EPS-玄武巖纖維中空織物保溫板熱工性能研究

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，按材料種類不同可分為有機保溫材料和無機保溫材料2大類。在建筑領(lǐng)域中有機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，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、抗壓、阻燃（A級難燃）、抗沖擊和抗斷裂等優(yōu)異性能，這恰巧可以彌補了EPS板用于外墻保溫系統(tǒng)時所存在的缺陷。

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。

1 試 驗

1.1 試驗材料

聚苯板（EPS）：工業(yè)級，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：新疆拓鑫玄武巖實業(yè)有限公司產(chǎn)。

粘結(jié)劑：由環(huán)氧樹脂WSR 6101（E-44）、固化劑T31和無水乙醇（分析純）按照6∶2∶1配制而成，環(huán)氧樹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，具體組合形式見表2。

表2 新型保溫板的組合形式

1.3 測試方法

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)測試儀對所制備的新型保溫板進(jìn)行測試。該設(shè)備的測試范圍為0.02～0.8 W/（m·K），相對誤差≤±3%。不同厚度新型保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)為3個測試試件的平均值。熱板和冷板的溫度分別設(shè)定在15℃和30℃左右。當(dāng)被測保溫板的試驗時間達(dá)到一定且熱板、冷板的實測熱流恒定不變時，即可判定該保溫板達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)。一般情況下，每個被測保溫板達(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)熱流計法測得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，測得的EPS板的導(dǎo)熱系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值相比較小，說明本文使用的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)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱能傳遞，簡稱導(dǎo)熱。導(dǎo)熱現(xiàn)象是通過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，單位時間內(nèi)通過保溫材料的熱流量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，熱流量經(jīng)過保溫材料的傳熱路徑越長，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，通過使用玄武巖纖維中空織物來降低保溫板的厚度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），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)的對流傳熱

熱對流是指由于流體的宏觀運動而引起的流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過程。熱對流僅能發(fā)生在流體中，而且由于流體中的分子同時在進(jìn)行著不規(guī)則的熱運動，因而熱對流必然伴隨有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，其對流傳熱的基本計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——保溫板周圍的溫度，℃。

3 新型保溫板熱工計算

J 10786—2017《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(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，具體計算過程如下：

（1）EPS板厚度取10 mm時

通過上述試驗數(shù)據(jù)與表4、表5對比，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，其保溫板的傳熱系數(shù)可以滿足寒冷地區(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)計的這3種類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)計標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，同時符合建筑節(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

4.1 墻體及計算厚度為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

（1）對不同厚度的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)于與單獨采用EPS板。

（2）通過對新型EPS-玄武巖纖維中空織物保溫板的傳熱分析和熱工計算，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，新型保溫板的傳熱系數(shù)可以滿足寒冷地區(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，同時也能達(dá)到建筑節(jié)能65%的指標(biāo)要求。