金屬面夾芯板的保溫隔熱性能分析

李 健，鈕瑞艷

(1.中國石油大學(華東) 規劃建設處， 山東 東營 247061；2.中國石油大學(華東) 儲建學院， 山東 東營 247061)

金屬面夾芯板的保溫隔熱性能分析

李 健1，鈕瑞艷2

(1.中國石油大學(華東) 規劃建設處， 山東 東營 247061；2.中國石油大學(華東) 儲建學院， 山東 東營 247061)

金屬面夾芯板作為圍護結構而逐漸興起，但其理論研究較少。為從理論上提高對金屬面夾心板性能的了解和研究水平，更好地掌握和利用這一結構，和更合理經濟的為社會服務，結合相關試驗，對保溫隔熱性能進行了理論分析。通過對比分析夾心板和常用保溫外墻的熱工性能，為金屬面夾芯板的效果評價提供了理論依據。

外墻保溫；夾芯板；傳熱分析

我國建造和使用建筑物直接或間接消耗的能源已經占到全社會總能耗的46.7%，實現節能建筑刻不容緩。建筑保溫隔熱材料在我國發展潛力巨大，一是因為我國現有房屋建筑數量巨大，二是因為我國建筑規模龐大，是世界上最大的建筑市場，而國內絕大多數地區現有圍護結構的保溫隔熱功能與氣候相近的發達國家相比相差甚遠。有關研究表明，使用隔熱保溫材料的投資僅使建筑成本增加5%～8%，節能住宅增加的建設成本在5～8年的時間內就可通過節能效益收回，經濟效益十分可觀。由此可見，采用金屬面夾芯板等新型建筑圍護材料和技術，提高圍護結構的熱工性能，是我國降低建筑能耗的主要方向之一[1-2]。

1 夾芯板保溫性能研究

1.1 熱工性能指標

墻體的熱工性能是建筑圍護結構節能設計的參考依據，其性能參數包括墻體的熱阻R或傳熱系數K、熱惰性指標D、密度ρ和比熱容C等。墻體熱工性能評價主要集中在熱阻R和熱惰性指標D上。其中，熱阻越大，其墻體內外表面平均溫度的溫差越大，保溫隔熱效果就越好；而熱惰性指標越大，其抵抗外界溫度波動的能力就越強，夏季溫度波幅的衰減越大，延遲時間越長，室外熱作用對室內的干擾越小。這種評價方法在一定范圍內具有比較高的準確性。

由2種以上非勻質材料組合而成的圍護結構(包括空心砌塊、填充保溫材料墻體等，但不包括多空粘土空心磚)稱為非勻質組合材料層，如圖1所示。其平均熱阻按下式計算：

(1)

圖1 非勻質組合材料層

1.2 保溫性能指標

評價建筑物圍護結構保溫性能的熱工指標主要為傳熱系數(或傳熱阻)。圍護結構的傳熱系數K的意義是在穩態條件下，當圍護結構兩側溫度差1 ℃時，在單位時間里通過平壁單位面積的傳熱量。顯然，在同樣室內外溫差條件下，K值越小，則在單位時間內通過圍護結構的傳熱量越少，所以傳熱系數K可以說明圍護結構在穩定傳熱條件下的保溫性能。

圍護結構的傳熱阻R0是表征圍護結構(包括兩側表面空氣邊界層)阻抗傳熱能力的物理量，為傳熱系數的倒數。傳熱阻越大，則通過圍護結構的熱量越少，所以傳熱阻同樣是說明圍護結構保溫性能的重要指標[3-5]。

1.3 隔熱性能指標

建筑外圍護結構隔熱性能的控制指標主要有圍護結構內表面最高溫度(θi,max)及結構的熱惰性指標(D)。θi,max對于不常做此計算的建筑師而言，計算比較繁雜，可操作性差。熱惰性指標D是評價隔熱性能的重要指標，D與θi,max相比，可大大簡化隔熱計算，對于設計人員來說，很大程度上增加了可操作性。圍護結構的熱惰性指標定義為材料層的熱阻R與材料蓄熱系數S的乘積，用符號D表示：

(2)

式2是單層或多層勻質材料圍護結構的熱惰性指標計算式。如某層由2種或2種以上材料組成，則稱為非勻質材料，應先按下式計算該層的平均熱導系數：

(3)

該層的熱惰性指標D按下式計算：

(4)

由于熱阻表達材料層抵抗熱流波的能力，蓄熱系數表達材料層抵抗溫度波的能力，所以熱惰性指標D表達了圍護結構抵抗熱流波和溫度波在材料層中傳播的指標。熱惰性指標越大，說明外來的熱波穿透圍護結構需要的時間越長，波動幅度被減弱的程度也越大，墻體熱穩定性越好。

可以看出，材料層的熱惰性指標D是由材料層的熱阻和蓄熱系數共同決定的。雖然采用熱惰性指標評價隔熱性能是一種簡化了的評價方法，但是與建筑圍護結構的熱阻(或傳熱系數)計算過程相比較，熱惰性指標的計算還是比較繁瑣的。

1.4 熱惰性指標D與材料相關熱物理參數的關系

工程實踐中，在材料層厚度相同的前提下，若要提高熱惰性指標，僅提高熱阻或僅選用蓄熱系數較高的材料，都不一定能夠達到要求。對于建筑圍護結構，材料層的熱阻R可按下式計算：

(5)

從式5可以看出，對于同種材料，熱阻是厚度的單值函數，其計算十分簡單。若定義熱惰性系數γ=S/λ，那么由式1，熱惰性指標D的計算式可變為：

D=γδ

(6)

從式6可以看出，在建筑材料一定的情況下，熱惰性指標D是厚度的單值函數，厚度越大，熱惰性指標就相應增加，但是，在圍護結構厚度一定的情況下，材料的熱惰性系數γ越大，熱惰性指標也越大，所以，熱惰性系數γ能夠直接反映建筑材料的熱惰性能。熱惰性系數γ的引入簡化了熱惰性指標的計算過程，更加便于工程上對圍護結構熱惰性指標的設計和材料的引用。

為了研究密度ρ0、導熱系數λ、比熱容C三者與熱惰性能的相關性，分別將礦棉、聚乙烯泡沫板、木材等各種材料的密度和熱惰性系數、導熱系數和熱惰性系數、比熱容和熱惰性系數的關系在圖中表示出來，如圖2～圖4所示。

圖2 ρ0-γ關系

圖3 λ-γ關系

圖4 C-γ關系

從圖2～圖4可以看出，密度、導熱系數與熱惰性系數沒有明顯的相關性，比熱容與熱惰性系數存在一定的線性關系。在數值上，通過線性擬合表明，其關系大致可表示為γ=7.61C+5.35。一般情況下，比熱容大的建材，相應的熱惰性能較好；比熱容小的建材，相應的熱惰性能較差。

從上述分析可以看出，熱惰性系數γ的引入可以進一步簡化圍護結構隔熱計算，更有利于隔熱設計以及隔熱材料的選用。從材料結構角度來說，質多孔或纖維類材料質輕、熱穩定性較差，易受太陽輻射及室內溫度波動的影響，內表面溫度容易上升，故其隔熱性較差。密度、導熱系數、比熱容作為熱惰性系數的3個決定因素，共同決定了圍護結構材料的熱惰性能，但是比熱容與材料熱惰性系數有較強的線性相關性，而密度、導熱系數與材料熱惰性系數的相關性不明顯。

2 結語

通過對比分析夾心板與常用保溫外墻的熱工性能，分析了其保溫性能，主要結論如下：1)夾心板材料保溫性能很好，但是由于蓄熱系數很小，導致整個板的熱惰性指標D值很小，隔熱性差，即該板抵抗溫度波動的能力較弱，溫度波穿透圍護結構后幅值降低小，而且穿透時間較短；2)熱惰性系數γ能夠直接反映建筑材料的熱惰性能，可以通過引入熱惰性系數γ簡化圍護結構隔熱計算，更有利于隔熱設計以及隔熱材料的選用。

[1]中國建筑科學研究院．建筑保溫隔熱材料與應用[S].北京: 中國建筑工業出版社，2007．

[2]中國建筑科學研究院．GB 50411—2007 建筑節能工程施工質量驗收規范[S]．北京: 中國建筑工業出版社，2007．

[3]王光華. 彩鋼夾芯板簡介[J]. 油氣田地面工程,2001(2):582.

[4]程杰，袁征.外墻保溫技術及其節能材料的應用[J].建筑,2008(2):23.

[5]張雄,張永娟.現代建筑功能材料[M]．北京:化學工業出版社，2009.

責任編輯李思文

AnalysisofMetalSurfaceSandwichPlateThermalInsulationPerformance

LI Jian1, NIU Ruiyan2

(1.Plan and Construction Department, China University of Petroleum, Dongying 247061, China;2. Store and Construction School, China University of Petroleum, Dongying 247061, China)

Metal surface sandwich plate as the enclosure structure gradually on the rise, but less theoretical research. From the theory and improve the research level of the metal surface sandwich plate performance in order to better grasp and make use of this structure, more reasonable economy for the social service, combined with the relevant experimental analyses the theory of thermal insulation performance. Through the test and the finite element method, a comparative analysis of sandwich plate and the commonly used thermal insulation external wall thermal performance, and provides a theoretical basis for the evaluation of the effect of metal surface sandwich plate.

external wall insulation, sandwich board, analysis of heat transfer

TU 55

：A

李健(1980-)，男，碩士，工程師，主要從事土木工程等方面的研究。

2015-01-13