屬面夾芯板的保溫隔熱性能分析

李 健1，鈕瑞艷2

(1.中國石油大學(xué)(華東) 規(guī)劃建設(shè)處， 山東 東營 247061；2.中國石油大學(xué)(華東) 儲建學(xué)院， 山東 東營 247061)

金屬面夾芯板作為圍護結(jié)構(gòu)而逐漸興起，但其理論研究較少。為從理論上提高對金屬面夾心板性能的了解和研究水平，更好地掌握和利用這一結(jié)構(gòu)，和更合理經(jīng)濟的為社會服務(wù)，結(jié)合相關(guān)試驗，對保溫隔熱性能進行了理論分析。通過對比分析夾心板和常用保溫外墻的熱工性能，為金屬面夾芯板的效果評價提供了理論依據(jù)。

外墻保溫；夾芯板；傳熱分析

我國建造和使用建筑物直接或間接消耗的能源已經(jīng)占到全社會總能耗的46.7%，實現(xiàn)節(jié)能建筑刻不容緩。建筑保溫隔熱材料在我國發(fā)展?jié)摿薮螅皇且驗槲覈F(xiàn)有房屋建筑數(shù)量巨大，二是因為我國建筑規(guī)模龐大，是世界上最大的建筑市場，而國內(nèi)絕大多數(shù)地區(qū)現(xiàn)有圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱功能與氣候相近的發(fā)達國家相比相差甚遠。有關(guān)研究表明，使用隔熱保溫材料的投資僅使建筑成本增加5%～8%，節(jié)能住宅增加的建設(shè)成本在5～8年的時間內(nèi)就可通過節(jié)能效益收回，經(jīng)濟效益十分可觀。由此可見，采用金屬面夾芯板等新型建筑圍護材料和技術(shù)，提高圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能，是我國降低建筑能耗的主要方向之一[1-2]。

1 夾芯板保溫性能研究

1.1 熱工性能指標(biāo)

墻體的熱工性能是建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計的參考依據(jù)，其性能參數(shù)包括墻體的熱阻R或傳熱系數(shù)K、熱惰性指標(biāo)D、密度ρ和比熱容C等。墻體熱工性能評價主要集中在熱阻R和熱惰性指標(biāo)D上。其中，熱阻越大，其墻體內(nèi)外表面平均溫度的溫差越大，保溫隔熱效果就越好；而熱惰性指標(biāo)越大，其抵抗外界溫度波動的能力就越強，夏季溫度波幅的衰減越大，延遲時間越長，室外熱作用對室內(nèi)的干擾越小。這種評價方法在一定范圍內(nèi)具有比較高的準(zhǔn)確性。

由2種以上非勻質(zhì)材料組合而成的圍護結(jié)構(gòu)(包括空心砌塊、填充保溫材料墻體等，但不包括多空粘土空心磚)稱為非勻質(zhì)組合材料層，如圖1所示。其平均熱阻按下式計算：

(1)

圖1 非勻質(zhì)組合材料層

1.2 保溫性能指標(biāo)

評價建筑物圍護結(jié)構(gòu)保溫性能的熱工指標(biāo)主要為傳熱系數(shù)(或傳熱阻)。圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K的意義是在穩(wěn)態(tài)條件下，當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)溫度差1 ℃時，在單位時間里通過平壁單位面積的傳熱量。顯然，在同樣室內(nèi)外溫差條件下，K值越小，則在單位時間內(nèi)通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱量越少，所以傳熱系數(shù)K可以說明圍護結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定傳熱條件下的保溫性能。

圍護結(jié)構(gòu)的傳熱阻R0是表征圍護結(jié)構(gòu)(包括兩側(cè)表面空氣邊界層)阻抗傳熱能力的物理量，為傳熱系數(shù)的倒數(shù)。傳熱阻越大，則通過圍護結(jié)構(gòu)的熱量越少，所以傳熱阻同樣是說明圍護結(jié)構(gòu)保溫性能的重要指標(biāo)[3-5]。

1.3 隔熱性能指標(biāo)

建筑外圍護結(jié)構(gòu)隔熱性能的控制指標(biāo)主要有圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面最高溫度(θi,max)及結(jié)構(gòu)的熱惰性指標(biāo)(D)。θi,max對于不常做此計算的建筑師而言，計算比較繁雜，可操作性差。熱惰性指標(biāo)D是評價隔熱性能的重要指標(biāo)，D與θi,max相比，可大大簡化隔熱計算，對于設(shè)計人員來說，很大程度上增加了可操作性。圍護結(jié)構(gòu)的熱惰性指標(biāo)定義為材料層的熱阻R與材料蓄熱系數(shù)S的乘積，用符號D表示：

(2)

式2是單層或多層勻質(zhì)材料圍護結(jié)構(gòu)的熱惰性指標(biāo)計算式。如某層由2種或2種以上材料組成，則稱為非勻質(zhì)材料，應(yīng)先按下式計算該層的平均熱導(dǎo)系數(shù)：

(3)

該層的熱惰性指標(biāo)D按下式計算：

(4)

由于熱阻表達材料層抵抗熱流波的能力，蓄熱系數(shù)表達材料層抵抗溫度波的能力，所以熱惰性指標(biāo)D表達了圍護結(jié)構(gòu)抵抗熱流波和溫度波在材料層中傳播的指標(biāo)。熱惰性指標(biāo)越大，說明外來的熱波穿透圍護結(jié)構(gòu)需要的時間越長，波動幅度被減弱的程度也越大，墻體熱穩(wěn)定性越好。

可以看出，材料層的熱惰性指標(biāo)D是由材料層的熱阻和蓄熱系數(shù)共同決定的。雖然采用熱惰性指標(biāo)評價隔熱性能是一種簡化了的評價方法，但是與建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱阻(或傳熱系數(shù))計算過程相比較，熱惰性指標(biāo)的計算還是比較繁瑣的。

1.4 熱惰性指標(biāo)D與材料相關(guān)熱物理參數(shù)的關(guān)系

工程實踐中，在材料層厚度相同的前提下，若要提高熱惰性指標(biāo)，僅提高熱阻或僅選用蓄熱系數(shù)較高的材料，都不一定能夠達到要求。對于建筑圍護結(jié)構(gòu)，材料層的熱阻R可按下式計算：

(5)

從式5可以看出，對于同種材料，熱阻是厚度的單值函數(shù)，其計算十分簡單。若定義熱惰性系數(shù)γ=S/λ，那么由式1，熱惰性指標(biāo)D的計算式可變?yōu)椋?/p>

D=γδ

(6)

從式6可以看出，在建筑材料一定的情況下，熱惰性指標(biāo)D是厚度的單值函數(shù)，厚度越大，熱惰性指標(biāo)就相應(yīng)增加，但是，在圍護結(jié)構(gòu)厚度一定的情況下，材料的熱惰性系數(shù)γ越大，熱惰性指標(biāo)也越大，所以，熱惰性系數(shù)γ能夠直接反映建筑材料的熱惰性能。熱惰性系數(shù)γ的引入簡化了熱惰性指標(biāo)的計算過程，更加便于工程上對圍護結(jié)構(gòu)熱惰性指標(biāo)的設(shè)計和材料的引用。

為了研究密度ρ0、導(dǎo)熱系數(shù)λ、比熱容C三者與熱惰性能的相關(guān)性，分別將礦棉、聚乙烯泡沫板、木材等各種材料的密度和熱惰性系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和熱惰性系數(shù)、比熱容和熱惰性系數(shù)的關(guān)系在圖中表示出來，如圖2～圖4所示。

圖2 ρ0-γ關(guān)系

圖3 λ-γ關(guān)系

圖4 C-γ關(guān)系

從圖2～圖4可以看出，密度、導(dǎo)熱系數(shù)與熱惰性系數(shù)沒有明顯的相關(guān)性，比熱容與熱惰性系數(shù)存在一定的線性關(guān)系。在數(shù)值上，通過線性擬合表明，其關(guān)系大致可表示為γ=7.61C+5.35。一般情況下，比熱容大的建材，相應(yīng)的熱惰性能較好；比熱容小的建材，相應(yīng)的熱惰性能較差。

從上述分析可以看出，熱惰性系數(shù)γ的引入可以進一步簡化圍護結(jié)構(gòu)隔熱計算，更有利于隔熱設(shè)計以及隔熱材料的選用。從材料結(jié)構(gòu)角度來說，質(zhì)多孔或纖維類材料質(zhì)輕、熱穩(wěn)定性較差，易受太陽輻射及室內(nèi)溫度波動的影響，內(nèi)表面溫度容易上升，故其隔熱性較差。密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容作為熱惰性系數(shù)的3個決定因素，共同決定了圍護結(jié)構(gòu)材料的熱惰性能，但是比熱容與材料熱惰性系數(shù)有較強的線性相關(guān)性，而密度、導(dǎo)熱系數(shù)與材料熱惰性系數(shù)的相關(guān)性不明顯。

2 結(jié)語

通過對比分析夾心板與常用保溫外墻的熱工性能，分析了其保溫性能，主要結(jié)論如下：1)夾心板材料保溫性能很好，但是由于蓄熱系數(shù)很小，導(dǎo)致整個板的熱惰性指標(biāo)D值很小，隔熱性差，即該板抵抗溫度波動的能力較弱，溫度波穿透圍護結(jié)構(gòu)后幅值降低小，而且穿透時間較短；2)熱惰性系數(shù)γ能夠直接反映建筑材料的熱惰性能，可以通過引入熱惰性系數(shù)γ簡化圍護結(jié)構(gòu)隔熱計算，更有利于隔熱設(shè)計以及隔熱材料的選用。

[1]中國建筑科學(xué)研究院．建筑保溫隔熱材料與應(yīng)用[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2007．

[2]中國建筑科學(xué)研究院．GB 50411—2007 建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S]．北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2007．

[3]王光華. 彩鋼夾芯板簡介[J]. 油氣田地面工程,2001(2):582.

[4]程杰，袁征.外墻保溫技術(shù)及其節(jié)能材料的應(yīng)用[J].建筑,2008(2):23.

[5]張雄,張永娟.現(xiàn)代建筑功能材料[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

責(zé)任編輯李思文

AnalysisofMetalSurfaceSandwichPlateThermalInsulationPerformance

LI Jian1, NIU Ruiyan2

(1.Plan and Construction Department, China University of Petroleum, Dongying 247061, China;2. Store and Construction School, China University of Petroleum, Dongying 247061, China)

Metal surface sandwich plate as the enclosure structure gradually on the rise, but less theoretical research. From the theory and improve the research level of the metal surface sandwich plate performance in order to better grasp and make use of this structure, more reasonable economy for the social service, combined with the relevant experimental analyses the theory of thermal insulation performance. Through the test and the finite element method, a comparative analysis of sandwich plate and the commonly used thermal insulation external wall thermal performance, and provides a theoretical basis for the evaluation of the effect of metal surface sandwich plate.

external wall insulation, sandwich board, analysis of heat transfer

TU 55

：A

李健(1980-)，男，碩士，工程師，主要從事土木工程等方面的研究。

2015-01-13