EPS-玄武岩纤维中空织物保温板热工性能研究

郑杨梅，田艳，李刚，秦子鹏，马玉薇

（石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000）

0 引言

目前，应用于外墙外保温的材料多种多样，按材料种类不同可分为有机保温材料和无机保温材料2大类。在建筑领域中有机保温材料主要有模塑聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）、挤塑聚苯乙烯泡沫材料（XPS）和聚氨酯（PU）等，这些材料虽然具有质轻、导热系数低和保温隔热效果好的优异性能，但其复合材料的热工性能研究仍不充分[1-2]。其中，EPS板是一种隔热保温性能非常优良的有机保温材料[3-4]，采用其制造的保温板用于外墙外保温系统时，整体性不高和使用厚度较大，后期在工程应用中易产生与墙体粘结不牢固、外墙保温板脱落等问题。为了克服保温隔热材料在工程应用中存在的不足，亟待研制轻质多功能的EPS复合保温材料。而玄武岩纤维中空织物作为一种新型的矿物纤维织物，具有高强、抗压、阻燃（A级难燃）、抗冲击和抗断裂等优异性能，这恰巧可以弥补了EPS板用于外墙保温系统时所存在的缺陷。

本文以EPS板和玄武岩纤维中空织物为主要材料，将二者通过特定配合比的粘结剂粘结复合形成一种新型EPS-玄武岩纤维中空织物保温板，并测试了保温板不同组合形式下的导热系数。在此基础上，对EPS-玄武岩纤维中空织物保温板进行了传热分析和热工计算，并将新型EPS-玄武岩纤维中空织物保温板保温隔热系统在不同墙体中的应用进行了设计。

1 试 验

1.1 试验材料

聚苯板（EPS）：工业级，乌鲁木齐鸿兴达保温材料有限公司生产，EPS试件尺寸及及导热系数见表1。

表1 EPS试件的尺寸及导热系数

玄武岩纤维中空织物：新疆拓鑫玄武岩实业有限公司产。

粘结剂：由环氧树脂WSR 6101（E-44）、固化剂T31和无水乙醇（分析纯）按照6∶2∶1配制而成，环氧树脂和固化剂均由南通星辰合成材料有限公司提供。

1.2 试验方案

将不同厚度的EPS板与玄武岩纤维中空织物进行组合，具体组合形式见表2。

表2 新型保温板的组合形式

1.3 测试方法

导热系数采用北京世纪建通科技股份有限公司生产的JTRG-Ⅲ导热系数测试仪对所制备的新型保温板进行测试。该设备的测试范围为0.02～0.8 W/（m·K），相对误差≤±3%。不同厚度新型保温板的导热系数为3个测试试件的平均值。热板和冷板的温度分别设定在15℃和30℃左右。当被测保温板的试验时间达到一定且热板、冷板的实测热流恒定不变时，即可判定该保温板达到一个稳定状态。一般情况下，每个被测保温板达到稳定状态需要2 h左右。

1.4 新型保温板的导热系数

用稳态热流计法测得3组新型保温板的导热系数如表3所示。

表3 新型保温板的导热系数

从GB 50176—1993《民用建筑热工设计规范》中查得EPS的导热系数不大于0.042 W/（m·K），由表1可知，测得的EPS板的导热系数与标准值相比较小，说明本文使用的EPS板保温性能较好，导热系数达标。由表3可知，相较1-1组和1-3组试件，1-2组保温板的导热系数最小，为0.0272 W/（m·K），低于表1中不同厚度EPS板的导热系数。由此表明，1-2组为最优组合，且与单独采用EPS板相比，其保温隔热效果较好。

2 新型保温板的传热分析

本试验所研究的新型EPS-玄武岩纤维中空织物保温板在常温下的温度传递不考虑其热辐射的热能散失，主要研究热传导及热对流。

2.1 新型保温板内的导热传热

热传导是指物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递，简称导热。导热现象是通过温度较高的物体把热量传递给与之接触的温度较低的另一物体。新型EPS-玄武岩纤维中空织物保温板内由EPS板和玄武岩纤维中空织物粘结组合而成，其一维稳态导热时傅里叶定律数学表达式为：

式中：Φ——热流量，W；λ——导热系数，W/（m·K）；dt/dx——温度变化率；A——传热面积，m2；q——热流密度，W/m2。

由式（1）、式（2）可以看出，单位时间内通过保温材料的热流量Φ与温度变化率dt/dx、传热面积A、导热系数λ成正比，而在温差△t一定时，热流量经过保温材料的传热路径越长，温度变化率越小，其保温隔热效果越好。在新型EPS-玄武岩纤维中空织物保温板中，通过使用玄武岩纤维中空织物来降低保温板的厚度δ，而玄武岩纤维中空织物可以相当于一层空腔（其侧面面积比平面面积小得多，由侧面散去的热量可以忽略不计），能够提高保温板的阻热能力。此外，EPS板本身是具有低导热系数的有机保温材料，可以整体提高新型保温板的保温隔热性能。

2.2 新型保温板内的对流传热

热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。热对流仅能发生在流体中，而且由于流体中的分子同时在进行着不规则的热运动，因而热对流必然伴随有热传导现象，其对流传热的基本计算式是牛顿冷却公式：

式中：h——表面传热系数，W/（m2·K）；t1——保温板表面的温度，℃；t1——保温板周围的温度，℃。

3 新型保温板热工计算

J 10786—2017《公共建筑节能设计标准》和GB 50176—2016规定了传热系数的限值，本文只研究墙体的传热系数，不同地区围护结构传热系数限值见表4、表5和表6。

表4 严寒（C）地区围护结构传热系数限值

表5 寒冷地区围护结构传热系数限值

表6 夏热冬冷地区围护结构传热系数限值

在实际工程应用中，围护结构的传热阻按式（5）、式（6）[5]进行计算：

式中：K——围护结构的传热系数，W/（m2·K）；Ro——围护结构的传热阻，（m2·K）/W；Ri——内表面换热阻，（m2·K）/W；Re——外表面换热阻，（m2·K）/W；R——围护结构平壁的热阻，（m2·K）/W。

由于新型保温板是由EPS板和玄武岩纤维中空织物组成，每层玄武岩纤维中空织物厚度为10 mm，EPS板厚度分别为 10、20、30mm进行计算，其内表面换热阻为 0.11（m2·K）/W，外表面的换热阻为0.04（m2·K）/W，具体计算过程如下：

（1）EPS板厚度取10 mm时

通过上述试验数据与表4、表5对比，可以得到9层以上的建筑和体形系数不大于0.3，且用于外墙围护结构中，新型保温板中EPS板厚度为30 mm时，其保温板的传热系数可以满足寒冷地区围护结构保温隔热的限值要求。当EPS板的厚度分别为10、20、30 mm，本文设计的这3种类型的新型保温板的传热系数均小于1.0 W/（m2·K），符合JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》的规定，同时符合建筑节能65%的指标要求。因此，新型保温板在外墙保温中具有广泛的应用前景。

4 用于不同墙体的新型保温板保温隔热系统设计

4.1 墙体及计算厚度为200 mm厚钢筋混凝土

新型EPS-玄武岩纤维中空织物保温板与钢筋混凝土墙形成的保温隔热系统的基本结构形式如图1所示。

图1 新型保温板墙体保温系统基本构造（1）

4.2 墙体及计算厚度为190 mm厚混凝土空心砌块

新型EPS-玄武岩纤维中空织物保温板与混凝土空心砌块墙形成的保温隔热系统的基本结构形式如图2所示。

图2 新型保温板墙体保温系统基本构造（2）

5 结语

（1）对不同厚度的EPS板与玄武岩纤维中空织物在不同形式下组合而成的新型保温板进行了试验研究，结果表明，新型保温板的保温隔热效果优于与单独采用EPS板。

（2）通过对新型EPS-玄武岩纤维中空织物保温板的传热分析和热工计算，得到9层以上的建筑、体形系数不大于0.3，且用于外墙围护结构中的新型保温板，当其EPS板厚度为30 mm时，新型保温板的传热系数可以满足寒冷地区围护结构保温隔热的限值要求；由厚度分别为10、20、30 mm的EPS板结合玄武岩纤维中空织物设计的新型保温板，其传热系数均小于1.0 W/（m2·K），符合JGJ 134—2010的规定，同时也能达到建筑节能65%的指标要求。