板材保溫系統(tǒng)墻體的傳熱分析

引言

隨著國(guó)家節(jié)能減排進(jìn)程的推進(jìn)，節(jié)能型墻體的應(yīng)用越來(lái)越普遍，目前應(yīng)用比較普遍的保溫墻體主要包括膠粉聚苯顆粒漿料系統(tǒng)墻體、膨脹聚苯板系統(tǒng)墻體、無(wú)機(jī)輕集料砂漿系統(tǒng)墻體和擠塑聚苯乙烯泡沫板保溫系統(tǒng)墻體。以上前三種保溫系統(tǒng)墻體都有相關(guān)的國(guó)家或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是擠塑聚苯乙烯泡沫板保溫系統(tǒng)墻體相關(guān)的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還是空白。因此為了加深對(duì)擠塑聚苯乙烯泡沫板保溫系統(tǒng)墻體的研究以便為擠塑聚苯乙烯泡沫板保溫系統(tǒng)墻體標(biāo)準(zhǔn)的制定提供一定的借鑒，有必要對(duì)擠塑聚苯乙烯泡沫板保溫系統(tǒng)墻體進(jìn)行傳熱機(jī)理的研究，并與模塑聚苯乙烯泡沫板保溫系統(tǒng)墻體進(jìn)行比較。

1 墻體傳熱的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)傳熱學(xué)理論墻體導(dǎo)熱的控制方程為式1所示：

式中，表示材料密度，表示材料的比熱容，表示當(dāng)前溫度值，表示時(shí)間，表示材料沿x，y，z方向的導(dǎo)熱系數(shù)。其中P、C、Kx、Ky、Kz都隨溫度變化。該式需要定義邊界條件和初始值方可求解。

2 保溫系統(tǒng)墻體模型的建模

聚苯乙烯泡沫塑料是以聚苯乙烯樹(shù)脂或其共聚物為主要成分，添加少量添加劑，通過(guò)加熱擠塑成型而制得的具有閉孔結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)泡沫塑料。聚苯乙烯泡沫板相對(duì)于其它無(wú)機(jī)的保溫材料具有質(zhì)量輕、保溫效果好和吸水率低等特點(diǎn)，因此十分適合用作外墻的保溫材料。而擠塑聚苯乙烯泡沫板相對(duì)于膨脹聚苯板具有抗壓強(qiáng)度高、吸水率低和導(dǎo)熱系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，因此從性能上來(lái)說(shuō)擠塑聚苯乙烯泡沫板要優(yōu)于模塑聚苯乙烯泡沫板。本論文將利用有限元軟件ansys對(duì)擠塑聚苯乙烯泡沫板保溫系統(tǒng)墻體進(jìn)行傳熱模擬，以便分析墻體內(nèi)部的傳熱機(jī)理。

Ansys軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開(kāi)發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN,Alogor, I－DEAS, AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一。其主要的分析流程如下圖1所示：

本論文將利用ansys軟件中的熱分析模塊，分別構(gòu)建一維的擠塑聚苯乙烯泡沫板外保溫系統(tǒng)墻體、擠塑聚苯乙烯泡沫板內(nèi)保溫系統(tǒng)墻體、模塑聚苯乙烯泡沫塑料外保溫系統(tǒng)墻體和模塑聚苯乙烯泡沫塑料內(nèi)保溫系統(tǒng)墻體的傳熱模型，分析墻體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)變化，并將四種墻體的保溫效果進(jìn)行比較和分析。

墻體模型構(gòu)造如表1和表2所示：

保溫墻體的外表面溫度取夏熱東暖地區(qū)冬季的典型室外溫度，墻體的內(nèi)表面設(shè)為25℃。模型運(yùn)行過(guò)程可分為兩個(gè)步驟，第一個(gè)步驟為穩(wěn)態(tài)分析階段，在該階段利用外界初始溫度和墻體內(nèi)表面生成穩(wěn)定的墻體內(nèi)部溫度場(chǎng)，第二個(gè)步驟為瞬態(tài)分析階段，隨著墻體外表面溫度的變化，墻體內(nèi)部的溫度場(chǎng)必將產(chǎn)生變化，并存在高溫區(qū)往低溫區(qū)傳熱的過(guò)程。在第二個(gè)階段中保溫性能的好壞決定了墻體的傳熱快慢和溫度場(chǎng)分布。從內(nèi)墻面到外墻面選取墻體內(nèi)部五個(gè)節(jié)點(diǎn)讀取變化的溫度。

3 墻體內(nèi)部溫度場(chǎng)的分析

以下為四種墻體在同樣的環(huán)境溫度條件下墻體內(nèi)部的溫度場(chǎng)變化。圖2至圖5中的曲線從上到下表示從內(nèi)墻面到外墻面墻體內(nèi)部各點(diǎn)的溫度變化曲線。

通過(guò)圖2和圖3中擠塑板外保溫墻體和模塑板外保溫墻體的傳熱的模擬可以發(fā)現(xiàn)，擠塑板作為外保溫材料時(shí)墻體內(nèi)部的溫度變化較為平緩，這是因?yàn)閿D塑板的導(dǎo)熱系數(shù)比較小，在相同的溫差條件下，所傳遞的熱量比模塑板要小，因此，用擠塑板作為外保溫材料可以比模塑板起到更好的保溫效果，另外，墻體內(nèi)部溫度的變化率隨著板材的保溫性能的增強(qiáng)而變小，這可以最大限度的防止墻體無(wú)機(jī)材料因?yàn)闇囟容^高的變化率而產(chǎn)生收縮或崩裂，對(duì)墻體的穩(wěn)定性起到一定的幫助。

圖1 ansys有限元分析流程圖

表1 墻體構(gòu)造

表2 材料物理性能

圖2 摸塑板外保溫系統(tǒng)墻體溫度變化

圖3 擠塑板外保溫系統(tǒng)墻體溫度變化

圖4 擠塑板內(nèi)保溫系統(tǒng)墻體溫度變化

圖5 摸塑板內(nèi)保溫系統(tǒng)墻體溫度變化

從圖4和圖5內(nèi)保溫系統(tǒng)墻體內(nèi)部的溫度變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，墻體內(nèi)部各點(diǎn)的溫度與外表面的溫度變化基本一致。無(wú)論是摸塑板還是擠塑板墻體，保溫效果均不理想。這是因?yàn)楫?dāng)板材作為內(nèi)保溫使用時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)較大、熱容較小的無(wú)機(jī)材料與外界空氣接觸，無(wú)機(jī)材料內(nèi)部的傳熱主要由毛隙孔中的空氣對(duì)流傳熱和無(wú)機(jī)材料的導(dǎo)熱完成，這會(huì)導(dǎo)致墻體基層的無(wú)機(jī)材料部分受外界溫度的變化影響很大，從而直接影響到了墻體內(nèi)側(cè)保溫板的保溫效果。

4 影響墻體保溫效果的因素

以上的模型分析是建立在理想狀態(tài)下的傳熱模擬，但在實(shí)際應(yīng)用中，墻體的保溫性能受到自身構(gòu)造和各種環(huán)境因素的影響。雖然聚苯乙烯板的吸水率比較的低，通常在0.5%至6%之間，但是由于水的導(dǎo)熱性能良好且容易導(dǎo)致對(duì)流傳熱，因此當(dāng)聚苯板作為外保溫受潮時(shí)將具有一定的含水率，由此對(duì)保溫性能產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)聚苯板作為內(nèi)保溫時(shí)，外側(cè)的墻體無(wú)機(jī)材料更容易吸收水分從而極大的影響保溫性能。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，得出以下結(jié)論：擠塑板用作墻體外保溫時(shí)比起模塑板可以使得墻體內(nèi)部溫度變化更加的平緩；聚苯板外保溫系統(tǒng)墻體內(nèi)部的溫度場(chǎng)變化比較平緩，其保溫效果比內(nèi)保溫墻體要好。