墻體保溫材料傳熱系數(shù)分析

1、<p>　　墻體保溫材料傳熱系數(shù)分析</p><p>　　摘要：墻體保溫材質(zhì)直接決定了墻體的保溫效果。筆者以分別采用發(fā)泡聚苯乙烯，擠塑聚苯乙烯和聚氨酯泡沫作為保溫材料的外墻保溫結(jié)構(gòu)為例，分析了不同保溫結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞: 學(xué)習(xí)模型保溫材料系數(shù) 探討分析結(jié)果 </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：{TE867} 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編

2、號(hào)： </p><p>　　1 瞬態(tài)熱濕耦合傳遞的數(shù)學(xué)模型 </p><p>　　假設(shè)墻體內(nèi)的瞬態(tài)傳熱傳濕為一維，沿墻體厚度方向，由能量守恒和質(zhì)量守恒定律可得［11］ </p><p>　　:式中ρ 為材料的密度，kg /m3 ; cp為定壓比熱，J / ( kg?K) ; λ 為導(dǎo)熱系數(shù)，W/ ( m?K) ; hlv為蒸發(fā)潛熱，J /kg; δp為材料的水蒸汽擴(kuò)

3、散系數(shù)，kg / ( m?s?Pa) ; T為溫度，K; φ 為相對(duì)濕度，% ; ps為飽和水蒸汽分壓力，Pa; w 為含濕量，kg /m3 ; Dφ為液體傳導(dǎo)系數(shù)，kg /(m?s) 。 </p><p>　　式中，α0和αN分別為墻體內(nèi)表面與室內(nèi)環(huán)境、墻體外表面與室外環(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù)，W/ ( m2?K) ;βP0，βPN分別為墻體內(nèi)表面與室內(nèi)環(huán)境、墻體外表面與室外環(huán)境的對(duì)流傳濕系數(shù)，s /m; λ0和λN

4、分別為墻體內(nèi)表面材料層、外表面材料層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/ ( m?K) ; 下標(biāo)in 和out 分別為室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境。 </p><p><b>　　初始條件: </b></p><p>　　由上述方程求出墻內(nèi)的溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)，若室內(nèi)側(cè)壁面x = 0，則通過(guò)墻體進(jìn)入室內(nèi)的熱流密度為: </p><p><b>　　2 材料物性 <

5、;/b></p><p>　　2. 1 保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù) </p><p>　　宏觀(guān)上保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)與下列因素相關(guān):保溫材料的密度、溫度、濕度、使用年限。因此保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)可表示為下列形式［12］:式中，λref，dry </p><p>　　(ρ) 干燥材料在參考溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，與材料密度有如下關(guān)系［12］:對(duì)于XPS 和PU 而言，式( 12)

6、 中b = 0，c = 0fT為溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)，1 /K; fm為濕度轉(zhuǎn)換系數(shù); fa為老化系數(shù)。 </p><p>　　2. 2 保溫材料的水蒸汽擴(kuò)散系數(shù) </p><p>　　保溫材料的水蒸汽擴(kuò)散系數(shù)表征了水蒸氣在材料中的傳輸能力，可表示為 </p><p>　　其中，μ 為干燥材料的水蒸汽擴(kuò)散阻力系數(shù)，無(wú)因次; δ 為空氣中水蒸汽擴(kuò)散系數(shù)，由空氣溫度和空氣壓力確

7、定［11］: </p><p>　　2. 3 保溫材料的液體傳導(dǎo)系數(shù) </p><p>　　保溫材料的液體傳導(dǎo)系數(shù)表征了多孔材料中液體傳輸能力，可表示為［11］: </p><p>　　其中μ* ( φ) 為材料吸濕后的水蒸汽擴(kuò)散阻力系數(shù)，無(wú)因次。 </p><p>　　3 控制方程的求解 </p><p>　　采用內(nèi)

8、節(jié)點(diǎn)法對(duì)厚度為H 的墻體進(jìn)行區(qū)間［0，H］內(nèi)的網(wǎng)格劃分，距離步長(zhǎng)為dx，如圖1 所示，m，1，2，3，4…n，e 分別為第m 個(gè)，第1 個(gè)，第2 個(gè)…第n個(gè)，第e 個(gè)節(jié)點(diǎn); ?。?，x1］為0. 5dx，［xn，xe］為0. 5dx。 </p><p>　　圖1 墻體的網(wǎng)格劃分示意圖 </p><p>　　將式( 1) 和( 2) 右邊的二階偏導(dǎo)展開(kāi)，通過(guò)相似分析，忽略量級(jí)較小的項(xiàng)，分別對(duì)

9、時(shí)間步長(zhǎng)和距離步長(zhǎng)積分并展開(kāi); 對(duì)于式( 3) ～ ( 6) 的邊界條件，采用補(bǔ)充邊界節(jié)點(diǎn)代數(shù)方程的方法; 對(duì)于多層墻體結(jié)構(gòu)層與層之間的邊界處理，采用界面上熱流密度連續(xù)的原則求出層間界面上的溫度和濕度。數(shù)值模擬過(guò)程如圖2 所示。 </p><p>　　圖2 數(shù)值計(jì)算流程圖 </p><p>　　4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及討論 </p><p>　　4. 1 墻體結(jié)構(gòu)及材料物

10、性參數(shù) </p><p>　　以EPS、XPS 和PU 等三種常用保溫材料為例分別進(jìn)行熱阻蛻變對(duì)墻體傳熱系數(shù)的影響計(jì)算。墻體結(jié)構(gòu)如圖3，各組成層計(jì)算的基本參數(shù)列于表1［13-15］。其中EPS、XPS 和PU 的熱阻蛻變由熱阻衰減曲線(xiàn)［14］( 圖4 和圖5) 擬合出式(11) 中的參數(shù)fa，文獻(xiàn)［14］定義的材料熱阻保留率為λref，dry /λ。石膏板、混凝土磚、石灰砂漿的厚度分別為: δ1 = 10mm，

11、</p><p>　　δ2 = 240mm，δ4 = 10mm。 </p><p>　　圖3 墻體結(jié)構(gòu)各組成層 </p><p>　　圖4 PU 熱阻值衰減曲線(xiàn)［14］ </p><p>　　表1 墻體各層材料基本物性參數(shù)［13-15］ </p><p>　　設(shè)墻體的設(shè)計(jì)傳熱系數(shù)U = 0. 5W/ ( m2?K) ，

12、室內(nèi)外與墻表面對(duì)流換熱系數(shù)分別取: α0 = 6. 77W/( m2?K) ，αN = 23. 92W/ ( m2?K) 。根據(jù)墻體傳熱系數(shù)穩(wěn)態(tài)計(jì)算公式: </p><p>　　可得相應(yīng)的保溫材料的厚度分別為δ3，EPS = 54mm、δ3，XPS = 39mm、δ3，PU = 38mm。 </p><p>　　4. 2 計(jì)算結(jié)果及分析 </p><p>　　采用上

13、海典型氣象年數(shù)據(jù)［16］，室外氣象參數(shù)包括室外逐時(shí)溫度、相對(duì)濕度和各朝向太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。室內(nèi)空氣溫度26℃、相對(duì)濕度為50%。初始條件設(shè) </p><p>　　圖6 采用不同外保溫墻體，在第1 年的瞬態(tài)熱流密度 </p><p>　　圖7 采用不同外保溫墻體在第2 年的瞬態(tài)熱流密度 </p><p>　　圖8 采用不同保溫材料墻體年平均傳熱系數(shù)蛻變 </p>

14、;<p>　　圖6 和圖7 分別是計(jì)算開(kāi)始第1 年和第2 年6月15 日～ 9 月15 日通過(guò)墻體的瞬態(tài)熱流密度。比較圖6 和圖7 可以看出，采用EPS 作為保溫材料的墻體熱流密度在第2 年有明顯增加，這是由于EPS的熱阻在吸濕后衰減迅速。 </p><p>　　圖8 為墻體的年平均傳熱系數(shù)曲線(xiàn)，可以看出，采用PU 和XPS 的外墻保溫結(jié)構(gòu)在使用20 年后的傳熱系數(shù)有不同程度增加，其中采用XPS 的

15、外墻保溫結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)增加相對(duì)最小，其次是PU，EPS增加較大。在參考溫度和干燥情況下，PU 的導(dǎo)熱性能優(yōu)于XPS，但由于PU 材料的親水性分子結(jié)構(gòu)，PU 的導(dǎo)熱系數(shù)受溫度和濕度的影響比XPS 要大。這點(diǎn)由兩種材料的物性參數(shù)可以看出，PU 的濕擴(kuò)散阻力系數(shù)為88. 93，而XPS 的濕擴(kuò)散阻力系數(shù)為170. 56。因此，PU 比XPS 更易吸濕; 同時(shí)PU 和XPS 的濕度轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為6 和2. 5，相對(duì)而言濕度對(duì)PU 的影響比對(duì)XP

16、S 的影響要大。周期性的溫濕度循環(huán)使得PU 在長(zhǎng)期使用后的熱阻值衰減較XPS 明顯。在參考溫度和干燥情況下EPS 的導(dǎo)熱系數(shù)大于PU 和XPS，而其密度小于PU 和XPS，濕擴(kuò)散阻力系數(shù)較小( 73. 01) ，盡管EPS 的濕度轉(zhuǎn)換系數(shù)介于PU 和XPS 之間，但式( 11) 中exp［fmw / ρ］fa項(xiàng)的幾個(gè)參數(shù)共同作用，其結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)使得其在長(zhǎng)期使用后熱阻值衰減較大，從而造成采用EPS 的墻體在20 年后傳</p>

17、;<p><b>　　5 結(jié)論 </b></p><p>　　本文基于耦合熱濕傳遞模型及保溫材料的熱阻蛻變測(cè)試數(shù)據(jù)，提出了長(zhǎng)期熱濕循環(huán)條件下外保溫墻體傳熱系數(shù)的預(yù)測(cè)方法。通過(guò)編程對(duì)外保溫墻體的熱濕過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，在模型中考慮了保溫材料的物性蛻變。以EPS、XPS 和PU 三種保溫材料分別用于外保溫墻體為例預(yù)測(cè)了墻體在20 年實(shí)際氣候環(huán)境中的傳熱系數(shù)變化。通過(guò)以上研究得出以下

18、結(jié)論: </p><p>　　(1) 在建筑設(shè)計(jì)的初始階段，選取保溫層的厚度時(shí)，通常以保溫材料在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)定的導(dǎo)熱系數(shù)為計(jì)算依據(jù)，不考慮實(shí)際氣候下周期循環(huán)的熱濕耦合環(huán)境對(duì)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的蛻變影響。本文的計(jì)算分析表明，采用不同性質(zhì)保溫材料的外墻保溫結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用后，其傳熱系數(shù)有不同程度增加，因此，外墻保溫結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用后的實(shí)際傳熱量將大于設(shè)計(jì)計(jì)算的傳熱量。 </p><p>　　(2)