一種廢塑料瓶再利用組合式保溫節(jié)能板材

陳紫儀，聶憶華，黃潔雯，王錦，莫可欣，周冉

（湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

塑料瓶具有中空、輕質(zhì)、耐久、經(jīng)濟(jì)等特點，符合保溫隔熱板材性能要求。通過回收日常生活中的廢棄塑料瓶制得具有保溫隔熱性能的板材將為塑料瓶的回收再利用提供一種有效途徑，也將實現(xiàn)保溫隔熱板材成本低、性能高、質(zhì)量輕的目標(biāo)。利用塑料瓶中空密封特質(zhì)，通過廢棄塑料瓶提供一個密閉的空間，形成相對不流動的空氣層，利用鉚合或者膠水粘結(jié)等方式將塑料瓶與四周的板材連接并封存，加大了板材內(nèi)部空氣間層厚度，有效利用空氣間層保溫隔熱原理提高板材的保溫隔熱能力，從而成為一種基于廢棄生活垃圾再利用的環(huán)保節(jié)能新型板材。廢塑料瓶再利用組合式保溫節(jié)能板材設(shè)計圖如圖1 所示。

1 廢棄塑料瓶中空層保溫原理

熱力學(xué)理論認(rèn)為建筑材料的內(nèi)部構(gòu)造、密度、質(zhì)量以及周圍環(huán)境里的濕度和溫度都會影響建筑材料的保溫隔熱性能。研究表明不流動的空氣層能起到良好的保溫隔熱效果，所以如果在一般保溫材料里面加上一個的空氣中空層，減少其中的空氣流動，那么就能充分利用空氣層隔熱原理，從而提高保溫隔熱性能并節(jié)約材料、降低成本。

在廢棄塑料瓶中空層中存在對流換熱、輻射換熱及導(dǎo)熱3 種傳熱方式，其過程主要是在材料的上下兩個表面溫度不一致時，兩個表面之間通過中空層進(jìn)行的熱轉(zhuǎn)移過程。中空層的導(dǎo)熱系數(shù)主要取決于兩個表面之間空氣層厚度以及材料整體的換熱強(qiáng)度。

通過Boussineaq 假設(shè)進(jìn)行熱力學(xué)分析計算可以發(fā)現(xiàn)，普通空氣層的換熱強(qiáng)度相對偏大，存在著劇烈的自然導(dǎo)熱換熱。由于中空層的導(dǎo)熱系數(shù)、換熱的劇烈程度與兩個表面之間空氣層厚度以及材料整體的換熱強(qiáng)度有關(guān)，所以降低兩個界面的表面溫度、空氣層厚度將顯著減少中空層內(nèi)的自然導(dǎo)熱換熱。通過板材加廢棄塑料瓶模式，可以把常規(guī)厚度的空氣層隔斷形成較小空間，減少空氣流動，同時降低空氣層厚度以及空氣上下表面溫度從而提高保溫隔熱效應(yīng)。

2 組合方案選擇研究

2.1 研究現(xiàn)狀

目前，許多學(xué)者對帶空氣層的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，包括軟件模擬、計算和試驗分析等。

黃友生[1]利用建筑節(jié)能軟件對實際工程進(jìn)行了模擬研究和分析，并通過定性和定量的方法對“空氣層”進(jìn)行了一系列能耗模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，分析了“空氣層”在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的優(yōu)缺點，提出了“空氣層”與水相結(jié)合的相變材料。宋博輝等[2]通過分析計算和FLUENT 模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)封閉腔內(nèi)空氣層厚度小于或等于20 mm 時，基本上沒有對流傳熱。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新型無梁樓蓋磷石膏復(fù)合型腔層模盒。通過穩(wěn)態(tài)傳熱試驗，證明在相同工況下，新型磷石膏復(fù)合型腔層模盒的保溫隔熱性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的單型腔模盒。孫丁[3]通過計算和軟件分析確定空氣層隔熱的最佳厚度，然后應(yīng)用實驗對模擬計算結(jié)果進(jìn)行驗證，證明了封閉方腔空氣夾層的最佳厚度為20 mm 左右，厚度＜20 mm 時熱量的減小幅度較大，厚度＞20 mm 時熱量減少幅度較小。姜涵等[4]分析了墻體材料中空氣夾層的形式和分布對墻體材料熱性能的影響，提出對于高熱導(dǎo)率墻體材料，適當(dāng)合理地引入一定厚度和形式的空氣夾層可以更好地改善墻體材料的熱性能，從而獲得更好的節(jié)能效果和綜合的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。李松等[5]分析了空氣夾層的熱絕緣原理和影響因素，并提出了空氣夾層在建筑中的一些應(yīng)用。趙黎[6]利用自然對流理論和普朗特爾邊界層傳熱理論建立了雙層通風(fēng)屋面空氣的數(shù)值計算模型，得到了夾層的最佳設(shè)計高度，并給出了“封閉空氣層和空氣層”的最大熱阻和高度的理論計算公式。

基于以上研究，我們設(shè)想通過探究對于不同厚度、不同板材類型的板材與回收利用的塑料瓶最優(yōu)化組合來節(jié)省能源并提高板材保溫隔熱性能。

2.2 板材選用

根據(jù)《民用建筑外保溫系統(tǒng)及外墻裝飾防火暫行規(guī)定》相關(guān)條例采用A 級保溫板材進(jìn)行研究，現(xiàn)有A級保溫板材特性等相關(guān)統(tǒng)計情況如表1。

表1 A 級保溫板材及其特性

3 熱學(xué)性能分析

3.1 導(dǎo)熱技術(shù)計算方法

導(dǎo)熱系數(shù)是指對于1 m 厚的建筑保溫材料在周圍環(huán)境溫度差在1 ℃的情況下，1 m2面積上傳遞的熱量。對于單個建筑保溫材料，材料熱阻為導(dǎo)熱系數(shù)的倒數(shù)，對于組合式建筑材料，導(dǎo)熱系數(shù)采用幾個組合材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)表示。根據(jù)《民用建民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB 50176—2016）中規(guī)定，單一材料層的熱阻計算公式為：

式中：R—材料熱阻，單位為m2·K/W；

δ—材料層厚度，單位為m；

λ—材料層導(dǎo)熱系數(shù),單位為W/（m·K）。

多層維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻為：

式中：R1、R2，Rn—各層材料熱阻，單位為m2·K/W。導(dǎo)熱系數(shù)計算公式為：

3.2 熱學(xué)組合分析

根據(jù)統(tǒng)計的保溫市場現(xiàn)有板材，采用3.1 的導(dǎo)熱技術(shù)計算方法對不同材料與塑料瓶組合后的組合導(dǎo)熱系數(shù)和板材總厚度進(jìn)行研究，以尋找最優(yōu)組合。

方案一：采用同等厚度的不同板材計算其與廢棄塑料瓶組合之后的組合板材導(dǎo)熱系數(shù)，相關(guān)結(jié)果如表2 所示。

表2 同等厚度的不同板材與廢棄塑料瓶結(jié)合后的組合板材導(dǎo)熱性能

表2 是不同材料在同等厚度條件下的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值，由圖2 可清楚地看出，真空絕熱板與廢棄塑料瓶組合的組合板材導(dǎo)熱系數(shù)最低，隔熱性能最好；酚醛保溫板次之；巖棉板、水泥發(fā)泡板；改性聚苯板、泡沫玻璃板與廢棄塑料瓶的組合板材導(dǎo)熱系數(shù)相近。

圖2 同等厚度的不同板材與廢棄塑料瓶結(jié)合后的組合板材導(dǎo)熱系數(shù)

圖3 不同材料與廢棄塑料瓶結(jié)合后組成同等組合結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)的板材厚度

方案二：將不同板材與廢棄塑料瓶結(jié)合之后的組合板材的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為統(tǒng)一值，分別計算組合板材的總厚度，其相關(guān)結(jié)果如表3 所示。

表3 不同材料與廢棄塑料瓶結(jié)合后組成同等組合結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)的板材厚度

兩組圖表表明：真空絕熱板-塑料瓶綜合性能最佳，可達(dá)到很好的隔熱性能。除此之外，上述材料中巖棉板、酚醛保溫板、改性聚苯板和塑料瓶所組合而成的新型板材都能滿足國家保溫材料標(biāo)準(zhǔn)，是具有較優(yōu)良性能的保溫板材。

4 結(jié)論

本文介紹了一種新型塑料瓶-板材組裝式保溫節(jié)能板材，以空氣間層保溫隔熱原理為核心技術(shù)原理。從多種維度探討和證明所述新型板材的科學(xué)性和可行性。

從理論角度來說其根本在于：密封塑料瓶使得板材間的空氣對流減少，從而得到保溫隔熱性能較好的新式板材。目前，對于帶有空氣層的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，已有許多學(xué)者對其熱工性能進(jìn)行了深入研究，從科學(xué)理論層面上證明其可行性。

從技術(shù)參數(shù)角度來說，導(dǎo)熱系數(shù)越低，熱阻越大，保溫隔熱性能越好。因此，利用《民用建民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB 50176—2016）中規(guī)定的組合結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)計算公式和熱阻計算公式，計算多種板材與塑料瓶組裝方式的熱參數(shù)，從而得出實際效果：由真空絕熱板和塑料瓶組裝而成的新式板材擁有極佳的保溫隔熱能力，導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻均達(dá)到理想效果；酚醛保溫板次之，擁有較佳性能；其他組裝類型同樣擁有可觀的性能和較高的可行性。

綜上，此種新型板材有著性能好、輕便、材料再利用、成本低的多種優(yōu)勢，具有應(yīng)用于實際的客觀性。