EPS复合板长期使用保温效果分析

吴德义,汪晓东,口永刚

(1.安徽建筑大学 建筑健康监测与灾害预防国家地方联合工程实验室,安徽 合肥,230601;2.安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥,230601;3.中铁四局集团建筑工程有限公司,安徽 合肥,230000)

研究建筑外墙保温材料,对我国建筑行业的发展起到了较重要作用[1-2]。随着中国节能建设飞速发展,可持续发展理念不断深入人心[3],人民生活舒适度不断提高,节能建筑愈发重视,维持室内温度相对稳定,复合保温模板在工程中得到广泛运用[4]。但是,外墙免拆复合保温模板长期使用过程中由于冬季低温、夏季高温、淋雨、暴晒的交替变换作用,外墙免拆复合保温模板的结构逐渐变化,保温效果逐渐减弱[5]。所以,这类保温模板是否能够长期保持保温性能就变得尤为重要[6]。分析EPS复合保温模板长期使用过程中的传热过程建筑环境室内温度,保证外墙免拆复合板长期使用的保温效果,具有工程应用价值[7],并且建筑节能保温工程将是未来发展的重中之重[8-10]。

1 模板长期使用过程中的导热系数测定

选择的试件分为两组,每组3块标准板,分别进行材料导热系数的耐冻融试验和耐候试验。第一组为耐冻融试验,在冻融试验中,首先,模板放入水中8 h,然后,在具有冷冻功能的试验机当中冷冻16 h,这个过程为1个周期,3次循环过后,观察模板的情况。第二组为耐候性试验,模板耐候性大致分为3个过程:热雨循环、调整状态和热冷循环(先升高温度再降低温度,升高温度在50 ℃左右,维持8 h;然后降低温度到-20 ℃左右,维持住14 h,用时22 h)。

冻融试验和耐候试验模板结构变化见图1和图2。

图1 冻融试验模板结构变化Fig.1 Structural changes in freeze-thaw test template

图2 耐候试验模板结构变化Fig.2 Structural changes in weathering test template

试验使用双平板导热系数测定仪去测定试件。

根据导热系数φ=-λA*(dt/dx)计算,其中,φ为热流量;λ为导热系数;A为传热面积;dt表示微元厚度两面的温差;dx表示微元厚度。

根据上述试验结果,导出数据,生成Excel数据表格,其中,标准板A、B、C经过耐冻融试验,结果见表1、表2、表3。

表2 标准板B试验数据表

表3 标准板C试验数据表

其中,试验板D、E、F耐候性实验后导热系数测定试验结果见表4、表5、表6。

表4 试验板D试验数据表

表5 试验板E试验数据表

表6 试验板F试验数据表

由此可见,模板在经过2次试验之后,标准版的导热系数会有所增加。

2 EPS保温材料传热数值模拟

2.1 CL外墙免拆复合保温模板的构造

本文以EPS聚苯板作为保温层为例,其中,模板材料包括耐碱网格布、EPS聚苯板、抗裂砂浆、水泥聚苯板颗粒砂浆。模板构造大致分为4个部分:复合保温模板两侧最外部有耐碱网格布抗裂砂浆,此抗裂砂浆厚5 mm。在复合保温模板的外侧包裹着水泥聚苯板颗粒砂浆,其位置在EPS聚苯板和网格布之间。与边缘连接件连接的是钢筋网片,钢筋网片孔径20 cm×20 cm,直径为4 mm,钢筋网片布置在抗裂砂浆中。通过预制,将所有材料合在一起,这样的复合板既保温又有承载能力。EPS外墙免拆保温板构造形式见图3。

图3 EPS外墙免拆保温板构造示意图Fig.3 Schematic diagram of the construction of EPS exterior wall no-dismantling insulation board

2.2 EPS复合保温模板条件模拟

本文以安徽省合肥市夏季最热的7月露天日为研究对象,在冬季调查了1月最冷露天日24 h气温变化规律,见图4和图5。夏季,14:00,温度达到最高值39 ℃,在02:00,温度最低23 ℃。冬季从02:00到16:00,温度达到最低时在-9 ℃,温度峰值时刻在14:00,温度为2 ℃。

图4 夏季24 h温度变化曲线图Fig.4 Temperature change plot for 24 h in summer

图5 冬季24 h温度变化曲线图Fig.5 Temperature change curve in winter 24 h

2.3 EPS复合模板系统模型构建

EPS模塑聚苯板拥有比较不错的隔热效果和可塑性,在此基础上,复合板保温材料的核心是EPS聚苯板,图6所示为基本传热分析模型路径。这个模型所用的材料和厚度依次为5 mm饰面层、5 mm抗裂砂浆、15 mm防水砂浆、5 mm抗裂砂浆、30 mm水泥聚苯板颗粒砂浆、30 mm EPS聚苯板、5 mm抗裂砂浆、200 mm混凝土墙体,模型长a=700 mm,宽度b=400 mm。

图6 EPS板模型构建图Fig.6 EPS board model building diagram

EPS复合板模型各层材料的热物理参数见表7。

表7 模型各层材料热物理参数表

2.4 模型热环境创建

在材料属性赋予中,保温层材料属性分别设置密度为20.1 kg/m3,导热系数设置为0.038 W/(m·K),热变形系数设置为7.0×10-6/K,比热设置为1 500 J/(kg·K),弹性模量设置为0.006 GPa,其余材料层的属性设置不变。

在分析步中,时间长度内选择24 h,最大增量步数设置为100步,初始增量步大小为0.5步,最小增量步为0.000 24步,最大增量步为1步,每荷载步允许最大的辐射变化量为0.1。

在相互作用中,定义装饰层外表面的膜层换热系数为19 W/(m·K),室内墙体外表面膜层换热系数为8.7 W/(m·K),室内环境温度为20 ℃。在边界条件设定中,分别设置幅值Amp-1和Amp-2。

在网格划分中,网格种子选用0.1,最大偏离因子选用0.1,按占全局尺寸比例选用0.1。

在Job模块中创建作业并提交分析。

3 EPS复合板传热分析结果

如图7所示,左边为夏季室外温度达到峰值模型温度变化云图和冬季室外温度到达最低值时模型温度变化云图。夏季室外温度峰值t=39 ℃的时候,室内温度仅只有25.3 ℃左右;冬季室外温度到最低峰值t=-9 ℃的时候,室内温度却可到16.7 ℃左右。说明EPS模塑聚苯板起到了很好保温作用。

图7 温度变化云图Fig.7 Temperature change cloud

使用ABAQUS有限元软件导出在不同时间内各个节点温度,节点选自混凝土墙体内表面、EPS模塑聚苯板外表面和EPS模塑聚苯板内表面、装饰层外表面。各节点上温度随时间变化的曲线见图8。不论外界温度如何变化,在使用EPS模塑聚苯板的室内温度几乎没有变化,说明EPS模塑聚苯板起到了很好保温作用。但是夏季室内温度有非常大的变化,在夏季08:00前,与室外温度大致相同;在08:00过后,室内的温度的有所上升,峰值却只有26 ℃左右,说明起到了隔热作用的是EPS模塑聚苯板。

图8 温度变化曲线图Fig.8 Temperature change cloud

以中午12:00的温度为准,做出夏冬两季温度随墙体厚度的变化曲线,温度变化路径依次从饰面层→抗裂砂浆层→防水砂浆层→水泥聚苯板颗粒砂浆层→EPS板外表面层→EPS板内表面层→混凝土墙体内外表面层。如图9所示,可以清楚地看到温度明显突变位置发生在沿着墙体厚度6～9 cm区间内,而在这区间内刚好是EPS模塑聚苯板,说明起到了保温隔热作用的是EPS模塑聚苯板。

图9 温度变化路径曲线图Fig.9 Temperature change path plot

4 结论

1)在经过冻融和耐候性两次试验之后,标准版的导热系数会有所增加。

2)建立了复合保温模板传热分析模型,得到了一天之内24 h中模型4个不同结构表面温度变化曲线图以及沿传热路线方向温度变化曲线图。起保温隔热作用的是EPS复合板。

3)不管外界温度如何变化,在冬季,室内温度几乎保持不变,几乎维持在16.7 ℃;夏季室内温度有比较明显的变化,大致以08:00作为一个分水岭,在夏季08:00以前,室外温度变化不大,室内温度也没有发生明显变化,所以EPS聚苯板内侧和室内的温度也基本不变。在夏季08:00过后,当室外温度逐渐升高,室内温度和EPS塑模板内表面的温度有所升高,但是升高幅度和趋势偏于平缓,而且室内温度的峰值只有26 ℃左右。由此分析得出,EPS复合保温模板起到了效果良好的隔热作用。