东北地区建筑外墙保温材料性能分析

摘要：文章研究了东北地区建筑外墙保温材料选型问题，分析了常用保温材料的优缺点，讨论了建筑物外墙保温热传递机理，构建了外墙保温热传递模型，利用有限元分析对各型保温材料进行模拟分析与实例分析，结果表明岩棉板和玻璃棉在隔热性能上更适应东北地区环境。测试结果可以作为东北地区外墙保温材料选取提供的依据。

关键词：建筑材料;外墙保温;热传递;有限元分析

中图分类号：TU55

文献标识码：A

文章编号：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

我国东北大部分地区属于严寒地帶，冬季低温天气持续很长，建筑物外墙保温材料必须注重提高冬季供暖效果[1-2]。随着居民对室内温度需求的不断提升，建筑冬季供暖的能源消耗不断增加。因此，科学选择东北地区建筑物外墙保温材料是一个值得研究的问题[3]。

对于建筑物外墙保温材料的使用，一些国家均已经或正在制定相关的地区标准与规范，学者们也开展了外墙保温材料保温性能的研究[4]。文献[5]对国内外保温材料的现状和发展趋势进行了综述，并指出了建筑物保温材料必须要注重抗火性;文献[6]对比分析了秸秆基保温材料和发泡聚苯乙烯保温材料的能耗与经济效益;文献[7]论述了岩棉不燃保温材料在我国外墙保温中存在的问题，并提出了制造改善方案;文献[8]提出了一种新的复合自保温砌块制备方案，能够在保温性能不变的前提下，降低建筑物墙体厚度。为给东北地区建筑物外墙保温选型提供依据，本文研究了我国东北地区常用建筑物外墙保温材料的保温性能。

1保温材料性能分析

目前，应用于建筑物外墙保温的材料种类很多，按照材料的成分可以分为有机保温材料和无机保温材料2类。

常用有机保温材料有聚苯乙烯保温板和聚氨脂泡沫塑料保温板，其中聚苯乙烯保温板又可以分为发泡聚苯乙烯保温板（EPS板）和挤塑聚苯乙烯保温板（XPS板）。表1给出了这2种有机保温材料的性能比较。

无机保温隔热材料有岩棉、玻璃棉和泡沫玻璃，表2给出了无机保温材料的性能比较[9]。

2建筑保温热传递建模

热传递是出现在两个存有温度差物体之间的一种物理现象。建筑物外墙保温的主要任务是尽量抑制室内外的热传递。热传递的实质是导热、对流以及各种热辐射。由于室内外温差处于不断变化之中，建筑物外墙中会不断进行导热、对流以及各种热辐射。

2.1热传递机理

2.1.1导热

导热是建筑物的基本热传递现象，其原因是2个物体之间存在温度差。导热现象普遍存在于气体、液体和固体中，是引发建筑热量流失的主要因素[10]。

导热的具体过程可以描述为热流从温度高的一方导向温度低的一方。令墙体厚度为d，室内和室外的温度分别为θ1和θ2，假设室内温度高于室外温度，则单位时间单位面积墙体的热传递可以表示为：

q=λ（θ1-θ2） /d

（1）

其中表示建筑物外墙材料的导热系数。

2.1.2对流

对流是指物体之间冷流与热流的相对运动而产生的热传递现象，其本质是分子的相对运动。墙体与流体之间因对流而出现的热传递是建筑热流失的影响因素之一。单位面积单位时间内由于对流引发的热传递可以表示为：

qe=αe（θ-t）

（2）

其中，αe表示对流的换热系数，θ表示建筑物墙体表面温度，t表示空气温度。

2.1.3热辐射

热辐射是一种无需接触的热传递方式。任何物体表面只要具有一定的温度，就会向外辐射热量。也就是说，只要物体的温度高于绝对零度，就会向外辐射热量。因此，建筑物的外墙也会向周边辐射热量。

2.2热传递模型

建筑外墙传热系数可以表示为：[10]

K=

（3）

其中Ri和Re分别表示建筑内表面换热阻和建筑外表面换热阻（单位为m·K/W），R表示建筑围护结构的热阻：

R=δ / λ

（4）

式中，δ表示建筑物外墙的厚度，λ表示建筑物外墙材料的导热系数。

建筑物外墙的热传递计算公式为：

q=

其中，θi表示建筑物外墙内表面温度，θe表示建筑物外墙外表面温度，R1、R2和分别表示建筑物外墙的第1层、第2层和第3层热阻。

3保温性能仿真分析

为了测试各型保温材料对东北地区建筑外墙的适应性，基于有限元分析软件对东北地区建筑外墙保温材料的隔热性能进行模拟分析与实例分析，分析结果作为东北地区建筑物外墙选择保温材料的依据。各型保温材料选型为：EPS板为廊坊泽博保温材料有限公司生产，导热系数0.37W/m·K;XPS板为河北华克斯绝热材料有限公司生产，导热系数0.29W/m·K;聚氨酯板为济南迪拜尔环保材料有限公司生产，导热系数0.18W/m·K;岩棉为天津佳好保温材料有限公司生产，导热系数0.038W/m·K;玻璃棉和泡沫玻璃均为廊坊康能保温材料有限公司生产，导热系数分别为0.032W/m·K和0.05W/m·K.

3.1模拟分析

为了有效评价各型外墙保温材料对东北地区环境的适应性，采用ANSYS软件对各种保温材料的建筑物外墙温度分布和热流率进行模拟。模拟建筑物外墙墙高3.4m。不失一般性，在模拟过程中做出如下假设：建筑物外墙材料均匀，且符合各项同性，各材料层间的接触十分理想，不考虑材料间的热阻，太阳等辐射体的热效应不考虑。东北地区室内采暖温度设置为19℃，室外温度设置为-20℃，空气相对湿度设置为65%，外墙的内表面导热系数设置为9.2W/m·K，外墙的外表面导热系数设置为24W/m·K，房间内空气的露点温度为10.5℃，采用外墙外保温技术，各型保温材料的保温性能模拟结果如表3所示。

如果外墙内表面的最低温度低于房间内空气的露点温度，则建筑物外墙会出现结露，可能会引发外墙损坏。表3的模拟结果表明，各型保温材料的外墙内表面的最低温度均高于房间内空气的露点温度，这说明，在东北地区严寒地带，各型保温材料在热桥均不会出现结露，不会引发建筑物外墙损坏。模拟结果还表明，EPS板的总热流量损失最多，岩棉热流量损失最少，这说明在从总热流量损失的角度，岩棉的适应性最强。从外墙热流量的角度，外墙热流量占比最低的是泡沫玻璃，最高的是玻璃棉，这说明泡沫玻璃的外墙热流量性能最佳。

3.2实例分析

为了进一步测试不同外墙保温材料的热工性能，基于某建筑结构构建了4个实例分析模型，保温技术均采用保温砂浆式外保温，墙体填充300mm空心砖，热桥处喷涂80mm厚聚氨酯硬泡，4个实例分别采用岩棉板、玻璃棉、泡沫玻璃和聚氨脂板。空心砖的导热系数设置为0.24W/m·K，空气相对湿度、外墙的内外表面导热系数保持不变。基于ANSYS操作界面，分別按照参数对实例1到实例4进行建模，按照文中构建的保温材料热传递计算方式，输入温度参数，进行模型求解。实例1到实例4的温度分布图如图1所示。

由图1给出的模型分析结果可知，经过ANSYS模拟分析，4个实例的内墙均显示为红色，表明温度均高于19℃，图1（a）为采用岩棉板的内墙表面温度最小值为19.853℃，图1（b）为采用玻璃棉的内墙表面温度最小值为19.207℃，图1（c）和图1（d）分别为采用泡沫玻璃和聚氨脂板的内墙表面温度最小值分别为19.459℃和19.170℃。模型分析结果说明4种保温材料均能够适应东北地区冬季外墙保温需求，保温效果由高到低的排序为岩棉板、泡沫玻璃、玻璃棉和聚氨脂板。并且，观察温度分布图可知，4个实例在热桥影响区域均出现了拐点，但温度变化较为平缓，对外墙保温效果的影响不大，这与理论分析保持一致。

4结语

研究了东北地区建筑物外墙保温材料的保温性能，分析了各种建筑外墙保温材料优缺点，构建了建筑物外保温热传递的计算模型，并结合东北地区环境，利用ANSYS对各型保温材料的保温性能进行了模拟分析与实例分析。研究结果能够为东北地区建筑物外墙保温材料的选择提供参考与借鉴。

参考文献

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收稿日期：2020-01-10

作者简介：张翔（1972-），男，安徽庐江人，硕士学位，高级工程师，研究方向：建筑施工。