多孔介质保温材料复合比例对传热及流动性能影响研究*

李 冉，曹 明，王 健，张 微，李建业

（沈阳城市建设学院市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110167）

1 研究背景与意义

自20 世纪80 年代以来，我国不断开展建筑节能技术研究和推广应用，目前我国外墙保温行业处于加速发展阶段［1］。基于我国400亿m2的既有建筑中，高达95%以上为高能建筑；根据中国建筑能耗研究报告（2020）成果显示：建筑能耗占能源消费总量46.5%。由此可见，建筑节能地实施与推行势在必行。我国建筑节能应用认为保温材料是以减少热损失为目的，当平均温度≤350 ℃时，导热系数＜0.12 W/（m·K）的材料即为保温材料；在一般建筑领域，认为当温度＜常温（20℃）时，导热系数＜0.233 W/（m·K）的材料即为保温材料。当前，投入使用的保温材料有无机材料和有机材料两种。无机材料以岩棉板使用最多，有机材料以聚苯乙烯板（EPS）应用最广［2］。近些年，EPS 凭借其质量轻及优越的保温隔热、吸声性能迅速占领我国保温材料最大市场，但随着批量化生产，其劣势日益显现。即EPS 抗火灾性能差、与建筑物不同寿命、环境污染、工程造价高、与砖墙难结合、易变性、污染环境等不可逆转的缺点，因此无法应用于密集建筑及高层建筑。无机材料在国外应用较广，在我国市场占有率较低［3］，其与有机材料相比，保温性能稍弱、容重偏大、占地面积较大，但凭借其不燃特性、与建筑物同寿命、环保无污染、造价低、施工方便、抗压抗拉能力较好等显著优势，也逐渐得到市场认可，发展前景良好。

综上分析，当前外围护结构的保温模型多局限于上述保温材料的单独使用，而无机保温材料和有机保温材料均存在不可替代的优势和不可忽略的劣势，在保温效果、防火性、稳定性、耐久性等方面，单层多孔介质保温材料很难同时满足各种复杂的热使用工况［4］。当前还没有任何一种材料可以完全弥补上述材料的缺点，考虑我国建筑墙体保温现状，对使用非阻燃型EPS保温材料的既有建筑进行保温层改造，即以EPS有机保温材料为基材，与无机岩棉板保温材料复合使用、功能弥补，但由于两层保温层传热过程较为复杂，建筑工程师在选用围护结构保温材料时多选用单层多孔材料或依据经验选择多孔材料复合使用，并非准确计算出两层保温材料对传热的影响，这使很多建筑保温材料出现耗能、耗材、隔热能力不达标等现象。因此，研究多孔介质复合比例对传热及流动性能的影响规律，并将其合理应用于建筑外墙体保温材料地设计、维护和使用过程中地强化和削弱传热工程具有实际意义和社会效益［5］。

2 复合保温材料模型依据

经对沈阳市既有建筑走访调研，常见的墙体保温结构层可简化为如图1所示模型，根据实际选取的保温层材质具体对图1（左）界面层处做适当调整。为探究以EPS 为保温层基材，与岩棉板进行复合使用所产生的传热影响（材料参数见表1所列），仅通过调整材料比例对岩棉板-EPS复合保温板进行传热分析，不考虑刚度、强度、含水性等力学化学性质。考虑变量仅为保温层材质时，可简化为研究保温层传热问题，具体如图1（中）所示；又因温度梯度仅沿保温层厚度方向变化，故可进一步简化计算模型为一维平板稳态问题，具体如图1（右）所示。

表1 复合保温层的材料参数

图1 保温墙体结构层及材料复合比例为2∶1时复合保温层

3 数值模型热物性参数处理方法

数值模型按复合多孔介质以自然接触的方式进行建立，与EPS保温层（或岩棉板保温层）相比，复合的多孔介质中不同多孔介质层的热物性参数、空间结构阻力等参数存在阶跃情况，具体参数对比见表2所列。

表2 保温模型内参数对比分析

4 复合材料传热性计算分析

考虑我国北方冬季室内外温差随季节性变化，及公共建筑节能设计标准中对五个气候分区围护结构传热系数地要求［6］，在重力加速度 g=9.8 N/kg 常规情况下，对长1 200 mm、厚60 mm规格的EPS保温层，EPS与岩棉板厚度按2:1、1:1、1:2比例进行复合的保温层及岩棉板保温层共五种保温模型进行热流场对比分析，具体如图2（无量纲温度图）、图3（流线分布图）所示。以Dt=20 ℃为例进行说明：从等温线分布形式及疏密程度可知，五种保温层的传热方式均以导热为主；EPS保温模型内等温线最稀疏，热流密度最小，证明导热能力最弱，即保温性最强；EPS与岩棉板厚度按2∶1、1∶1、1∶2比例进行复合的模型中，等温线逐渐密集，热流密度逐渐增加，导热能力依次提升，即保温性较EPS保温模型稍有减弱；岩棉板保温模型内部的等温线最密集，热流密度最大，证明导热能力最强，即保温性最弱。观察五组保温模型内流场分布可知，流体流动区域集中在岩棉板内部，EPS内部几乎没有对流发生，这是由于岩棉板内部为开孔结构、EPS内部为闭孔结构导致的；随着保温层岩棉板所占复合比例提升，复合保温层内部最大流函数变大。

图2 无量纲温度图

图3 流线分布图

5 复合材料导热系数随复合比例变化关系

通过上述分析结论，五种保温层模型内的主要传热方式均为导热，故对上述五种保温层模型的传热系数按导热系数进行计算，考虑保温层温度梯度仅沿厚度方向发生变化，故导热系数可按多层平壁导热系数计 算 公 式 ： k-1= δ1·（δ·k1）-1+ δ2·（δ·k2）-1；其 中k1、k2、k 分别代表EPS导热系数、岩棉板导热系数、复合保温层总导热系数；δ1、δ2、δ 分别代表EPS厚度、岩棉板厚度、复合保温层总厚度。导热系数随复合保温层岩棉板所占比例变化，如图4 所示。由图4 可知，岩棉板所占比例越大，复合保温层导热系数越大，传热效果越好，保温性越差，但复合导热系数k控制在两种材料导热系数之间，即k1

图4 导热系数随复合比变化图

6 结论

通过数值模拟方法，对水平热加载时不同复合比例对纵向复合的多孔介质内传热和流动影响进行实例应用分析，得出了多孔介质复合比例对传热及流动性能影响的规律，结论如下：

（1）岩棉板、EPS保温层中传热方式均以导热为主；在常规情况下，岩棉板内部开孔结构会产生微弱地对流；EPS闭孔结构致使内部流体无流动，导热是唯一的传热方式；

（2）复合保温层中的传热方式以导热为主；复合导热系数控制在两种材料导热系数之间，即0.036

（3）复合多孔介质模型地提出及多孔介质保温材料复合比例对传热及流动性能影响地研究，可以解决无机保温材料或有机保温材料，在单一材料使用于建筑保温时，保温效果、防火性、稳定性、耐久性等方面无法同时兼顾各种复杂热使用工况的难题。