屋面双板复合保温隔热材料方案设计与性能分析

黄神恩，王中平，丁杨

（同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 201804）

0 引言

硬质聚氨酯泡沫塑料（PUR）优良的保温隔热性能依赖于C5（环戊烷）、HCFC（氢氯氟烃）及 HFC（氢氟烃）等发泡剂发泡形成的闭孔，泡孔内充斥着比空气导热系数小得多的发泡剂气体。一般可将硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数视为泡孔内气体的导热系数、泡沫塑料基材的导热系数以及可忽略的辐射传热系数、对流传热系数简单加和。

真空保温隔热板（VIP）是基于真空保温隔热原理而制成的一种新型、高效保温隔热材料。通过最大限度提高板内真空度并充填以芯材而降低热量传导，从而达到保温、节能等较为理想的保温隔热效果。相比聚苯板、聚氨酯泡沫等传统保温隔热材料，其导热系数可以低至0.003～0.004 W/（m·K）。真空保温隔热板由抽真空的芯材、带有隔气铝箔的表面阻隔膜和吸气剂构成。VIP的热量传递主要由芯材的导热、VIP内部残留气体的导热、对流传热和辐射传热4部分组成。

建筑保温材料在推广应用过程中同样暴露了诸多问题，诸如有机类的泡沫塑料易燃，燃烧过程中易产生有毒气体；开孔率较高的保温隔热材料易吸湿，吸湿的同时极大地降低了材料本身的保温效果；其它如真空绝热板使用中易受刺穿而失去真空环境，成倍地增大材料的导热系数。本文对2种保温隔热性能优良的材料——真空绝热板及硬质聚氨酯泡沫进行双板无连接件复合，用于屋面保温层，以期实现不同保温隔热材料在使用性能、经济性上的优势互补。综合性能提高，是进一步推广建筑保温隔热材料值得深入研究的一个创新点。

1 试验

1.1 试验方案

对真空绝热板与硬质聚氨酯泡沫塑料进行双板复合，采用2 mm厚的粘结砂浆进行板与板之间粘结。由于硬质聚氨酯泡沫塑料板表面平整，不似真空绝热板背部存在热封边界，且工程上硬质聚氨酯泡沫多可现浇，故此处硬质聚氨酯泡沫塑料板之间采取直接贴合，粘结砂浆只用于真空绝热板与真空绝热板或真空绝热板与硬质聚氨酯泡沫塑料板之间。

真空绝热板由青岛科瑞新型环保材料有限公司生产，导热系数为0.006 W/（m·K），规格分别为300 mm×300 mm×（30、15）mm；硬质聚氨酯泡沫塑料由上海华峰普恩聚氨酯有限公司生产，导热系数为0.015 W/（m·K），密度为40 kg/m3，规格分别为 300 mm×300 mm×（45、30、15 mm）。粘结砂浆由上海舜安建材有限公司生产，使用水灰比为1∶4。

基于传热速率方程式与傅里叶定律推导热流方向垂直于平板情况下的多层薄板导热系数计算公式见式（1）[1]，双板复合保温隔热材料的组合方案依据该公式确定。

式中：λ——双板复合保温隔热材料的导热系数，W/（m·K）；

φ1、φ2——分别为第1、第2类板的厚度占比；

λ1、λ2——分别为第1、第2类板的导热系数，W/（m·K）。

以综合传热系数不大于0.2 W/（m2·K），保温层总厚度不大于20 cm为指标，根据式（1）设计真空绝热板与硬质聚氨酯泡沫塑料不同的组合方案如表1所示。

表1 双板复合保温隔热材料复合方案

1.2 性能测试方法

根据GBT 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》进行复合保温隔热材料的导热系数测试，按要求测试前需将复合材料置于23℃、相对湿度50%的环境下24 h；测试在天津英贝尔科技发展有限公司生产的导热系数测定仪上进行，控制热板温度35℃，冷板温度15℃。

2 试验结果与讨论

忽略2类保温隔热材料的对流换热及辐射传热，传热系数的计算公式见式（2）：

式中：K——复合保温隔热材料的传热系数，W/（m2·K）；

αo——复合保温隔热材料的外表面换热系数，W/（m2·K）；

αi——复合保温隔热材料的内表面换热系数，W/（m2·K）；

λ——复合保温隔热材料的实测导热系数，W/（m·K）；

δ——复合保温隔热材料的厚度，m。

复合保温隔热材料的导热系数及换算传热系数值见表2。

由表2可见：

（1）由实测导热系数换算得到的传热系数均符合小于0.2 W/（m2·K）的要求，最大值0.1925 W/（m2·K），最小值0.1187 W/（m2·K）。且8组复合方案的总厚度均与实际工程切合，最厚为109 mm。

表2 不同复合方案实测导热系数与换算传热系数

（2）8组方案实测导热系数与设计值相近，两列数据的相关系数可达0.72。差距最大的为第6组，达31%；最小的为第3组，达14%。可见，使用公式计算双板复合保温隔热材料的导热系数具有相应的合理性，方案设计时可提供参考。而且注意到实测导热系数变化趋势与设计导热系数变化大体相似，导热系数值与两类材料的占比相关，这与式（1）的变化规律相同。

（3）8组方案实测导热系数均大于设计导热系数，差值在0.00164～0.00416 W/（m·K）之间。原因在于设计导热系数的材料原始数据虽同在23℃，相对湿度50%的环境下实验测得，但相较于30 mm厚的单板保温隔热材料，双板粘结得到的复合保温隔热材料体系更为复杂。影响材料保温隔热性能的主要因素有：热桥、湿度及温度，在排除温、湿度的影响后，主要考虑是由于热桥的影响，特别是在有真空绝热板参与的情况下。

为进一步说明热桥对双板复合保温隔热材料性能的影响，以第8组方案为例，取该复合保温隔热材料底面中心点a（见图1），通过COMSOL Multiphysics软件分别模拟分析点a在有无热桥影响2种状态下的温度变化情况。

图1 复合保温隔热材料底面中心点a示意

数值模拟设置上表面持续高温60℃，下表面初始温度20℃；双板复合保温隔热材料间传热按照式（3）给出的第3类边界条件进行计算[2]；取没有接触面的断面按绝热计算[2]，见式（4）：

式中：λ——复合保温隔热材料的实测导热系数，W/（m·K）；

n——x、y外法线方向；

h——表面传热系数，W/（m·K）；

tf、tw——分别为室内和室外的温度，℃。

数值模拟结果见图2所示，模拟环境为稳定高温的一端持续向温度较低的一端传导热量，若不考虑热桥的影响，热流是从高温向低温的一维传输，冷端面中心点a的温升变化符合理想的传热速率方程式。考虑热桥影响时，热流的流向不再是纯粹的单方向，因为经热桥的流向热阻更小，更多的热量经热桥或散失或更快到达仪器冷板，降低了流经a点的热量，延缓了a点的温升。

图2 数值模拟a点有无热桥2种状态下的温度变化

由图2可见，在1 h左右，2种情况下热流均未经过a点，故a点保持温度20℃左右，未有明显变化；第2 h内，a点有略微的温升；二者的差距在第3 h时明显增大，a点未考虑热桥时温升显著，考虑热桥时因热量不足而温度变化不大，同样的温升速率对考虑热桥的a点在第4 h内达到，显然，热桥的存在延缓了a点温度的升高。随后，由于稳态的实现，两者均以一定的速率升温并交于同一点，这一过程中考虑热桥的情况下其温升速率要大于未考虑热桥的情况，原因正是热桥的存在，延缓了a点的温升，导致a点与热端温差较大，进而有更多的热量往冷端a点流动，带动a点以较快速率升高温度。

热桥显著增加越过保温隔热材料的热流，严重损害材料的保温隔热有效性。对于构造的双板复合保温隔热材料，产生热桥的原因有3个方面：一是随材料本身厚度的增加，侧面面积增大，由于空气的热阻要小于保温隔热材料本身，因此热板传递的热量可能更多经由材料侧面散失；二是真空绝热板与真空绝热板，真空绝热板与硬质聚氨酯泡沫塑料板之间的粘结砂浆导热系数较大，这样热流便从粘结砂浆层传递，形成热桥；三是材料本身导致的热桥，真空绝热板的隔膜材料大多由铝箔、聚氨酯、聚乙烯构成，其中金属铝是热的良导体。目前，常用隔膜材料按3种材料不同厚度组合主要有：AF、MF1、MF2、MF3两类 4 种，50 nm 厚 MF 类 MF1、MF2、MF3不同表面隔膜对应热桥的导热系数分别为0.38、0.42、0.90 W/（m·K），而AF的热桥导热系数还远大于MF的导热系数[3]。可见真空绝热板表面隔膜热桥的导热系数对材料的绝热性能影响很大。

实验室测试导热系数多基于保温隔热材料中心区域，测得的导热系数值λCOP（COP，Centre-of-Panel）近于理想，远不符合实际工程应用。实际工程中不仅要考虑材料本身的热桥、保温板与板之间填充材料的热桥，同时还要考虑保温隔热层与不同构造层之间的热桥效应。因此，由热桥引起的导热性增大在实际工程中尤需注意。Tenpierik等[4]提出可通过修正保温隔热材料表面传热系数考虑热桥的影响。Alfonso等[5]的研究不仅涉及到保温隔热材料的内外表面热阻，更进一步考虑到保温隔热板材之间连接件的热桥效应，通过推导给出相关公式，并进行计算机模拟。Tenpierik和Cauberg[6]构造了用可现场发泡泡沫塑料，如膨胀聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料包裹真空绝热板的模型，可在很大程度上减少热桥的影响。

3 结论

（1）针对现有保温隔热材料存在的不足，构造了一种能协同不同保温隔热材料优势的双板复合保温隔热材料。依据推导的公式设计了不同的组合方案，实测了各双板复合保温隔热材料的导热系数，测试结果能较好满足实际工程对传热系数与保温层厚度的要求。

（2）依据传热速率方程和傅里叶定律推导了可用于计算硬质聚氨酯泡沫塑料板与真空绝热板复合双板保温隔热材料导热系数的公式，将实测复合保温隔热材料的导热系数与设计导热系数值比较分析，验证了通过该公式计算复合保温隔热材料导热系数具有一定的合理性。

（3）对于设计导热系数值与实测值差距，在排除其它影响因素后，分析得出主要是由于热桥效应导致双板复合保温隔热材料的绝热性能下降，造成实测导热系数大于设计值。数值模拟结果进一步说明了热桥效应对屋面保温隔热性能的不利影响，故而要求实际工程要尽量阻断热桥，或在设计导热系数值的基础上考虑一定大小的保险系数。

[1] 张波．多层薄板的导热系数[J]．大连轻工业学院学报，1994，13（1）：121-124．

[2] 韩雯雯，吴健，刘长亮，等．基于导热反问题的二维圆管内壁面第三类边界条件的反演[J]．机械工程学报，2015，51（16）：171-176．

[3] 杨春光，高霞．真空绝热板中的热桥效应及其优化措施[J]．真空，2010，47（3）：78-82．

[4] Tenpierik M，Van der Spoel W，Cauberg H．Analytical model for predicting thermalbridge effectsdue to vacuum insulation panel barrier envelopes[J]．Bauphysik，2008，30（1）：39-45．

[5] Alfonso C，Stefano F，Fabio F，et al．Vacuum insulation panels：Analysis of the thermal performance of both single panel and multilayer boards[J]．Energies，2015，8：2528-2547．

[6] Tenpierik M，Cauberg H．Encapsulated vacuum insulation panels：Theoretical thermal optimization[J]．Building Reasrch& Information，2010，38（6）：660-669．