基于水性環(huán)氧樹脂浸潤劑處理的玻璃棉板外保溫系統(tǒng)設計

鄧招龍

(江西中煤建設集團有限公司，江西 南昌 330000)

建筑能源消耗問題一直是相關領域的研究重點[1]。面對巨大的建筑能耗，充分提高建筑外部保溫隔熱性，是實現(xiàn)建筑節(jié)能的重要舉措[2]。在整個建筑結構中，墻體是建筑圍護結構的主體，在整個建筑能耗中占總能耗的35%左右，因此，如何改善建筑墻體的保溫隔熱性能是研究的重點。

目前國內(nèi)外主要存在的外墻保溫形式以外保溫為主，由于外保溫體系保溫層覆蓋在墻體外側，基本上可以避免熱橋問題，保證墻體內(nèi)表面上不易產(chǎn)生結露現(xiàn)象，儲存更多的能量，所以外保溫體系是建筑領域極力倡導的保溫形式，也是在國內(nèi)應用最廣泛的建筑保溫技術。目前主要應用的外保溫系統(tǒng)主要包括基于聚苯乙烯隔熱保溫板外保溫系統(tǒng)和膠粉聚苯顆粒外保溫系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)現(xiàn)場施工工序多，材料導熱系數(shù)大，不僅導致溫度應力過高，保溫效果不明顯，而且消耗的能源過多，沒有達到節(jié)能的目的[3]。因此，提出基于水性環(huán)氧樹脂浸潤劑處理的玻璃棉板外保溫系統(tǒng)，利用水性環(huán)氧樹脂浸潤劑處理玻璃棉板，降低材料的導熱系數(shù)，解決傳統(tǒng)系統(tǒng)中存在的問題。

1 基于水性環(huán)氧樹脂浸潤劑處理的玻璃棉板外保溫系統(tǒng)整體框架設計

玻璃棉板外保溫系統(tǒng)中玻璃棉板的性能與浸潤劑息息相關，整體框架部分主要是實現(xiàn)浸潤劑的配置及輔助玻璃棉板的生產(chǎn)，以提高玻璃棉板材料性能。

浸潤劑的配制和處理過程的主要設備包括控制器、觸摸屏、變頻器和稱重傳感器[4]。具體結構如圖1所示。

圖1 浸潤劑配制過程示意圖

浸潤劑配制后，負責輸送的控制器硬件和網(wǎng)絡結構如圖2所示。

圖2 控制器硬件配置和網(wǎng)絡結構圖

浸潤劑配制過程中接口模塊為IM365，擴展機架與主機架相連，通信方式主要以點對點通信CP340為主，通過IM365串行通信接口進行數(shù)據(jù)交換[5]。在圖2中顯示的擴展機架上，安放與主機架通信的接口模塊，其他槽位安放信號分別為模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和數(shù)字量輸入模塊。

通過上述控制器設計生產(chǎn)浸潤劑，達到提高浸潤劑中環(huán)氧成膜劑對玻璃纖維的黏結力和表面張力。

2 玻璃棉板外保溫系統(tǒng)構造設計

2.1 結合“抗”和“放”的防裂構造設計

玻璃棉板材料的使用使得設計外保溫系統(tǒng)時需要考慮材料各項參數(shù)，當玻璃棉板外保溫系統(tǒng)受到外界溫度變化的影響產(chǎn)生變化時，材料的內(nèi)應力會逐漸消耗掉，實現(xiàn)外保溫系統(tǒng)的防裂功能[6]。

玻璃棉板材料的變形是不自由的，結合“抗”和“放”兩種防裂機理，避免玻璃棉板外保溫系統(tǒng)出現(xiàn)開裂。在“抗”的防裂機理下，玻璃棉板受到內(nèi)外約束受力的作用，完全處于約束狀態(tài)。則材料各個參數(shù)有如下關系[7]：

αx=αy=αz=βxy=βyz=βzx=0

(1)

δx=δy=δz=KγR=δmax

(2)

ηxy=ηyz=ηzx=0

(3)

式中:αx、αy、αz為各個方向上的極限拉伸；βxy、βyz、βzx為各個方向的夾角變位；δx、δy、δz為各個方向上約束正應力，N；K為彈性模量，MPa；R為溫差,℃；γ為線膨脹系數(shù)，1/C；δmax為最大約束應力，N；ηxy、ηyz、ηzx為各個方向的剪切應力，N[8]。在上述這種情況下，只要材料具有足夠的抗拉強度，則不會產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。

如果玻璃棉板的變形得到滿足，則變形不會產(chǎn)生約束應力，此時材料處于完全的自由狀態(tài)，因此不會產(chǎn)生裂縫。此時材料的參數(shù)關系如下：

αx=αy=αz=γR

(4)

δx=δy=δz=ηxy=ηyz=ηzx=0

(5)

由式(4)和式(5)可知，在這種情況下，材料可以隨著溫度的變化自由變形，此時材料向空間自由發(fā)展，在任意溫差條件下，保溫材料都具有良好的適應變形的能力。

2.2 保溫隔熱結構與節(jié)能的一體化設計

外保溫系統(tǒng)中保溫隔熱結構與節(jié)能的一體化設計有一個重要的前提，就是系統(tǒng)的熱工性能必須能夠滿足建筑物節(jié)能指標的要求[9-11]。具體要求為：對于圍護結構的熱阻值應該大于建筑物所在地區(qū)規(guī)定的最小熱阻值；室內(nèi)溫度與濕度的調(diào)節(jié)應該高于室內(nèi)空氣的結露溫度；在材料和構造措施改變處、結構縫隙處以及位移較大的部位，設置變形縫。

對于外保溫系統(tǒng)，其連接件采用強度高的金屬螺栓，在玻璃棉板與室外環(huán)境接觸的一端用塑料墊蓋嚴，使用的塑料套筒貫穿外膜板的內(nèi)側截面，將錨桿端頭與墻體中的鋼筋骨架綁扎牢固。具體的連接形式如圖3所示。

采用這種形式的連接能夠避免外保溫系統(tǒng)產(chǎn)生熱橋，避免保溫效果被削弱。在這種結構下，節(jié)能的控制主要是對局部節(jié)點構造進行處理[12]。建筑物節(jié)點的構造部位主要是指采暖和非采暖空間的樓板部位、陰陽角部位、門窗洞口等部位，這些部位是外保溫系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，是最影響保溫效果的部位。因此對這些部位進行優(yōu)化設計，以陰、陽角為例，構造結構如圖4所示。

圖3 連接件內(nèi)螺栓的設置

圖4 陰、陽角部位構造

通過以上過程對外保溫系統(tǒng)一些局部節(jié)點進行構造優(yōu)化，以達到保溫隔熱、節(jié)能的目的[13-15]。至此，基于水性環(huán)氧樹脂浸潤劑處理的玻璃棉板外保溫系統(tǒng)設計完成。

3 玻璃棉板外保溫系統(tǒng)性能測試

對于玻璃棉板外保溫系統(tǒng)性能測試，主要以對比測試的形式為主，在測試中建立統(tǒng)一的墻體模型，使用不同的外保溫系統(tǒng)測試在相同條件下，不同系統(tǒng)的節(jié)能和保溫效果，驗證系統(tǒng)的有效性，分析系統(tǒng)的實際應用能力。

3.1 墻體模型參數(shù)設置

在節(jié)能效果測試和溫度應力測試中均需要與普通墻體相對比，因此在測試之前，定義普通墻體的材料參數(shù)。具體內(nèi)容如表1所示。

設計的玻璃棉板外保溫系統(tǒng)材料參數(shù)如表2所示。

表1 普通墻體各層材料參數(shù)

表2 玻璃面板外保溫系統(tǒng)各層材料參數(shù)

創(chuàng)建墻體模型采用自頂向下的方式，滿足《外墻外保溫工程技術規(guī)程》要求，建立的墻體模型如圖5所示。

圖5 墻體模型

圖5中顯示的墻體模型是經(jīng)過網(wǎng)格劃分后的模型，其尺寸為3.5 m×3.0 m，中間窗戶大小為1.5 m×1.5 m?；谝陨蟽?nèi)容測試不同外保溫系統(tǒng)的節(jié)能效果和溫度效應。

3.2 節(jié)能效果測試及分析

使用ECOTECT軟件計算采用不同外保溫系統(tǒng)的墻體建筑能耗，并以基于聚苯乙烯隔熱保溫板的外保溫系統(tǒng)、基于膠粉聚苯顆粒的外保溫系統(tǒng)為對比方法，分別比較不同方法下墻體的建筑能耗與普通墻體能耗的計算結果，得到外保溫系統(tǒng)的節(jié)約能耗。測試結果如圖6所示。

對比圖6結果，從覆蓋面積上分析不同外保溫系統(tǒng)的測試結果。圖6中顯示傳統(tǒng)的兩種外保溫系統(tǒng)覆蓋面積大于普通墻體顯示的覆蓋面積，說明這兩種系統(tǒng)在保證了保溫隔熱的性能的同時，消耗了過多的能耗，沒有達到節(jié)能的目的。而設計的外保溫系統(tǒng)圖中顯示的覆蓋面積遠遠小于普通墻體展示的覆蓋面積，說明設計的外保溫系統(tǒng)的能耗遠遠低于普通墻體，并且與傳統(tǒng)的保溫系統(tǒng)相比，節(jié)能效果也非常明顯。

圖6 不同外保溫系統(tǒng)節(jié)能效果測試結果

3.3 溫度應力測試及分析

溫度應力測試主要是在恒溫階段、靜置階段、加熱階段和降溫階段下，根據(jù)墻體溫度與外界溫度的溫度變化計算溫度應力，對比這些數(shù)據(jù)可以證明外保溫系統(tǒng)的保溫隔熱性能。計算結果如表3所示。

分析表3可知，任何情況下只要存在溫差，就會發(fā)生從高溫向低溫處的熱量傳遞。溫度應力越大，說明保溫隔熱性能越好。通過觀察表中數(shù)據(jù)可以看出，設計的外保溫系統(tǒng)溫度應力更高，說明該系統(tǒng)面對不同的外界溫度變化，能夠?qū)w結構層起到保護作用，達到保溫隔熱的目的。結合節(jié)能效果測試結果可知，設計的基于水性環(huán)氧樹脂浸潤劑處理的玻璃棉板外保溫系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)的外保溫系統(tǒng)。

表3 不同外保溫系統(tǒng)溫度應力測試結果 MPa

4 結 語

本文從提升外保溫系統(tǒng)保溫性能方面入手，結合水性環(huán)氧樹脂浸潤劑處理的玻璃棉板，設計外保溫系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)外保溫系統(tǒng)中存在的問題。在系統(tǒng)設計中，利用浸潤劑增強玻璃棉板的表面張力，增強材料性能，達到保溫隔熱的目的。在設計完成之后，利用傳統(tǒng)的外保溫系統(tǒng)設計對比測試，多次測試得出，設計的系統(tǒng)的有效性以及優(yōu)越的實際應用能力。但是設計過程中對保溫系統(tǒng)的耐久性沒有過多的驗證，在后續(xù)研究中可從這一方面展開研究，切實保證外保溫系統(tǒng)的應用安全。