板材保温系统墙体的传热分析

引言

随着国家节能减排进程的推进，节能型墙体的应用越来越普遍，目前应用比较普遍的保温墙体主要包括胶粉聚苯颗粒浆料系统墙体、膨胀聚苯板系统墙体、无机轻集料砂浆系统墙体和挤塑聚苯乙烯泡沫板保温系统墙体。以上前三种保温系统墙体都有相关的国家或者行业标准，但是挤塑聚苯乙烯泡沫板保温系统墙体相关的国家和行业标准还是空白。因此为了加深对挤塑聚苯乙烯泡沫板保温系统墙体的研究以便为挤塑聚苯乙烯泡沫板保温系统墙体标准的制定提供一定的借鉴，有必要对挤塑聚苯乙烯泡沫板保温系统墙体进行传热机理的研究，并与模塑聚苯乙烯泡沫板保温系统墙体进行比较。

1 墙体传热的数学模型

根据传热学理论墙体导热的控制方程为式1所示：

式中，表示材料密度，表示材料的比热容，表示当前温度值，表示时间，表示材料沿x，y，z方向的导热系数。其中P、C、Kx、Ky、Kz都随温度变化。该式需要定义边界条件和初始值方可求解。

2 保温系统墙体模型的建模

聚苯乙烯泡沫塑料是以聚苯乙烯树脂或其共聚物为主要成分，添加少量添加剂，通过加热挤塑成型而制得的具有闭孔结构的硬质泡沫塑料。聚苯乙烯泡沫板相对于其它无机的保温材料具有质量轻、保温效果好和吸水率低等特点，因此十分适合用作外墙的保温材料。而挤塑聚苯乙烯泡沫板相对于膨胀聚苯板具有抗压强度高、吸水率低和导热系数小等优点，因此从性能上来说挤塑聚苯乙烯泡沫板要优于模塑聚苯乙烯泡沫板。本论文将利用有限元软件ansys对挤塑聚苯乙烯泡沫板保温系统墙体进行传热模拟，以便分析墙体内部的传热机理。

Ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN,Alogor, I－DEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。其主要的分析流程如下图1所示：

本论文将利用ansys软件中的热分析模块，分别构建一维的挤塑聚苯乙烯泡沫板外保温系统墙体、挤塑聚苯乙烯泡沫板内保温系统墙体、模塑聚苯乙烯泡沫塑料外保温系统墙体和模塑聚苯乙烯泡沫塑料内保温系统墙体的传热模型，分析墙体内部结构的温度场变化，并将四种墙体的保温效果进行比较和分析。

墙体模型构造如表1和表2所示：

保温墙体的外表面温度取夏热东暖地区冬季的典型室外温度，墙体的内表面设为25℃。模型运行过程可分为两个步骤，第一个步骤为稳态分析阶段，在该阶段利用外界初始温度和墙体内表面生成稳定的墙体内部温度场，第二个步骤为瞬态分析阶段，随着墙体外表面温度的变化，墙体内部的温度场必将产生变化，并存在高温区往低温区传热的过程。在第二个阶段中保温性能的好坏决定了墙体的传热快慢和温度场分布。从内墙面到外墙面选取墙体内部五个节点读取变化的温度。

3 墙体内部温度场的分析

以下为四种墙体在同样的环境温度条件下墙体内部的温度场变化。图2至图5中的曲线从上到下表示从内墙面到外墙面墙体内部各点的温度变化曲线。

通过图2和图3中挤塑板外保温墙体和模塑板外保温墙体的传热的模拟可以发现，挤塑板作为外保温材料时墙体内部的温度变化较为平缓，这是因为挤塑板的导热系数比较小，在相同的温差条件下，所传递的热量比模塑板要小，因此，用挤塑板作为外保温材料可以比模塑板起到更好的保温效果，另外，墙体内部温度的变化率随着板材的保温性能的增强而变小，这可以最大限度的防止墙体无机材料因为温度较高的变化率而产生收缩或崩裂，对墙体的稳定性起到一定的帮助。

图1 ansys有限元分析流程图

表1 墙体构造

表2 材料物理性能

图2 摸塑板外保温系统墙体温度变化

图3 挤塑板外保温系统墙体温度变化

图4 挤塑板内保温系统墙体温度变化

图5 摸塑板内保温系统墙体温度变化

从图4和图5内保温系统墙体内部的温度变化曲线可以发现，墙体内部各点的温度与外表面的温度变化基本一致。无论是摸塑板还是挤塑板墙体，保温效果均不理想。这是因为当板材作为内保温使用时，导热系数较大、热容较小的无机材料与外界空气接触，无机材料内部的传热主要由毛隙孔中的空气对流传热和无机材料的导热完成，这会导致墙体基层的无机材料部分受外界温度的变化影响很大，从而直接影响到了墙体内侧保温板的保温效果。

4 影响墙体保温效果的因素

以上的模型分析是建立在理想状态下的传热模拟，但在实际应用中，墙体的保温性能受到自身构造和各种环境因素的影响。虽然聚苯乙烯板的吸水率比较的低，通常在0.5%至6%之间，但是由于水的导热性能良好且容易导致对流传热，因此当聚苯板作为外保温受潮时将具有一定的含水率，由此对保温性能产生一定的影响，当聚苯板作为内保温时，外侧的墙体无机材料更容易吸收水分从而极大的影响保温性能。

5 结语

通过以上分析，得出以下结论：挤塑板用作墙体外保温时比起模塑板可以使得墙体内部温度变化更加的平缓；聚苯板外保温系统墙体内部的温度场变化比较平缓，其保温效果比内保温墙体要好。