金属面夹芯板的保温隔热性能分析

李 健，钮瑞艳

(1.中国石油大学(华东) 规划建设处， 山东 东营 247061；2.中国石油大学(华东) 储建学院， 山东 东营 247061)

金属面夹芯板的保温隔热性能分析

李 健1，钮瑞艳2

(1.中国石油大学(华东) 规划建设处， 山东 东营 247061；2.中国石油大学(华东) 储建学院， 山东 东营 247061)

金属面夹芯板作为围护结构而逐渐兴起，但其理论研究较少。为从理论上提高对金属面夹心板性能的了解和研究水平，更好地掌握和利用这一结构，和更合理经济的为社会服务，结合相关试验，对保温隔热性能进行了理论分析。通过对比分析夹心板和常用保温外墙的热工性能，为金属面夹芯板的效果评价提供了理论依据。

外墙保温；夹芯板；传热分析

我国建造和使用建筑物直接或间接消耗的能源已经占到全社会总能耗的46.7%，实现节能建筑刻不容缓。建筑保温隔热材料在我国发展潜力巨大，一是因为我国现有房屋建筑数量巨大，二是因为我国建筑规模庞大，是世界上最大的建筑市场，而国内绝大多数地区现有围护结构的保温隔热功能与气候相近的发达国家相比相差甚远。有关研究表明，使用隔热保温材料的投资仅使建筑成本增加5%～8%，节能住宅增加的建设成本在5～8年的时间内就可通过节能效益收回，经济效益十分可观。由此可见，采用金属面夹芯板等新型建筑围护材料和技术，提高围护结构的热工性能，是我国降低建筑能耗的主要方向之一[1-2]。

1 夹芯板保温性能研究

1.1 热工性能指标

墙体的热工性能是建筑围护结构节能设计的参考依据，其性能参数包括墙体的热阻R或传热系数K、热惰性指标D、密度ρ和比热容C等。墙体热工性能评价主要集中在热阻R和热惰性指标D上。其中，热阻越大，其墙体内外表面平均温度的温差越大，保温隔热效果就越好；而热惰性指标越大，其抵抗外界温度波动的能力就越强，夏季温度波幅的衰减越大，延迟时间越长，室外热作用对室内的干扰越小。这种评价方法在一定范围内具有比较高的准确性。

由2种以上非匀质材料组合而成的围护结构(包括空心砌块、填充保温材料墙体等，但不包括多空粘土空心砖)称为非匀质组合材料层，如图1所示。其平均热阻按下式计算：

(1)

图1 非匀质组合材料层

1.2 保温性能指标

评价建筑物围护结构保温性能的热工指标主要为传热系数(或传热阻)。围护结构的传热系数K的意义是在稳态条件下，当围护结构两侧温度差1 ℃时，在单位时间里通过平壁单位面积的传热量。显然，在同样室内外温差条件下，K值越小，则在单位时间内通过围护结构的传热量越少，所以传热系数K可以说明围护结构在稳定传热条件下的保温性能。

围护结构的传热阻R0是表征围护结构(包括两侧表面空气边界层)阻抗传热能力的物理量，为传热系数的倒数。传热阻越大，则通过围护结构的热量越少，所以传热阻同样是说明围护结构保温性能的重要指标[3-5]。

1.3 隔热性能指标

建筑外围护结构隔热性能的控制指标主要有围护结构内表面最高温度(θi,max)及结构的热惰性指标(D)。θi,max对于不常做此计算的建筑师而言，计算比较繁杂，可操作性差。热惰性指标D是评价隔热性能的重要指标，D与θi,max相比，可大大简化隔热计算，对于设计人员来说，很大程度上增加了可操作性。围护结构的热惰性指标定义为材料层的热阻R与材料蓄热系数S的乘积，用符号D表示：

(2)

式2是单层或多层匀质材料围护结构的热惰性指标计算式。如某层由2种或2种以上材料组成，则称为非匀质材料，应先按下式计算该层的平均热导系数：

(3)

该层的热惰性指标D按下式计算：

(4)

由于热阻表达材料层抵抗热流波的能力，蓄热系数表达材料层抵抗温度波的能力，所以热惰性指标D表达了围护结构抵抗热流波和温度波在材料层中传播的指标。热惰性指标越大，说明外来的热波穿透围护结构需要的时间越长，波动幅度被减弱的程度也越大，墙体热稳定性越好。

可以看出，材料层的热惰性指标D是由材料层的热阻和蓄热系数共同决定的。虽然采用热惰性指标评价隔热性能是一种简化了的评价方法，但是与建筑围护结构的热阻(或传热系数)计算过程相比较，热惰性指标的计算还是比较繁琐的。

1.4 热惰性指标D与材料相关热物理参数的关系

工程实践中，在材料层厚度相同的前提下，若要提高热惰性指标，仅提高热阻或仅选用蓄热系数较高的材料，都不一定能够达到要求。对于建筑围护结构，材料层的热阻R可按下式计算：

(5)

从式5可以看出，对于同种材料，热阻是厚度的单值函数，其计算十分简单。若定义热惰性系数γ=S/λ，那么由式1，热惰性指标D的计算式可变为：

D=γδ

(6)

从式6可以看出，在建筑材料一定的情况下，热惰性指标D是厚度的单值函数，厚度越大，热惰性指标就相应增加，但是，在围护结构厚度一定的情况下，材料的热惰性系数γ越大，热惰性指标也越大，所以，热惰性系数γ能够直接反映建筑材料的热惰性能。热惰性系数γ的引入简化了热惰性指标的计算过程，更加便于工程上对围护结构热惰性指标的设计和材料的引用。

为了研究密度ρ0、导热系数λ、比热容C三者与热惰性能的相关性，分别将矿棉、聚乙烯泡沫板、木材等各种材料的密度和热惰性系数、导热系数和热惰性系数、比热容和热惰性系数的关系在图中表示出来，如图2～图4所示。

图2 ρ0-γ关系

图3 λ-γ关系

图4 C-γ关系

从图2～图4可以看出，密度、导热系数与热惰性系数没有明显的相关性，比热容与热惰性系数存在一定的线性关系。在数值上，通过线性拟合表明，其关系大致可表示为γ=7.61C+5.35。一般情况下，比热容大的建材，相应的热惰性能较好；比热容小的建材，相应的热惰性能较差。

从上述分析可以看出，热惰性系数γ的引入可以进一步简化围护结构隔热计算，更有利于隔热设计以及隔热材料的选用。从材料结构角度来说，质多孔或纤维类材料质轻、热稳定性较差，易受太阳辐射及室内温度波动的影响，内表面温度容易上升，故其隔热性较差。密度、导热系数、比热容作为热惰性系数的3个决定因素，共同决定了围护结构材料的热惰性能，但是比热容与材料热惰性系数有较强的线性相关性，而密度、导热系数与材料热惰性系数的相关性不明显。

2 结语

通过对比分析夹心板与常用保温外墙的热工性能，分析了其保温性能，主要结论如下：1)夹心板材料保温性能很好，但是由于蓄热系数很小，导致整个板的热惰性指标D值很小，隔热性差，即该板抵抗温度波动的能力较弱，温度波穿透围护结构后幅值降低小，而且穿透时间较短；2)热惰性系数γ能够直接反映建筑材料的热惰性能，可以通过引入热惰性系数γ简化围护结构隔热计算，更有利于隔热设计以及隔热材料的选用。

[1]中国建筑科学研究院．建筑保温隔热材料与应用[S].北京: 中国建筑工业出版社，2007．

[2]中国建筑科学研究院．GB 50411—2007 建筑节能工程施工质量验收规范[S]．北京: 中国建筑工业出版社，2007．

[3]王光华. 彩钢夹芯板简介[J]. 油气田地面工程,2001(2):582.

[4]程杰，袁征.外墙保温技术及其节能材料的应用[J].建筑,2008(2):23.

[5]张雄,张永娟.现代建筑功能材料[M]．北京:化学工业出版社，2009.

责任编辑李思文

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，硕士，工程师，主要从事土木工程等方面的研究。

2015-01-13