多層孔隙材料在建筑施工中的隔熱機(jī)理及其優(yōu)化設(shè)計(jì)

張偉超，張磊，王磊，董自運(yùn)，古松

（1.中鐵建工集團(tuán)有限公司，北京 100160 ；2.中鐵建工集團(tuán)北方工程有限公司，天津 300450；3.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽6 210000）

0 引言

多孔柔性材料因其獨(dú)特的形狀、尺寸以及結(jié)構(gòu)拓?fù)涮匦裕_定了其在重強(qiáng)比與熱傳導(dǎo)方面的顯著優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于工程項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)填充、隔熱保溫以及噪音處理等領(lǐng)域[1-3]。如低密度泡沫材料在結(jié)構(gòu)填充中的應(yīng)用，低導(dǎo)熱率多孔材料在隔熱保溫中的應(yīng)用。近年來，隨著我國(guó)工程基建的迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)了眾多結(jié)構(gòu)體量龐大的基礎(chǔ)設(shè)施，這些工程項(xiàng)目由于內(nèi)部空間大，跨越范圍廣，其功能需求也越來越復(fù)雜，對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，其于服役環(huán)境的熱交換效果，直接決定其建筑能耗水平[4]。

文獻(xiàn)[5]調(diào)研了湖南地區(qū)農(nóng)村用房隔熱保溫層的選用設(shè)計(jì)狀況，給出了華南華中地區(qū)民用建筑隔熱保溫層的應(yīng)用狀況。文獻(xiàn)[6]介紹了發(fā)泡技術(shù)在建筑隔熱保溫層施工中的應(yīng)用，驗(yàn)證了孔隙介入在建筑隔熱保溫層領(lǐng)域的適用性。文獻(xiàn)[7]分析層數(shù)效應(yīng)對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱橋效應(yīng)，研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)層數(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)隔熱保溫效率的影響，給出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱效果隨其防護(hù)層層數(shù)增加的結(jié)論。雖然目前隔熱保溫材料及其構(gòu)造在熱工效率與圍護(hù)效果方面取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但多涉及平原內(nèi)陸地區(qū)，對(duì)于高原強(qiáng)輻射環(huán)境尚未過多考慮。另外，當(dāng)前隔熱保溫材料多考慮層數(shù)調(diào)控獲得的熱工效果優(yōu)化，而未將其結(jié)構(gòu)自身的孔隙特點(diǎn)綜合考慮。

對(duì)于高原強(qiáng)輻射環(huán)境，外界輻照或溫度水平與隔熱保溫層熱工效果密切相關(guān)。一般而言，在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境熱交換總量中，屋面體系的能量傳導(dǎo)最大，約占耗散/傳遞總能的60%以上；其次為門窗洞口和圍護(hù)墻體，但后兩者的能量耗散/傳導(dǎo)能量不到總能的40%。因此，針對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，屋面工程的隔熱保溫效果對(duì)控制建筑總能耗起著關(guān)鍵作用。通常，大型建筑屋面體系多采用具有良好塑性和安裝優(yōu)勢(shì)的薄壁冷軋輕鋼結(jié)構(gòu)，且鋼結(jié)構(gòu)中腔采用一定厚度的多孔材料填充，如軟瓷保溫材料、硅酸鋁保溫材料、酚醛泡沫材料、玻璃棉以及巖棉材料等[1-5]。在隔熱保溫體系設(shè)計(jì)上，均按照工作環(huán)境參數(shù)，基于熱傳導(dǎo)基本理論，進(jìn)行隔層材料厚度設(shè)計(jì)。然而傳熱傳質(zhì)學(xué)早已明確指出，材料傳熱效率不僅由材料本身導(dǎo)熱能力決定，還與材料組合形式有關(guān)，例如同種材料按照不同厚度的獨(dú)立單層進(jìn)行拼合，其隔熱效果的量化水平是等厚度整體材料的指數(shù)倍。

基于此，本研究在建筑工程傳統(tǒng)隔熱保溫設(shè)計(jì)方法上，將多孔隔熱保溫層沿厚度方向進(jìn)行不同尺寸水平的拆分，形成多層組合形式，基于熱傳導(dǎo)學(xué)基本理論，研究單層多孔材料厚度對(duì)其熱傳導(dǎo)效果的影響，分析相同保溫層厚度在不同獨(dú)立單層組合方式下的熱交換效果的變化與差異，確定出不同輻射條件下的最優(yōu)隔熱層組合方式，以期為建筑工程隔熱保溫體系設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 多孔材料熱工交換系數(shù)

眾所周知，同種材料實(shí)體結(jié)構(gòu)熱工能力顯著低于含孔隙結(jié)構(gòu)，且孔隙形式對(duì)熱工交換能力具有顯著作用。一般而言，孔隙體積、形狀樣式以及排列方式均可對(duì)結(jié)構(gòu)熱工效率造成影響。因此，隔熱保溫材料內(nèi)部均需構(gòu)造出大量孔隙結(jié)構(gòu)以保障其有效的隔熱保溫能力。

為進(jìn)一步建立孔隙與材料熱工效果之間的關(guān)系，人們提出了多種方法對(duì)多孔材料的孔隙特征指標(biāo)進(jìn)行量化，如反映孔隙尺寸及其分布的孔隙體積（率）、孔隙最大/小尺寸、孔隙密度以及孔隙尺寸統(tǒng)計(jì)參數(shù)，和反映孔隙形狀的形狀參數(shù)。但對(duì)于尺寸不一、形狀各異的大量離散分布的內(nèi)孔隙，單一采用尺寸參數(shù)或形狀參數(shù)均無法很好表征其微孔集合與效果，故部分學(xué)者采用了綜合表征法對(duì)多孔材料的微孔性質(zhì)進(jìn)行描述。

大量獨(dú)立孔隙分散于熱工材料內(nèi)部，在突出結(jié)構(gòu)特性的條件下確保了良好的熱橋效應(yīng)，孔隙尺寸、分布狀態(tài)以及形態(tài)特征不同，材料熱工交換系數(shù)不同，其熱工效能也不同。由于引起孔隙材料熱工導(dǎo)熱的構(gòu)造因素較多，因此在隔熱保溫構(gòu)造措施熱工理論分析時(shí)，多采用簡(jiǎn)化方法，即將材料孔隙構(gòu)造采用單一指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。多孔熱工材料的交換系數(shù)可表示為：

由公式（1）可知，多孔材料熱工系數(shù)主要受其孔隙特征（尺寸、形狀以及分布）與邊界條件影響，而實(shí)際工程中隔熱保溫層邊界多采用其他異類實(shí)體結(jié)構(gòu)封堵，從而發(fā)生邊界變異，但其自身內(nèi)部孔隙特征受外界影響不大。基于此，通過調(diào)控材料內(nèi)部孔隙特征參數(shù)可實(shí)現(xiàn)其熱工特征的有效改變。

基于此，本文通過改變?chǔ)摹ⅵ?值可得到一系列單層多孔材料的熱工系數(shù)變化曲線，如圖1 所示。

由公式（1）可見，當(dāng)獨(dú)立孔隙不斷縮小且不斷加密，即δ →0，ε →0，熱工系數(shù)T 必然存在最大值，即無論如何優(yōu)化孔隙特征，其熱工系數(shù)總會(huì)出現(xiàn)最優(yōu)值，即最優(yōu)熱工系數(shù)。

由圖1 可見，隨著孔隙相鄰平均間距δ 逐漸減小，隔熱保溫材料熱工系數(shù)T 減小，且減小幅度逐漸加快。而不同ε 條件下，T～δ 變化關(guān)系差異較大，當(dāng)ε 較大時(shí)，T 隨δ 的變化幅度十分顯著，而當(dāng)ε 逐漸減小時(shí)，T 隨δ 的變化幅度趨于緩和，尤其在較高水平δ 條件下，T 往往存在一個(gè)極值，此值通常稱為隔熱保溫材料最優(yōu)熱工系數(shù)。

圖1 單層多孔材料熱工系數(shù)變化曲線

2 溫度函數(shù)多尺度展開

眾所周知，建筑結(jié)構(gòu)保溫隔熱復(fù)材所分布的大量?jī)?nèi)部孔隙較為隨機(jī)，但相對(duì)于材料尺寸而言，孔隙可視為均勻分布，故孔隙微觀尺度的離散性對(duì)溫度函數(shù)的影響忽略不計(jì)，因此對(duì)于單類均勻材料的孔隙均勻分布時(shí)，熱工系數(shù)可變形為：

基于熱橋原理，采用按熱工交換方向等分保溫層方法優(yōu)化屋面保溫體系溫度函數(shù)。若將保溫層分為縱向n 層，則溫度函數(shù)可表示為[8-9]：

利用泰勒公式展開，溫度函數(shù)為：

采用常規(guī)保溫填充物玻璃棉作為研究對(duì)象，基本參數(shù)見表1，代入公式（4）繪制其圖像，如圖2 所示。

表1 常規(guī)玻璃棉屋面填充材料設(shè)計(jì)指標(biāo)

圖2 溫度函數(shù)與熱工材料層數(shù)關(guān)系

泰勒公式是一個(gè)函數(shù)在某點(diǎn)的信息描述，若展開項(xiàng)足夠多，可認(rèn)為函數(shù)利用泰勒展開后可描述其整個(gè)自定義域內(nèi)的函數(shù)信息。但工程數(shù)學(xué)利用泰勒公式時(shí)往往因應(yīng)用需求而無法考量整個(gè)自定義域，即泰勒展開結(jié)果無法表征整個(gè)函數(shù)的信息。因此，公式（3）通過泰勒展開得到公式（4），后者無法獲得前者整個(gè)自定義域內(nèi)的函數(shù)信息，兩者在結(jié)果表征上存在偏差。本文考慮工程數(shù)學(xué)對(duì)泰勒展開的約束性質(zhì)，僅需保障工程精度即可，故對(duì)公式（3）進(jìn)行泰勒展開得到公式（4）可滿足精度要求，即此處無需考慮其數(shù)學(xué)意義。

圖2 給出了隔熱保溫層層數(shù)n 與溫度函數(shù)值之間的關(guān)系。由圖2 可見，隨保溫層數(shù)n 的增大，玻璃棉保溫體系溫度系數(shù)不斷降低，即熱交換率不斷下降。這表明材料層數(shù)越多，保溫體系隔熱效果越好。但當(dāng)層數(shù)n ＞4，保溫體系熱工能力逐漸降低，即此時(shí)以通過分層方式所優(yōu)化的材料熱工能力很低。因此，對(duì)于玻璃棉隔熱材料而言，等分4 份能夠較好地實(shí)現(xiàn)鋼屋蓋體系較為有效的隔熱保溫效果。

另外，由于構(gòu)造層數(shù)n 與熱工系數(shù)U 在n ∈[1，2]區(qū)間存在平滑下降段，此時(shí)為構(gòu)造層數(shù)漸進(jìn)式優(yōu)化實(shí)際結(jié)果。可以看出，當(dāng)n 大于4 時(shí)，材料熱工系數(shù)隨n 增加的劣化程度逐漸減小，為保障結(jié)構(gòu)合理構(gòu)造要求下的隔熱保溫性能，本文推薦n=4 為最優(yōu)構(gòu)造設(shè)計(jì)層數(shù)。

3 建筑用玻璃棉保溫體系優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 熱工試驗(yàn)

為驗(yàn)證本研究所提設(shè)計(jì)理念的有效性，本文利用試驗(yàn)對(duì)比的方法分析相同厚度玻璃棉保溫體系在不同層數(shù)條件下的熱工效果。本實(shí)驗(yàn)在西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展。首先將試驗(yàn)試樣固定于絕溫箱窗口，其外表面粘貼熱敏傳感器，然后通過實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)部均化熱源實(shí)現(xiàn)試樣內(nèi)外溫差，見圖3。考慮玻璃棉受熱變性影響實(shí)驗(yàn)效果，熱源與試樣之間設(shè)置擋板。

圖3 玻璃棉熱工試驗(yàn)裝置

一般而言，測(cè)溫裝置測(cè)量單樣本熱工效率時(shí)，極易受溫控環(huán)境影響，即非測(cè)量樣本在場(chǎng)加熱過程中極易對(duì)測(cè)量樣本熱工計(jì)量結(jié)果造成影響。因此，為避免環(huán)境因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，同批試驗(yàn)設(shè)置未安裝熱源的對(duì)比組試驗(yàn)[9]。

根據(jù)第2 節(jié)理論分析結(jié)果，本次實(shí)驗(yàn)保溫材料厚度取100mm。眾所周知，疊合層熱工效率與其層數(shù)成正比，但層數(shù)越多，加工工藝越繁雜，造價(jià)成本越高。目前已有研究表明，常規(guī)環(huán)境下，建筑隔熱保溫層一般考慮雙層構(gòu)造即可。但對(duì)于高原強(qiáng)輻照環(huán)境，雙層構(gòu)造一般無法達(dá)到需要的隔熱保溫效果，基于此，本文將疊合層構(gòu)造增擴(kuò)至4 層，即保溫材料等分層數(shù)n 分別取1、2、3、4。

室內(nèi)輻照試驗(yàn)輻照角度采用正角入射，輻照量范圍為200～7 000MJ/m2，并結(jié)合拉薩地區(qū)近十年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，按照全天等效折減施加，24h 為一個(gè)周期。試驗(yàn)開始時(shí)，輻照裝置置于試驗(yàn)裝置內(nèi)中心部位，測(cè)試片安裝于側(cè)墻設(shè)置孔，輻照全過程采用熱敏傳感器測(cè)量其導(dǎo)熱數(shù)據(jù)，并記錄于測(cè)量軟件。需要說明的是，為保障測(cè)量數(shù)據(jù)精度，實(shí)驗(yàn)前，安裝完試件后，需先對(duì)熱工裝置進(jìn)行升溫預(yù)處理。采用裝備自帶升溫系統(tǒng)預(yù)加熱，持續(xù)10min～15min。然后開啟熱敏裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取記錄。

3.2 層數(shù)對(duì)保溫體系熱工效率影響

一般而言，由于偏斜角因素，太陽輻照量隨時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)形式下降。而室內(nèi)試驗(yàn)無法考量偏斜角因素，故試驗(yàn)結(jié)果往往與實(shí)際條件存在偏差。目前，修正室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M太陽輻照誤差的方法較多，如系數(shù)折減法、參量代換法、最小值剔除法以及參變量迭代。前三種方法在計(jì)算時(shí)將宏觀偏差換算為總輻照量百分比，利用各種系數(shù)參量進(jìn)行修正，易于操作，但誤差修正效果十分有限。而參變量迭代則是將各時(shí)間步計(jì)量誤差微分處理，結(jié)果修正時(shí)通過迭代方式對(duì)誤差進(jìn)行精確化計(jì)量，從而對(duì)其修正，因此具有操作效率高、誤差控制徹底等優(yōu)點(diǎn)。

考慮太陽輻照溫度隨時(shí)間的變異性，本實(shí)驗(yàn)采用參變量迭代法，對(duì)實(shí)驗(yàn)熱源溫度進(jìn)行周期性調(diào)節(jié)。不同設(shè)計(jì)參數(shù)試樣在熱源作用下的外側(cè)溫度采集結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同n 條件下保溫體系熱工測(cè)量結(jié)果

由圖4 可見，隨著試驗(yàn)輻照量增加，監(jiān)控隔熱保溫層瞬時(shí)溫度的熱敏數(shù)據(jù)逐漸增加。其中，約夜間22:00～ 3:00 時(shí)間，熱工效率最低，且疊合層層數(shù)越多，熱敏最低值越延遲。其原因可解釋為由于該時(shí)間段輻照量低所致，且隔熱保溫層數(shù)越多，疊合層熱工效率越高，因此溫度最低點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間越滯后。

另外，雖然該保溫體系熱工指標(biāo)隨熱源溫度而改變，但變化幅度均較小，即該體系熱工能力良好。同時(shí)，隨著保溫材料層數(shù)的增加，其外部測(cè)量值逐漸降低，當(dāng)n 由單層依次增加為4 層，溫度傳感器測(cè)量平均值依次降低7.8%、9.6%、0.4%，即保溫層總厚度不變的條件下，隨著n 的增加，熱工能力增幅逐漸下降，這與理論分析結(jié)果一致，說明本文針對(duì)建筑鋼屋蓋隔熱保溫體系的優(yōu)化方法具有工程推廣與應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

（1）建筑隔熱保溫層熱工能力受材料孔隙尺寸ε 與分布密度δ 影響顯著，但受材料加工工藝影響，其影響程度十分有限。

（2）鋼屋蓋保溫層設(shè)計(jì)形式對(duì)其熱工能力影響較大，隨著等分層數(shù)n 的增大，隔熱體系保溫隔熱能力逐漸降低，且降低幅度隨層數(shù)的增加逐漸減小，最優(yōu)層數(shù)理論值為4 層。

（3）通過對(duì)比等厚玻璃棉不同層數(shù)的熱工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著隔熱保溫層體系層數(shù)n 的增加，其熱工能力退化程度不斷弱化，當(dāng)層數(shù)增加至4 層時(shí)，熱工能力退化幅度達(dá)17.8%，增加厚度可顯著提高保溫體系隔熱保溫效果。

（4）當(dāng)n 由單層依次增加為4 層，溫度傳感器測(cè)量平均值依次降低7.8%、9.6%、0.4%，即保溫層總厚度不變條件下，隨著n 增加，熱工能力增幅逐漸下降，這與理論分析結(jié)果。