多孔介質保溫材料復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

（沈陽城市建設學院市政與環境工程學院，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能技術研究和推廣應用，目前我國外墻保溫行業處于加速發展階段［1］。基于我國400億m2的既有建筑中，高達95%以上為高能建筑；根據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，建筑節能地實施與推行勢在必行。我國建筑節能應用認為保溫材料是以減少熱損失為目的，當平均溫度≤350 ℃時，導熱系數＜0.12 W/（m·K）的材料即為保溫材料；在一般建筑領域，認為當溫度＜常溫（20℃）時，導熱系數＜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）應用最廣［2］。近些年，EPS 憑借其質量輕及優越的保溫隔熱、吸聲性能迅速占領我國保溫材料最大市場，但隨著批量化生產，其劣勢日益顯現。即EPS 抗火災性能差、與建筑物不同壽命、環境污染、工程造價高、與磚墻難結合、易變性、污染環境等不可逆轉的缺點，因此無法應用于密集建筑及高層建筑。無機材料在國外應用較廣，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、環保無污染、造價低、施工方便、抗壓抗拉能力較好等顯著優勢，也逐漸得到市場認可，發展前景良好。

綜上分析，當前外圍護結構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勢和不可忽略的劣勢，在保溫效果、防火性、穩定性、耐久性等方面，單層多孔介質保溫材料很難同時滿足各種復雜的熱使用工況［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合使用、功能彌補，但由于兩層保溫層傳熱過程較為復雜，建筑工程師在選用圍護結構保溫材料時多選用單層多孔材料或依據經驗選擇多孔材料復合使用，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耗能、耗材、隔熱能力不達標等現象。因此，研究多孔介質復合比例對傳熱及流動性能的影響規律，并將其合理應用于建筑外墻體保溫材料地設計、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 復合保溫材料模型依據

經對沈陽市既有建筑走訪調研，常見的墻體保溫結構層可簡化為如圖1所示模型，根據實際選取的保溫層材質具體對圖1（左）界面層處做適當調整。為探究以EPS 為保溫層基材，與巖棉板進行復合使用所產生的傳熱影響（材料參數見表1所列），僅通過調整材料比例對巖棉板-EPS復合保溫板進行傳熱分析，不考慮剛度、強度、含水性等力學化學性質。考慮變量僅為保溫層材質時，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態問題，具體如圖1（右）所示。

表1 復合保溫層的材料參數

圖1 保溫墻體結構層及材料復合比例為2∶1時復合保溫層

3 數值模型熱物性參數處理方法

數值模型按復合多孔介質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，復合的多孔介質中不同多孔介質層的熱物性參數、空間結構阻力等參數存在階躍情況，具體參數對比見表2所列。

表2 保溫模型內參數對比分析

4 復合材料傳熱性計算分析

考慮我國北方冬季室內外溫差隨季節性變化，及公共建筑節能設計標準中對五個氣候分區圍護結構傳熱系數地要求［6］，在重力加速度 g=9.8 N/kg 常規情況下，對長1 200 mm、厚60 mm規格的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熱為主；EPS保溫模型內等溫線最稀疏，熱流密度最小，證明導熱能力最弱，即保溫性最強；EPS與巖棉板厚度按2∶1、1∶1、1∶2比例進行復合的模型中，等溫線逐漸密集，熱流密度逐漸增加，導熱能力依次提升，即保溫性較EPS保溫模型稍有減弱；巖棉板保溫模型內部的等溫線最密集，熱流密度最大，證明導熱能力最強，即保溫性最弱。觀察五組保溫模型內流場分布可知，流體流動區域集中在巖棉板內部，EPS內部幾乎沒有對流發生，這是由于巖棉板內部為開孔結構、EPS內部為閉孔結構導致的；隨著保溫層巖棉板所占復合比例提升，復合保溫層內部最大流函數變大。

圖2 無量綱溫度圖

圖3 流線分布圖

5 復合材料導熱系數隨復合比例變化關系

通過上述分析結論，五種保溫層模型內的主要傳熱方式均為導熱，故對上述五種保溫層模型的傳熱系數按導熱系數進行計算，考慮保溫層溫度梯度僅沿厚度方向發生變化，故導熱系數可按多層平壁導熱系數計 算 公 式 ： k-1= δ1·（δ·k1）-1+ δ2·（δ·k2）-1；其 中k1、k2、k 分別代表EPS導熱系數、巖棉板導熱系數、復合保溫層總導熱系數；δ1、δ2、δ 分別代表EPS厚度、巖棉板厚度、復合保溫層總厚度。導熱系數隨復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，復合保溫層導熱系數越大，傳熱效果越好，保溫性越差，但復合導熱系數k控制在兩種材料導熱系數之間，即k1

圖4 導熱系數隨復合比變化圖

6 結論

通過數值模擬方法，對水平熱加載時不同復合比例對縱向復合的多孔介質內傳熱和流動影響進行實例應用分析，得出了多孔介質復合比例對傳熱及流動性能影響的規律，結論如下：

（1）巖棉板、EPS保溫層中傳熱方式均以導熱為主；在常規情況下，巖棉板內部開孔結構會產生微弱地對流；EPS閉孔結構致使內部流體無流動，導熱是唯一的傳熱方式；

（2）復合保溫層中的傳熱方式以導熱為主；復合導熱系數控制在兩種材料導熱系數之間，即0.036

（3）復合多孔介質模型地提出及多孔介質保溫材料復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、穩定性、耐久性等方面無法同時兼顧各種復雜熱使用工況的難題。