東北地區建筑外墻保溫材料性能分析

摘要：文章研究了東北地區建筑外墻保溫材料選型問題，分析了常用保溫材料的優缺點，討論了建筑物外墻保溫熱傳遞機理，構建了外墻保溫熱傳遞模型，利用有限元分析對各型保溫材料進行模擬分析與實例分析，結果表明巖棉板和玻璃棉在隔熱性能上更適應東北地區環境。測試結果可以作為東北地區外墻保溫材料選取提供的依據。

關鍵詞：建筑材料;外墻保溫;熱傳遞;有限元分析

中圖分類號：TU55

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）08-0060-04

Performance Analysis of Building Exterior Wall Insulation inNortheast China

ZHANG Xiang

（Ningbo Construction Engineering Group Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315040.China）

Absrtact ： The selection of insulation materials for building exterior walls in Northeast China is studied.Firstly，theadvantages and disadvantages of common insulation materials are analyzed.Then，the heat transfer mechanism ofbuilding insulation is discussed.and a heat transfer model for exterior wall insulation is constructed.Finally，AN-SYS was used to perform simulation analysis and case analysis on various types of insulation materials.The resultsshow that rock wool board and glass wool are more suitable for the Northeast environment in terms of heat insula-tion performance.The test results can be used as a basis for the selection of extemal wall insulation materials inthe Northeast.

Key words ： building materials;exterior wall insulation;heat transfer;finite element analvsis

0引言

我國東北大部分地區屬于嚴寒地帶，冬季低溫天氣持續很長，建筑物外墻保溫材料必須注重提高冬季供暖效果[1-2]。隨著居民對室內溫度需求的不斷提升，建筑冬季供暖的能源消耗不斷增加。因此，科學選擇東北地區建筑物外墻保溫材料是一個值得研究的問題[3]。

對于建筑物外墻保溫材料的使用，一些國家均已經或正在制定相關的地區標準與規范，學者們也開展了外墻保溫材料保溫性能的研究[4]。文獻[5]對國內外保溫材料的現狀和發展趨勢進行了綜述，并指出了建筑物保溫材料必須要注重抗火性;文獻[6]對比分析了秸稈基保溫材料和發泡聚苯乙烯保溫材料的能耗與經濟效益;文獻[7]論述了巖棉不燃保溫材料在我國外墻保溫中存在的問題，并提出了制造改善方案;文獻[8]提出了一種新的復合自保溫砌塊制備方案，能夠在保溫性能不變的前提下，降低建筑物墻體厚度。為給東北地區建筑物外墻保溫選型提供依據，本文研究了我國東北地區常用建筑物外墻保溫材料的保溫性能。

1保溫材料性能分析

目前，應用于建筑物外墻保溫的材料種類很多，按照材料的成分可以分為有機保溫材料和無機保溫材料2類。

常用有機保溫材料有聚苯乙烯保溫板和聚氨脂泡沫塑料保溫板，其中聚苯乙烯保溫板又可以分為發泡聚苯乙烯保溫板（EPS板）和擠塑聚苯乙烯保溫板（XPS板）。表1給出了這2種有機保溫材料的性能比較。

無機保溫隔熱材料有巖棉、玻璃棉和泡沫玻璃，表2給出了無機保溫材料的性能比較[9]。

2建筑保溫熱傳遞建模

熱傳遞是出現在兩個存有溫度差物體之間的一種物理現象。建筑物外墻保溫的主要任務是盡量抑制室內外的熱傳遞。熱傳遞的實質是導熱、對流以及各種熱輻射。由于室內外溫差處于不斷變化之中，建筑物外墻中會不斷進行導熱、對流以及各種熱輻射。

2.1熱傳遞機理

2.1.1導熱

導熱是建筑物的基本熱傳遞現象，其原因是2個物體之間存在溫度差。導熱現象普遍存在于氣體、液體和固體中，是引發建筑熱量流失的主要因素[10]。

導熱的具體過程可以描述為熱流從溫度高的一方導向溫度低的一方。令墻體厚度為d，室內和室外的溫度分別為θ1和θ2，假設室內溫度高于室外溫度，則單位時間單位面積墻體的熱傳遞可以表示為：

q=λ（θ1-θ2） /d

（1）

其中表示建筑物外墻材料的導熱系數。

2.1.2對流

對流是指物體之間冷流與熱流的相對運動而產生的熱傳遞現象，其本質是分子的相對運動。墻體與流體之間因對流而出現的熱傳遞是建筑熱流失的影響因素之一。單位面積單位時間內由于對流引發的熱傳遞可以表示為：

qe=αe（θ-t）

（2）

其中，αe表示對流的換熱系數，θ表示建筑物墻體表面溫度，t表示空氣溫度。

2.1.3熱輻射

熱輻射是一種無需接觸的熱傳遞方式。任何物體表面只要具有一定的溫度，就會向外輻射熱量。也就是說，只要物體的溫度高于絕對零度，就會向外輻射熱量。因此，建筑物的外墻也會向周邊輻射熱量。

2.2熱傳遞模型

建筑外墻傳熱系數可以表示為：[10]

K=

（3）

其中Ri和Re分別表示建筑內表面換熱阻和建筑外表面換熱阻（單位為m·K/W），R表示建筑圍護結構的熱阻：

R=δ / λ

（4）

式中，δ表示建筑物外墻的厚度，λ表示建筑物外墻材料的導熱系數。

建筑物外墻的熱傳遞計算公式為：

q=

其中，θi表示建筑物外墻內表面溫度，θe表示建筑物外墻外表面溫度，R1、R2和分別表示建筑物外墻的第1層、第2層和第3層熱阻。

3保溫性能仿真分析

為了測試各型保溫材料對東北地區建筑外墻的適應性，基于有限元分析軟件對東北地區建筑外墻保溫材料的隔熱性能進行模擬分析與實例分析，分析結果作為東北地區建筑物外墻選擇保溫材料的依據。各型保溫材料選型為：EPS板為廊坊澤博保溫材料有限公司生產，導熱系數0.37W/m·K;XPS板為河北華克斯絕熱材料有限公司生產，導熱系數0.29W/m·K;聚氨酯板為濟南迪拜爾環保材料有限公司生產，導熱系數0.18W/m·K;巖棉為天津佳好保溫材料有限公司生產，導熱系數0.038W/m·K;玻璃棉和泡沫玻璃均為廊坊康能保溫材料有限公司生產，導熱系數分別為0.032W/m·K和0.05W/m·K.

3.1模擬分析

為了有效評價各型外墻保溫材料對東北地區環境的適應性，采用ANSYS軟件對各種保溫材料的建筑物外墻溫度分布和熱流率進行模擬。模擬建筑物外墻墻高3.4m。不失一般性，在模擬過程中做出如下假設：建筑物外墻材料均勻，且符合各項同性，各材料層間的接觸十分理想，不考慮材料間的熱阻，太陽等輻射體的熱效應不考慮。東北地區室內采暖溫度設置為19℃，室外溫度設置為-20℃，空氣相對濕度設置為65%，外墻的內表面導熱系數設置為9.2W/m·K，外墻的外表面導熱系數設置為24W/m·K，房間內空氣的露點溫度為10.5℃，采用外墻外保溫技術，各型保溫材料的保溫性能模擬結果如表3所示。

如果外墻內表面的最低溫度低于房間內空氣的露點溫度，則建筑物外墻會出現結露，可能會引發外墻損壞。表3的模擬結果表明，各型保溫材料的外墻內表面的最低溫度均高于房間內空氣的露點溫度，這說明，在東北地區嚴寒地帶，各型保溫材料在熱橋均不會出現結露，不會引發建筑物外墻損壞。模擬結果還表明，EPS板的總熱流量損失最多，巖棉熱流量損失最少，這說明在從總熱流量損失的角度，巖棉的適應性最強。從外墻熱流量的角度，外墻熱流量占比最低的是泡沫玻璃，最高的是玻璃棉，這說明泡沫玻璃的外墻熱流量性能最佳。

3.2實例分析

為了進一步測試不同外墻保溫材料的熱工性能，基于某建筑結構構建了4個實例分析模型，保溫技術均采用保溫砂漿式外保溫，墻體填充300mm空心磚，熱橋處噴涂80mm厚聚氨酯硬泡，4個實例分別采用巖棉板、玻璃棉、泡沫玻璃和聚氨脂板。空心磚的導熱系數設置為0.24W/m·K，空氣相對濕度、外墻的內外表面導熱系數保持不變。基于ANSYS操作界面，分別按照參數對實例1到實例4進行建模，按照文中構建的保溫材料熱傳遞計算方式，輸入溫度參數，進行模型求解。實例1到實例4的溫度分布圖如圖1所示。

由圖1給出的模型分析結果可知，經過ANSYS模擬分析，4個實例的內墻均顯示為紅色，表明溫度均高于19℃，圖1（a）為采用巖棉板的內墻表面溫度最小值為19.853℃，圖1（b）為采用玻璃棉的內墻表面溫度最小值為19.207℃，圖1（c）和圖1（d）分別為采用泡沫玻璃和聚氨脂板的內墻表面溫度最小值分別為19.459℃和19.170℃。模型分析結果說明4種保溫材料均能夠適應東北地區冬季外墻保溫需求，保溫效果由高到低的排序為巖棉板、泡沫玻璃、玻璃棉和聚氨脂板。并且，觀察溫度分布圖可知，4個實例在熱橋影響區域均出現了拐點，但溫度變化較為平緩，對外墻保溫效果的影響不大，這與理論分析保持一致。

4結語

研究了東北地區建筑物外墻保溫材料的保溫性能，分析了各種建筑外墻保溫材料優缺點，構建了建筑物外保溫熱傳遞的計算模型，并結合東北地區環境，利用ANSYS對各型保溫材料的保溫性能進行了模擬分析與實例分析。研究結果能夠為東北地區建筑物外墻保溫材料的選擇提供參考與借鑒。

參考文獻

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收稿日期：2020-01-10

作者簡介：張翔（1972-），男，安徽廬江人，碩士學位，高級工程師，研究方向：建筑施工。