一种废塑料瓶再利用组合式保温节能板材

陈紫仪，聂忆华，黄洁雯，王锦，莫可欣，周冉

（湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201）

塑料瓶具有中空、轻质、耐久、经济等特点，符合保温隔热板材性能要求。通过回收日常生活中的废弃塑料瓶制得具有保温隔热性能的板材将为塑料瓶的回收再利用提供一种有效途径，也将实现保温隔热板材成本低、性能高、质量轻的目标。利用塑料瓶中空密封特质，通过废弃塑料瓶提供一个密闭的空间，形成相对不流动的空气层，利用铆合或者胶水粘结等方式将塑料瓶与四周的板材连接并封存，加大了板材内部空气间层厚度，有效利用空气间层保温隔热原理提高板材的保温隔热能力，从而成为一种基于废弃生活垃圾再利用的环保节能新型板材。废塑料瓶再利用组合式保温节能板材设计图如图1 所示。

1 废弃塑料瓶中空层保温原理

热力学理论认为建筑材料的内部构造、密度、质量以及周围环境里的湿度和温度都会影响建筑材料的保温隔热性能。研究表明不流动的空气层能起到良好的保温隔热效果，所以如果在一般保温材料里面加上一个的空气中空层，减少其中的空气流动，那么就能充分利用空气层隔热原理，从而提高保温隔热性能并节约材料、降低成本。

在废弃塑料瓶中空层中存在对流换热、辐射换热及导热3 种传热方式，其过程主要是在材料的上下两个表面温度不一致时，两个表面之间通过中空层进行的热转移过程。中空层的导热系数主要取决于两个表面之间空气层厚度以及材料整体的换热强度。

通过Boussineaq 假设进行热力学分析计算可以发现，普通空气层的换热强度相对偏大，存在着剧烈的自然导热换热。由于中空层的导热系数、换热的剧烈程度与两个表面之间空气层厚度以及材料整体的换热强度有关，所以降低两个界面的表面温度、空气层厚度将显著减少中空层内的自然导热换热。通过板材加废弃塑料瓶模式，可以把常规厚度的空气层隔断形成较小空间，减少空气流动，同时降低空气层厚度以及空气上下表面温度从而提高保温隔热效应。

2 组合方案选择研究

2.1 研究现状

目前，许多学者对带空气层的围护结构进行了深入的研究，包括软件模拟、计算和试验分析等。

黄友生[1]利用建筑节能软件对实际工程进行了模拟研究和分析，并通过定性和定量的方法对“空气层”进行了一系列能耗模拟。根据模拟结果，分析了“空气层”在建筑围护结构中应用的优缺点，提出了“空气层”与水相结合的相变材料。宋博辉等[2]通过分析计算和FLUENT 模拟发现，当封闭腔内空气层厚度小于或等于20 mm 时，基本上没有对流传热。在此基础上，提出了一种新型无梁楼盖磷石膏复合型腔层模盒。通过稳态传热试验，证明在相同工况下，新型磷石膏复合型腔层模盒的保温隔热性能明显优于传统的单型腔模盒。孙丁[3]通过计算和软件分析确定空气层隔热的最佳厚度，然后应用实验对模拟计算结果进行验证，证明了封闭方腔空气夹层的最佳厚度为20 mm 左右，厚度＜20 mm 时热量的减小幅度较大，厚度＞20 mm 时热量减少幅度较小。姜涵等[4]分析了墙体材料中空气夹层的形式和分布对墙体材料热性能的影响，提出对于高热导率墙体材料，适当合理地引入一定厚度和形式的空气夹层可以更好地改善墙体材料的热性能，从而获得更好的节能效果和综合的经济技术指标。李松等[5]分析了空气夹层的热绝缘原理和影响因素，并提出了空气夹层在建筑中的一些应用。赵黎[6]利用自然对流理论和普朗特尔边界层传热理论建立了双层通风屋面空气的数值计算模型，得到了夹层的最佳设计高度，并给出了“封闭空气层和空气层”的最大热阻和高度的理论计算公式。

基于以上研究，我们设想通过探究对于不同厚度、不同板材类型的板材与回收利用的塑料瓶最优化组合来节省能源并提高板材保温隔热性能。

2.2 板材选用

根据《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》相关条例采用A 级保温板材进行研究，现有A级保温板材特性等相关统计情况如表1。

表1 A 级保温板材及其特性

3 热学性能分析

3.1 导热技术计算方法

导热系数是指对于1 m 厚的建筑保温材料在周围环境温度差在1 ℃的情况下，1 m2面积上传递的热量。对于单个建筑保温材料，材料热阻为导热系数的倒数，对于组合式建筑材料，导热系数采用几个组合材料的平均导热系数表示。根据《民用建民用建筑热工设计规范》（GB 50176—2016）中规定，单一材料层的热阻计算公式为：

式中：R—材料热阻，单位为m2·K/W；

δ—材料层厚度，单位为m；

λ—材料层导热系数,单位为W/（m·K）。

多层维护结构的热阻为：

式中：R1、R2，Rn—各层材料热阻，单位为m2·K/W。导热系数计算公式为：

3.2 热学组合分析

根据统计的保温市场现有板材，采用3.1 的导热技术计算方法对不同材料与塑料瓶组合后的组合导热系数和板材总厚度进行研究，以寻找最优组合。

方案一：采用同等厚度的不同板材计算其与废弃塑料瓶组合之后的组合板材导热系数，相关结果如表2 所示。

表2 同等厚度的不同板材与废弃塑料瓶结合后的组合板材导热性能

表2 是不同材料在同等厚度条件下的导热系数数值，由图2 可清楚地看出，真空绝热板与废弃塑料瓶组合的组合板材导热系数最低，隔热性能最好；酚醛保温板次之；岩棉板、水泥发泡板；改性聚苯板、泡沫玻璃板与废弃塑料瓶的组合板材导热系数相近。

图2 同等厚度的不同板材与废弃塑料瓶结合后的组合板材导热系数

图3 不同材料与废弃塑料瓶结合后组成同等组合结构导热系数的板材厚度

方案二：将不同板材与废弃塑料瓶结合之后的组合板材的导热系数设为统一值，分别计算组合板材的总厚度，其相关结果如表3 所示。

表3 不同材料与废弃塑料瓶结合后组成同等组合结构导热系数的板材厚度

两组图表表明：真空绝热板-塑料瓶综合性能最佳，可达到很好的隔热性能。除此之外，上述材料中岩棉板、酚醛保温板、改性聚苯板和塑料瓶所组合而成的新型板材都能满足国家保温材料标准，是具有较优良性能的保温板材。

4 结论

本文介绍了一种新型塑料瓶-板材组装式保温节能板材，以空气间层保温隔热原理为核心技术原理。从多种维度探讨和证明所述新型板材的科学性和可行性。

从理论角度来说其根本在于：密封塑料瓶使得板材间的空气对流减少，从而得到保温隔热性能较好的新式板材。目前，对于带有空气层的围护结构，已有许多学者对其热工性能进行了深入研究，从科学理论层面上证明其可行性。

从技术参数角度来说，导热系数越低，热阻越大，保温隔热性能越好。因此，利用《民用建民用建筑热工设计规范》（GB 50176—2016）中规定的组合结构导热系数计算公式和热阻计算公式，计算多种板材与塑料瓶组装方式的热参数，从而得出实际效果：由真空绝热板和塑料瓶组装而成的新式板材拥有极佳的保温隔热能力，导热系数和热阻均达到理想效果；酚醛保温板次之，拥有较佳性能；其他组装类型同样拥有可观的性能和较高的可行性。

综上，此种新型板材有着性能好、轻便、材料再利用、成本低的多种优势，具有应用于实际的客观性。