屋面雙板復(fù)合保溫隔熱材料方案設(shè)計與性能分析

黃神恩，王中平，丁楊

（同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804）

0 引言

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料（PUR）優(yōu)良的保溫隔熱性能依賴于C5（環(huán)戊烷）、HCFC（氫氯氟烴）及 HFC（氫氟烴）等發(fā)泡劑發(fā)泡形成的閉孔，泡孔內(nèi)充斥著比空氣導(dǎo)熱系數(shù)小得多的發(fā)泡劑氣體。一般可將硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)視為泡孔內(nèi)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)、泡沫塑料基材的導(dǎo)熱系數(shù)以及可忽略的輻射傳熱系數(shù)、對流傳熱系數(shù)簡單加和。

真空保溫隔熱板（VIP）是基于真空保溫隔熱原理而制成的一種新型、高效保溫隔熱材料。通過最大限度提高板內(nèi)真空度并充填以芯材而降低熱量傳導(dǎo)，從而達(dá)到保溫、節(jié)能等較為理想的保溫隔熱效果。相比聚苯板、聚氨酯泡沫等傳統(tǒng)保溫隔熱材料，其導(dǎo)熱系數(shù)可以低至0.003～0.004 W/（m·K）。真空保溫隔熱板由抽真空的芯材、帶有隔氣鋁箔的表面阻隔膜和吸氣劑構(gòu)成。VIP的熱量傳遞主要由芯材的導(dǎo)熱、VIP內(nèi)部殘留氣體的導(dǎo)熱、對流傳熱和輻射傳熱4部分組成。

建筑保溫材料在推廣應(yīng)用過程中同樣暴露了諸多問題，諸如有機類的泡沫塑料易燃，燃燒過程中易產(chǎn)生有毒氣體；開孔率較高的保溫隔熱材料易吸濕，吸濕的同時極大地降低了材料本身的保溫效果；其它如真空絕熱板使用中易受刺穿而失去真空環(huán)境，成倍地增大材料的導(dǎo)熱系數(shù)。本文對2種保溫隔熱性能優(yōu)良的材料——真空絕熱板及硬質(zhì)聚氨酯泡沫進(jìn)行雙板無連接件復(fù)合，用于屋面保溫層，以期實現(xiàn)不同保溫隔熱材料在使用性能、經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢互補。綜合性能提高，是進(jìn)一步推廣建筑保溫隔熱材料值得深入研究的一個創(chuàng)新點。

1 試驗

1.1 試驗方案

對真空絕熱板與硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料進(jìn)行雙板復(fù)合，采用2 mm厚的粘結(jié)砂漿進(jìn)行板與板之間粘結(jié)。由于硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板表面平整，不似真空絕熱板背部存在熱封邊界，且工程上硬質(zhì)聚氨酯泡沫多可現(xiàn)澆，故此處硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板之間采取直接貼合，粘結(jié)砂漿只用于真空絕熱板與真空絕熱板或真空絕熱板與硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板之間。

真空絕熱板由青島科瑞新型環(huán)保材料有限公司生產(chǎn)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.006 W/（m·K），規(guī)格分別為300 mm×300 mm×（30、15）mm；硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料由上海華峰普恩聚氨酯有限公司生產(chǎn)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.015 W/（m·K），密度為40 kg/m3，規(guī)格分別為 300 mm×300 mm×（45、30、15 mm）。粘結(jié)砂漿由上海舜安建材有限公司生產(chǎn)，使用水灰比為1∶4。

基于傳熱速率方程式與傅里葉定律推導(dǎo)熱流方向垂直于平板情況下的多層薄板導(dǎo)熱系數(shù)計算公式見式（1）[1]，雙板復(fù)合保溫隔熱材料的組合方案依據(jù)該公式確定。

式中：λ——雙板復(fù)合保溫隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

φ1、φ2——分別為第1、第2類板的厚度占比；

λ1、λ2——分別為第1、第2類板的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

以綜合傳熱系數(shù)不大于0.2 W/（m2·K），保溫層總厚度不大于20 cm為指標(biāo)，根據(jù)式（1）設(shè)計真空絕熱板與硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料不同的組合方案如表1所示。

表1 雙板復(fù)合保溫隔熱材料復(fù)合方案

1.2 性能測試方法

根據(jù)GBT 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護(hù)熱板法》進(jìn)行復(fù)合保溫隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)測試，按要求測試前需將復(fù)合材料置于23℃、相對濕度50%的環(huán)境下24 h；測試在天津英貝爾科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的導(dǎo)熱系數(shù)測定儀上進(jìn)行，控制熱板溫度35℃，冷板溫度15℃。

2 試驗結(jié)果與討論

忽略2類保溫隔熱材料的對流換熱及輻射傳熱，傳熱系數(shù)的計算公式見式（2）：

式中：K——復(fù)合保溫隔熱材料的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

αo——復(fù)合保溫隔熱材料的外表面換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

αi——復(fù)合保溫隔熱材料的內(nèi)表面換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

λ——復(fù)合保溫隔熱材料的實測導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

δ——復(fù)合保溫隔熱材料的厚度，m。

復(fù)合保溫隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)及換算傳熱系數(shù)值見表2。

由表2可見：

（1）由實測導(dǎo)熱系數(shù)換算得到的傳熱系數(shù)均符合小于0.2 W/（m2·K）的要求，最大值0.1925 W/（m2·K），最小值0.1187 W/（m2·K）。且8組復(fù)合方案的總厚度均與實際工程切合，最厚為109 mm。

表2 不同復(fù)合方案實測導(dǎo)熱系數(shù)與換算傳熱系數(shù)

（2）8組方案實測導(dǎo)熱系數(shù)與設(shè)計值相近，兩列數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.72。差距最大的為第6組，達(dá)31%；最小的為第3組，達(dá)14%?？梢姡褂霉接嬎汶p板復(fù)合保溫隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)具有相應(yīng)的合理性，方案設(shè)計時可提供參考。而且注意到實測導(dǎo)熱系數(shù)變化趨勢與設(shè)計導(dǎo)熱系數(shù)變化大體相似，導(dǎo)熱系數(shù)值與兩類材料的占比相關(guān)，這與式（1）的變化規(guī)律相同。

（3）8組方案實測導(dǎo)熱系數(shù)均大于設(shè)計導(dǎo)熱系數(shù)，差值在0.00164～0.00416 W/（m·K）之間。原因在于設(shè)計導(dǎo)熱系數(shù)的材料原始數(shù)據(jù)雖同在23℃，相對濕度50%的環(huán)境下實驗測得，但相較于30 mm厚的單板保溫隔熱材料，雙板粘結(jié)得到的復(fù)合保溫隔熱材料體系更為復(fù)雜。影響材料保溫隔熱性能的主要因素有：熱橋、濕度及溫度，在排除溫、濕度的影響后，主要考慮是由于熱橋的影響，特別是在有真空絕熱板參與的情況下。

為進(jìn)一步說明熱橋?qū)﹄p板復(fù)合保溫隔熱材料性能的影響，以第8組方案為例，取該復(fù)合保溫隔熱材料底面中心點a（見圖1），通過COMSOL Multiphysics軟件分別模擬分析點a在有無熱橋影響2種狀態(tài)下的溫度變化情況。

圖1 復(fù)合保溫隔熱材料底面中心點a示意

數(shù)值模擬設(shè)置上表面持續(xù)高溫60℃，下表面初始溫度20℃；雙板復(fù)合保溫隔熱材料間傳熱按照式（3）給出的第3類邊界條件進(jìn)行計算[2]；取沒有接觸面的斷面按絕熱計算[2]，見式（4）：

式中：λ——復(fù)合保溫隔熱材料的實測導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

n——x、y外法線方向；

h——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m·K）；

tf、tw——分別為室內(nèi)和室外的溫度，℃。

數(shù)值模擬結(jié)果見圖2所示，模擬環(huán)境為穩(wěn)定高溫的一端持續(xù)向溫度較低的一端傳導(dǎo)熱量，若不考慮熱橋的影響，熱流是從高溫向低溫的一維傳輸，冷端面中心點a的溫升變化符合理想的傳熱速率方程式?？紤]熱橋影響時，熱流的流向不再是純粹的單方向，因為經(jīng)熱橋的流向熱阻更小，更多的熱量經(jīng)熱橋或散失或更快到達(dá)儀器冷板，降低了流經(jīng)a點的熱量，延緩了a點的溫升。

圖2 數(shù)值模擬a點有無熱橋2種狀態(tài)下的溫度變化

由圖2可見，在1 h左右，2種情況下熱流均未經(jīng)過a點，故a點保持溫度20℃左右，未有明顯變化；第2 h內(nèi)，a點有略微的溫升；二者的差距在第3 h時明顯增大，a點未考慮熱橋時溫升顯著，考慮熱橋時因熱量不足而溫度變化不大，同樣的溫升速率對考慮熱橋的a點在第4 h內(nèi)達(dá)到，顯然，熱橋的存在延緩了a點溫度的升高。隨后，由于穩(wěn)態(tài)的實現(xiàn)，兩者均以一定的速率升溫并交于同一點，這一過程中考慮熱橋的情況下其溫升速率要大于未考慮熱橋的情況，原因正是熱橋的存在，延緩了a點的溫升，導(dǎo)致a點與熱端溫差較大，進(jìn)而有更多的熱量往冷端a點流動，帶動a點以較快速率升高溫度。

熱橋顯著增加越過保溫隔熱材料的熱流，嚴(yán)重?fù)p害材料的保溫隔熱有效性。對于構(gòu)造的雙板復(fù)合保溫隔熱材料，產(chǎn)生熱橋的原因有3個方面：一是隨材料本身厚度的增加，側(cè)面面積增大，由于空氣的熱阻要小于保溫隔熱材料本身，因此熱板傳遞的熱量可能更多經(jīng)由材料側(cè)面散失；二是真空絕熱板與真空絕熱板，真空絕熱板與硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板之間的粘結(jié)砂漿導(dǎo)熱系數(shù)較大，這樣熱流便從粘結(jié)砂漿層傳遞，形成熱橋；三是材料本身導(dǎo)致的熱橋，真空絕熱板的隔膜材料大多由鋁箔、聚氨酯、聚乙烯構(gòu)成，其中金屬鋁是熱的良導(dǎo)體。目前，常用隔膜材料按3種材料不同厚度組合主要有：AF、MF1、MF2、MF3兩類 4 種，50 nm 厚 MF 類 MF1、MF2、MF3不同表面隔膜對應(yīng)熱橋的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.38、0.42、0.90 W/（m·K），而AF的熱橋?qū)嵯禂?shù)還遠(yuǎn)大于MF的導(dǎo)熱系數(shù)[3]?？梢娬婵战^熱板表面隔膜熱橋的導(dǎo)熱系數(shù)對材料的絕熱性能影響很大。

實驗室測試導(dǎo)熱系數(shù)多基于保溫隔熱材料中心區(qū)域，測得的導(dǎo)熱系數(shù)值λCOP（COP，Centre-of-Panel）近于理想，遠(yuǎn)不符合實際工程應(yīng)用。實際工程中不僅要考慮材料本身的熱橋、保溫板與板之間填充材料的熱橋，同時還要考慮保溫隔熱層與不同構(gòu)造層之間的熱橋效應(yīng)。因此，由熱橋引起的導(dǎo)熱性增大在實際工程中尤需注意。Tenpierik等[4]提出可通過修正保溫隔熱材料表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)考慮熱橋的影響。Alfonso等[5]的研究不僅涉及到保溫隔熱材料的內(nèi)外表面熱阻，更進(jìn)一步考慮到保溫隔熱板材之間連接件的熱橋效應(yīng)，通過推導(dǎo)給出相關(guān)公式，并進(jìn)行計算機模擬。Tenpierik和Cauberg[6]構(gòu)造了用可現(xiàn)場發(fā)泡泡沫塑料，如膨脹聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料包裹真空絕熱板的模型，可在很大程度上減少熱橋的影響。

3 結(jié)論

（1）針對現(xiàn)有保溫隔熱材料存在的不足，構(gòu)造了一種能協(xié)同不同保溫隔熱材料優(yōu)勢的雙板復(fù)合保溫隔熱材料。依據(jù)推導(dǎo)的公式設(shè)計了不同的組合方案，實測了各雙板復(fù)合保溫隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，測試結(jié)果能較好滿足實際工程對傳熱系數(shù)與保溫層厚度的要求。

（2）依據(jù)傳熱速率方程和傅里葉定律推導(dǎo)了可用于計算硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板與真空絕熱板復(fù)合雙板保溫隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的公式，將實測復(fù)合保溫隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)與設(shè)計導(dǎo)熱系數(shù)值比較分析，驗證了通過該公式計算復(fù)合保溫隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)具有一定的合理性。

（3）對于設(shè)計導(dǎo)熱系數(shù)值與實測值差距，在排除其它影響因素后，分析得出主要是由于熱橋效應(yīng)導(dǎo)致雙板復(fù)合保溫隔熱材料的絕熱性能下降，造成實測導(dǎo)熱系數(shù)大于設(shè)計值。數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)一步說明了熱橋效應(yīng)對屋面保溫隔熱性能的不利影響，故而要求實際工程要盡量阻斷熱橋，或在設(shè)計導(dǎo)熱系數(shù)值的基礎(chǔ)上考慮一定大小的保險系數(shù)。

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