多孔介質(zhì)保溫材料復(fù)合比例對傳熱及流動性能影響研究*

李 冉，曹 明，王 健，張 微，李建業(yè)

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110167）

1 研究背景與意義

自20 世紀80 年代以來，我國不斷開展建筑節(jié)能技術(shù)研究和推廣應(yīng)用，目前我國外墻保溫行業(yè)處于加速發(fā)展階段［1］?；谖覈?00億m2的既有建筑中，高達95%以上為高能建筑；根據(jù)中國建筑能耗研究報告（2020）成果顯示：建筑能耗占能源消費總量46.5%。由此可見，建筑節(jié)能地實施與推行勢在必行。我國建筑節(jié)能應(yīng)用認為保溫材料是以減少熱損失為目的，當平均溫度≤350 ℃時，導(dǎo)熱系數(shù)＜0.12 W/（m·K）的材料即為保溫材料；在一般建筑領(lǐng)域，認為當溫度＜常溫（20℃）時，導(dǎo)熱系數(shù)＜0.233 W/（m·K）的材料即為保溫材料。當前，投入使用的保溫材料有無機材料和有機材料兩種。無機材料以巖棉板使用最多，有機材料以聚苯乙烯板（EPS）應(yīng)用最廣［2］。近些年，EPS 憑借其質(zhì)量輕及優(yōu)越的保溫隔熱、吸聲性能迅速占領(lǐng)我國保溫材料最大市場，但隨著批量化生產(chǎn)，其劣勢日益顯現(xiàn)。即EPS 抗火災(zāi)性能差、與建筑物不同壽命、環(huán)境污染、工程造價高、與磚墻難結(jié)合、易變性、污染環(huán)境等不可逆轉(zhuǎn)的缺點，因此無法應(yīng)用于密集建筑及高層建筑。無機材料在國外應(yīng)用較廣，在我國市場占有率較低［3］，其與有機材料相比，保溫性能稍弱、容重偏大、占地面積較大，但憑借其不燃特性、與建筑物同壽命、環(huán)保無污染、造價低、施工方便、抗壓抗拉能力較好等顯著優(yōu)勢，也逐漸得到市場認可，發(fā)展前景良好。

綜上分析，當前外圍護結(jié)構(gòu)的保溫模型多局限于上述保溫材料的單獨使用，而無機保溫材料和有機保溫材料均存在不可替代的優(yōu)勢和不可忽略的劣勢，在保溫效果、防火性、穩(wěn)定性、耐久性等方面，單層多孔介質(zhì)保溫材料很難同時滿足各種復(fù)雜的熱使用工況［4］。當前還沒有任何一種材料可以完全彌補上述材料的缺點，考慮我國建筑墻體保溫現(xiàn)狀，對使用非阻燃型EPS保溫材料的既有建筑進行保溫層改造，即以EPS有機保溫材料為基材，與無機巖棉板保溫材料復(fù)合使用、功能彌補，但由于兩層保溫層傳熱過程較為復(fù)雜，建筑工程師在選用圍護結(jié)構(gòu)保溫材料時多選用單層多孔材料或依據(jù)經(jīng)驗選擇多孔材料復(fù)合使用，并非準確計算出兩層保溫材料對傳熱的影響，這使很多建筑保溫材料出現(xiàn)耗能、耗材、隔熱能力不達標等現(xiàn)象。因此，研究多孔介質(zhì)復(fù)合比例對傳熱及流動性能的影響規(guī)律，并將其合理應(yīng)用于建筑外墻體保溫材料地設(shè)計、維護和使用過程中地強化和削弱傳熱工程具有實際意義和社會效益［5］。

2 復(fù)合保溫材料模型依據(jù)

經(jīng)對沈陽市既有建筑走訪調(diào)研，常見的墻體保溫結(jié)構(gòu)層可簡化為如圖1所示模型，根據(jù)實際選取的保溫層材質(zhì)具體對圖1（左）界面層處做適當調(diào)整。為探究以EPS 為保溫層基材，與巖棉板進行復(fù)合使用所產(chǎn)生的傳熱影響（材料參數(shù)見表1所列），僅通過調(diào)整材料比例對巖棉板-EPS復(fù)合保溫板進行傳熱分析，不考慮剛度、強度、含水性等力學(xué)化學(xué)性質(zhì)?？紤]變量僅為保溫層材質(zhì)時，可簡化為研究保溫層傳熱問題，具體如圖1（中）所示；又因溫度梯度僅沿保溫層厚度方向變化，故可進一步簡化計算模型為一維平板穩(wěn)態(tài)問題，具體如圖1（右）所示。

表1 復(fù)合保溫層的材料參數(shù)

圖1 保溫墻體結(jié)構(gòu)層及材料復(fù)合比例為2∶1時復(fù)合保溫層

3 數(shù)值模型熱物性參數(shù)處理方法

數(shù)值模型按復(fù)合多孔介質(zhì)以自然接觸的方式進行建立，與EPS保溫層（或巖棉板保溫層）相比，復(fù)合的多孔介質(zhì)中不同多孔介質(zhì)層的熱物性參數(shù)、空間結(jié)構(gòu)阻力等參數(shù)存在階躍情況，具體參數(shù)對比見表2所列。

表2 保溫模型內(nèi)參數(shù)對比分析

4 復(fù)合材料傳熱性計算分析

考慮我國北方冬季室內(nèi)外溫差隨季節(jié)性變化，及公共建筑節(jié)能設(shè)計標準中對五個氣候分區(qū)圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)地要求［6］，在重力加速度 g=9.8 N/kg 常規(guī)情況下，對長1 200 mm、厚60 mm規(guī)格的EPS保溫層，EPS與巖棉板厚度按2:1、1:1、1:2比例進行復(fù)合的保溫層及巖棉板保溫層共五種保溫模型進行熱流場對比分析，具體如圖2（無量綱溫度圖）、圖3（流線分布圖）所示。以Dt=20 ℃為例進行說明：從等溫線分布形式及疏密程度可知，五種保溫層的傳熱方式均以導(dǎo)熱為主；EPS保溫模型內(nèi)等溫線最稀疏，熱流密度最小，證明導(dǎo)熱能力最弱，即保溫性最強；EPS與巖棉板厚度按2∶1、1∶1、1∶2比例進行復(fù)合的模型中，等溫線逐漸密集，熱流密度逐漸增加，導(dǎo)熱能力依次提升，即保溫性較EPS保溫模型稍有減弱；巖棉板保溫模型內(nèi)部的等溫線最密集，熱流密度最大，證明導(dǎo)熱能力最強，即保溫性最弱。觀察五組保溫模型內(nèi)流場分布可知，流體流動區(qū)域集中在巖棉板內(nèi)部，EPS內(nèi)部幾乎沒有對流發(fā)生，這是由于巖棉板內(nèi)部為開孔結(jié)構(gòu)、EPS內(nèi)部為閉孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的；隨著保溫層巖棉板所占復(fù)合比例提升，復(fù)合保溫層內(nèi)部最大流函數(shù)變大。

圖2 無量綱溫度圖

圖3 流線分布圖

5 復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)隨復(fù)合比例變化關(guān)系

通過上述分析結(jié)論，五種保溫層模型內(nèi)的主要傳熱方式均為導(dǎo)熱，故對上述五種保溫層模型的傳熱系數(shù)按導(dǎo)熱系數(shù)進行計算，考慮保溫層溫度梯度僅沿厚度方向發(fā)生變化，故導(dǎo)熱系數(shù)可按多層平壁導(dǎo)熱系數(shù)計 算 公 式 ： k-1= δ1·（δ·k1）-1+ δ2·（δ·k2）-1；其 中k1、k2、k 分別代表EPS導(dǎo)熱系數(shù)、巖棉板導(dǎo)熱系數(shù)、復(fù)合保溫層總導(dǎo)熱系數(shù)；δ1、δ2、δ 分別代表EPS厚度、巖棉板厚度、復(fù)合保溫層總厚度。導(dǎo)熱系數(shù)隨復(fù)合保溫層巖棉板所占比例變化，如圖4 所示。由圖4 可知，巖棉板所占比例越大，復(fù)合保溫層導(dǎo)熱系數(shù)越大，傳熱效果越好，保溫性越差，但復(fù)合導(dǎo)熱系數(shù)k控制在兩種材料導(dǎo)熱系數(shù)之間，即k1

圖4 導(dǎo)熱系數(shù)隨復(fù)合比變化圖

6 結(jié)論

通過數(shù)值模擬方法，對水平熱加載時不同復(fù)合比例對縱向復(fù)合的多孔介質(zhì)內(nèi)傳熱和流動影響進行實例應(yīng)用分析，得出了多孔介質(zhì)復(fù)合比例對傳熱及流動性能影響的規(guī)律，結(jié)論如下：

（1）巖棉板、EPS保溫層中傳熱方式均以導(dǎo)熱為主；在常規(guī)情況下，巖棉板內(nèi)部開孔結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生微弱地對流；EPS閉孔結(jié)構(gòu)致使內(nèi)部流體無流動，導(dǎo)熱是唯一的傳熱方式；

（2）復(fù)合保溫層中的傳熱方式以導(dǎo)熱為主；復(fù)合導(dǎo)熱系數(shù)控制在兩種材料導(dǎo)熱系數(shù)之間，即0.036

（3）復(fù)合多孔介質(zhì)模型地提出及多孔介質(zhì)保溫材料復(fù)合比例對傳熱及流動性能影響地研究，可以解決無機保溫材料或有機保溫材料，在單一材料使用于建筑保溫時，保溫效果、防火性、穩(wěn)定性、耐久性等方面無法同時兼顧各種復(fù)雜熱使用工況的難題。