蘇南地區(qū)常用外墻保溫材料保溫性能衰減實(shí)驗(yàn)研究

黃孟祺，王利文

(常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州213002)

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蘇南地區(qū)常用外墻保溫材料保溫性能衰減實(shí)驗(yàn)研究

黃孟祺，王利文

(常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州213002)

摘要：通過(guò)建立熱物理參數(shù)相對(duì)恒定的外墻外保溫體系熱傳導(dǎo)計(jì)算模型，采用實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體檢測(cè)的方法，分析對(duì)比幾種常用外墻保溫隔熱材料在實(shí)際工程完工幾年后的導(dǎo)熱性能衰減程度。對(duì)比結(jié)果顯示，隨著外墻保溫使用時(shí)間的增加，外墻保溫材料的保溫性能均有減弱的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：外墻保溫系統(tǒng)；保溫性能；衰減

建筑節(jié)能的首選措施是改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱措施。有關(guān)資料[1-2]顯示，外墻能耗損失約占建筑外圍護(hù)總能耗損失的48%，因此，研究外墻的保溫隔熱問(wèn)題十分必要。建筑物外墻外保溫隔熱體系置于外墻外側(cè)，能夠有效阻斷冷(熱)橋，有利于結(jié)構(gòu)壽命的延長(zhǎng)，同時(shí)，能改善主體結(jié)構(gòu)所受內(nèi)外溫差作用，減小溫變效應(yīng)[3]。

近年來(lái)，對(duì)蘇南地區(qū)常用外墻外保溫系統(tǒng)保溫材料的選取、不同保溫材料的導(dǎo)熱性能和耐候性衰減等方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比與數(shù)據(jù)分析，提出不同保溫材料外墻保溫適應(yīng)性建議。

1模擬計(jì)算模型

根據(jù)工程中外墻外保溫的實(shí)際工況，在實(shí)驗(yàn)室模擬建造1 500 mm×1 000 mm×270 mm的外墻保溫系統(tǒng)，墻體的物理結(jié)構(gòu)如圖1。

1-抹灰層；2-外墻保溫材料；3-保溫材料黏結(jié)層；4-鋼筋混凝土外墻；5-室內(nèi)抹灰層圖1　模擬墻體保溫模型示意圖

由圖1可知，外墻外保溫系統(tǒng)可以分為聚合物黏結(jié)砂漿層、保溫材料層、抹面砂漿層。為了簡(jiǎn)化研究維度，根據(jù)上述墻體物理結(jié)構(gòu)做出如下墻體熱傳導(dǎo)假定：墻體各物理結(jié)構(gòu)層的熱工參數(shù)為常數(shù)，通過(guò)熱流計(jì)的熱流沿墻體厚度方向穩(wěn)定地一維傳導(dǎo)，不考慮向四周的擴(kuò)散傳導(dǎo)。

1)設(shè)外保溫系統(tǒng)各材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ和熱阻R的關(guān)系為

R=δ/λ

式中：R為材料的熱阻，(m2·K)/W；δ為材料厚度，mm；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

2)熱工計(jì)算公式為

KP= 1/(Ri+R+Re)

式中：KP為外墻傳熱系數(shù)，(m·K)/W；Ri為建筑物內(nèi)表面換熱阻值，取值0.11，為常數(shù)；Re為建筑物外表面熱換阻值，取值0.04，為常數(shù)；R為建筑物維護(hù)結(jié)構(gòu)和外保溫系統(tǒng)的換熱阻值，(m2·K)/W。

3)整個(gè)外保溫墻體的熱阻值

(1)

式中：∑Rj=R鋼筋混凝土+R聚合物砂漿+R抹灰層+R待測(cè)保溫材料，(m2·K)/W；j為墻體的各物理層。

設(shè)定外墻構(gòu)造：保溫板厚δ+5mm黏結(jié)砂漿(V砂漿∶V空氣≌1∶3)+200mm鋼筋混凝土+ 5mm厚抹面砂漿。查閱相關(guān)規(guī)范和資料可得：

λ鋼筋混凝土= 1.74W/(m·K)；

λ抹面砂漿= 0.93W/(m·K)；

R聚合物砂漿=0.10W/(m2·K)。

則有：R=200/1.74 + 0.10 +R待測(cè)保溫材料+0.005/0.93=R待測(cè)保溫材料+115.05

4)待測(cè)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)

(2)

2實(shí)驗(yàn)室外墻保溫材料實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)依據(jù)與設(shè)備

根據(jù)《絕熱-穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測(cè)定標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》(GB/T 13475—2008)，利用常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院材料實(shí)驗(yàn)室JTRG-1型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能檢測(cè)裝置和JTRG-11型建筑熱工溫度與熱流自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，防護(hù)熱箱和標(biāo)定熱箱均模仿試件兩邊為均勻溫度的邊界條件。

2.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1)對(duì)砌塊進(jìn)行砌筑，在保溫箱內(nèi)把砌塊砌成1 500 mm×1 000 mm×270 mm的墻體，見(jiàn)圖2。

圖2　保溫箱內(nèi)砌成的墻體

2)在砌好的墻體兩側(cè)布熱流與溫度傳感器，熱側(cè)布4個(gè)熱流傳感器，1個(gè)熱流的周圍布3個(gè)溫度傳感器，見(jiàn)圖3。

圖3　熱流與溫度傳感器布置

3)冷側(cè)與熱側(cè)均一一對(duì)應(yīng)布設(shè)傳感器。

4)保溫箱里的熱流與溫度傳感器接到JTRG-11型建筑熱工溫度與熱流自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)上。

5)保溫箱密封后，接通電源，清空J(rèn)TRG-11型建筑熱工溫度與熱流自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，便于以后采集數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)采集數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為40 min。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)選取了幾種不同的保溫隔熱材料，通過(guò)控制變量法，在改變環(huán)境溫、濕度的情況下進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量，通過(guò)調(diào)節(jié)單一相關(guān)變量，得出EPS、XPS、PIR 3種材料導(dǎo)熱系數(shù)與環(huán)境溫、濕度變化的相關(guān)性，結(jié)論見(jiàn)表1。

表1　部分材料導(dǎo)熱系數(shù)老化實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的各種老化試驗(yàn)，得出如下規(guī)律：在材料老化過(guò)程中，相變熱和濕傳導(dǎo)對(duì)保溫材料熱工參數(shù)本身的影響較大；在實(shí)際的墻體熱傳導(dǎo)模型中，由于試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)相較實(shí)驗(yàn)室有所不同，且均為多結(jié)構(gòu)層，環(huán)境均為干燥的人居環(huán)境，導(dǎo)熱過(guò)程中各結(jié)構(gòu)層熱工參數(shù)對(duì)相變熱、濕傳導(dǎo)的敏感性可以忽略，因此，可視為傳熱過(guò)程是一維穩(wěn)態(tài)的傳熱過(guò)程，假設(shè)成立。

3實(shí)地選點(diǎn)測(cè)量

3.1測(cè)量的原理與布置

鑒于熱流計(jì)法是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)應(yīng)用最廣泛的方法，同時(shí)熱流計(jì)儀器攜帶方便，有利于進(jìn)行實(shí)際工程的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，因此，本試驗(yàn)也采用熱流計(jì)法。

1)布置：熱流計(jì)在被測(cè)墻體內(nèi)外分別布置，并在其周圍布置3個(gè)熱電偶，通過(guò)導(dǎo)線連接上述相關(guān)元器件，將測(cè)試信號(hào)直接接入計(jì)算機(jī)。利用計(jì)算機(jī)處理測(cè)試信號(hào)，導(dǎo)出熱流值及溫度值。為使測(cè)試結(jié)果精確，一是需要待傳熱過(guò)程穩(wěn)定后才能開始計(jì)量，二是測(cè)試時(shí)間必須在傳熱過(guò)程穩(wěn)定后7 d以上。

2)檢測(cè)原理：在建筑物墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻作用下，外墻厚度方向的溫度梯度呈現(xiàn)衰減狀態(tài)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面產(chǎn)生一定溫差，利用熱流量與溫差之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)定。

根據(jù)熱電效應(yīng)和溫度梯度的原理制成熱流計(jì)探頭，當(dāng)熱流計(jì)探頭有一定的熱流q垂直流過(guò)時(shí)，在其基板兩面就會(huì)產(chǎn)生一定的溫差ΔT，該溫度差使裝在基板內(nèi)的熱電堆產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)E。被測(cè)對(duì)象的熱阻與ΔT及電動(dòng)勢(shì)E的關(guān)系如式(3)。

(3)

式中：ΔT為被測(cè)墻體內(nèi)外溫差,ΔT=T1-T2，T1為冷端溫度，T2為熱端溫度，K；E為熱流計(jì)讀數(shù)，mV；C為熱流計(jì)測(cè)頭系數(shù)，是熱流計(jì)出廠時(shí)標(biāo)定的，W/(m2·mV)；R為被測(cè)物的熱阻，(m2·K)/W；

4)依據(jù)《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定 熱流計(jì)法》(GB/T 10295—2008)、《建筑用熱流計(jì)》(JG/T 3016—1994)、《居住建筑節(jié)能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》 (JGJ/T 132—2009),選用熱流計(jì)法對(duì)模型進(jìn)行分析和計(jì)算?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示意圖如圖4所示。

1-被測(cè)墻體；2-溫度傳感器；3-溫度傳感器；4-熱流計(jì)引線；5-熱流溫度巡檢儀圖4　熱流溫度巡檢儀布置示意圖

3.2實(shí)地測(cè)量

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量時(shí)，通過(guò)人工加熱保持墻體兩側(cè)溫差大于20 ℃，加大數(shù)據(jù)的變化陡度。檢測(cè)時(shí)，關(guān)閉檢測(cè)房間的門窗，打開熱源，人工參數(shù)采集頻率為30 min/組。為了避免單組數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，每點(diǎn)采集2組數(shù)據(jù)，通過(guò)同種數(shù)值求取平均數(shù)并剔除異常數(shù)據(jù)，得出較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。由于儀器設(shè)置在居民家中，人員的走動(dòng)容易引起探頭周圍溫度的變化，因此，要求業(yè)主盡量不在實(shí)驗(yàn)房間走動(dòng)，以保持?jǐn)?shù)據(jù)穩(wěn)定。

本實(shí)驗(yàn)一共選擇5戶業(yè)主測(cè)量了5組測(cè)點(diǎn)，獲得的相關(guān)熱物理參數(shù)與理論對(duì)比見(jiàn)表2、表3。

表2　各測(cè)點(diǎn)保溫材料實(shí)測(cè)熱阻與理論熱阻對(duì)比表

表3　各測(cè)點(diǎn)傳熱系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)理論與實(shí)測(cè)對(duì)比

4結(jié)論

4.1保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的變化趨勢(shì)

實(shí)地測(cè)量地點(diǎn)均為已建成小區(qū)，通過(guò)對(duì)比表1～3的相關(guān)數(shù)據(jù)，在之前給定的前提下可知：盡管測(cè)試的幾個(gè)小區(qū)的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)能滿足相關(guān)規(guī)范要求，但其保溫性能仍然出現(xiàn)了一定程度的衰減，保溫性均呈降低的趨勢(shì)。由于各個(gè)小區(qū)建成時(shí)間不同，導(dǎo)致測(cè)試材料衰減時(shí)間不同，但保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)總體呈增大趨勢(shì)，各測(cè)點(diǎn)保溫材料的保溫性能均產(chǎn)生一定的衰減。

4.2實(shí)際測(cè)試中保溫材料的保溫性能分析

綜合上述幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的情況，相對(duì)于本次試驗(yàn)中的保溫材料，實(shí)際運(yùn)用中聚氨酯保溫板的保溫性能最好，且具有施工方便等優(yōu)點(diǎn)；擠塑板的導(dǎo)熱系數(shù)較低，耐候性也較好，相對(duì)而言更適用于外墻保溫。

[參考文獻(xiàn)]

[1]戴見(jiàn)光.蘇南地區(qū)外墻保溫現(xiàn)狀分析與研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2008.

[2]牟鳳才，王宏斌.建筑外墻保溫技術(shù)及節(jié)能材料[J].科技與生活，2010(15):49-50.

[3]徐艷.外墻外保溫材料的選用及施工技術(shù)的研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2011.

責(zé)任編輯：唐海燕

Thermal Insulation Performance Degradation of Thermal Insulation System for Exterior Walls in Southern Jiangsu

HUANG Mengqi，WANG Liwen

(School of Civil Engineering and Architecture，Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002)

Abstract：By determining physical parameters in the general thermal transfer model for construction walls and collecting laboratory and field testing data,several popular thermal insulation materials are analyzed and compared in their thermal insulation performance degradation years after completion.The result indicates that their thermal insulation performance is more or less degrading over time.

Key words：thermal insulation system;thermal insulation performance;degradation

中圖分類號(hào)：TU55+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671- 0436(2016)01- 0043- 04

作者簡(jiǎn)介：黃孟祺(1992—),男，本科生。

基金項(xiàng)目：住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2013-K1-35)；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(201511055008Z)

收稿日期：2015-11- 05

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2016.01.010