相变保温材料要点

关于围护结构保温问题的探讨背景随着社会经济的不断发展，能源短缺问题越来越成为社会关注的焦点。节约能源已受到世界性的普遍关注。在我国，建筑能耗约占社会总能耗的30%，单位建筑面积能耗是发达国家的2～3倍。围护结构是构成建筑空间、抵御环境不利影响的重要构件，热损耗较大。其中墙体在围护结构中占了较大比重，传热系数对能耗的影响很大，其能耗占了建筑围护结构总能耗的27%以上。完善建筑外墙，就能最大程度地实现节能。随着国家建筑节能标准从30%提高到50%再到现在的65%，外墙保温材料和保温形式也应该随之发展。一常用保温材料的分类和发展二保温材料的建筑能耗及回收期三相变储能保温材料的发展四建筑保温设计综合处理原则CONTENTS目录常用保温材料的分类和发展通常所指的隔热保温材料是导热系数小于0.14W/(m﹒k)的材料。而一般应用于建筑屋面、围护结构的绝热材料多指导热系数小于0.23W/(m﹒k)的建筑材料。定义：分类：（1）根据保温隔热材料在围护结构的使用部位不同，可分为内、外保温隔热料；（2）根据保温隔热材料的形态可分为板块状和浆体状保温隔热材料；（3）根据保温隔热材料的材质可分为有机和无机保温隔热材料。常用保温材料的分类和发展矿物棉保温隔热材料矿物棉是一种优良的保温隔热材料，按照所用原料的不同，分为岩棉和矿渣棉两种。特点：矿物棉类材料的保温隔热性能好，具有防火特性，很好的吸声和隔振效果。矿物棉类材料不同程度地含有沥青、胶或其它有机物，容易产生有害物质而污染环境，而且矿物棉材料强度低，作为维护结构的保温隔热层时易塌陷，而且生产加工工艺复杂。常用保温材料的分类和发展膨胀珍珠岩保温隔热材料膨胀珍珠岩是一种天然酸性玻璃质火山熔岩非金属矿产，包括珍珠岩、松脂岩和黑曜岩，三者只是结晶水含量不同。由于在1000～1300℃高温条件下其体积迅速膨胀4～30倍，故统称为膨胀珍珠岩。特点：膨胀珍珠岩材料的容重小、导热系数低，耐火和隔音性能好，而且无毒，它是一种价廉的保温材料，主要用作建筑保温抹灰料、轻质砼骨料、墙体松散保温填料、制造纤维增强砼板、保温地板以及石膏珍珠岩砼整体屋面板、板材等。但膨胀珍珠岩具有很强的亲水性，由于水的导热系数远高于膨胀珍珠岩材料，吸水后会导致其保温隔热性能急剧下降；同时膨胀珍珠岩为无机多孔物质，易破碎，在运输过程可能由于挤压或撞击而造成破碎，使其密度增加而导致保温性能下降。因此在保温隔热应用时需要对膨胀珍珠岩进行疏水和增强处理。常用保温材料的分类和发展泡沫塑料保温隔热材料泡沫塑料作为一种重要的有机保温隔热材料，主要有聚苯乙烯和聚氨酯泡沫塑料两种。特点：具有保温隔热性能好、质轻、吸声等特性，尤其适合寒冷地区的保温。有机材料与砖墙结合较为困难，施工中稍有疏忽就会造成空鼓、脱落而带来事故隐患。另外泡沫塑料制品抗老化能力差，使用寿命在20年左右，废弃材料不能降解而造成白色污染。常用保温材料的分类和发展保温隔热材料保温隔热性能防潮性防火性经济性矿物棉好吸湿性强，注意防潮好价格低廉膨胀珍珠岩较好吸湿性较强，注意防潮好价格低廉泡沫塑料好吸湿率低，防潮性能好较差，易燃造价偏高几种常用保温隔热材料的性能对比保温材料对建筑能耗及回收期的影响分析研究目的：为了选取合适的保温材料，使得建筑总的一次能耗达到最优，通过考虑建筑的使用周期、保温层厚度和基层墙体的传热系数等因素，建立生产保温材料能耗和建筑运行能耗以及总的一次能源消耗计算模型，分析不同种类保温材料对总的一次能源消耗的影响，进而建立最佳保温层厚度和回收期计算模型。保温材料：聚氨酯、聚苯乙烯和真空绝热板。材料名称密度导热系数生产所需能量/(Kg/m³)/W/(m·K)/(MJ/kg)聚氨脂300.025134聚苯乙烯200.04270真空绝热板1900.004139.4保温材料的性能及生产单位质量所需能量保温材料对建筑能耗及回收期的影响分析建立计算模型总的一次能源消耗：tintotEEE补偿通过墙体的热损失需要的一次能源消耗：生产保温材料需要的一次能源消耗：hGNkEtt100024oininbwioinbwikRRRRk11111墙体的总传热系数：36001000ininininPEE6.3)(100024inininintobwitinintotPEhRRRhNGE综上：保温材料对建筑能耗及回收期的影响分析最佳保温层厚度计算对进行求导，并令其为零：得最佳保温层厚度：totEin0)(1000246.32intobwitintinininintothRRRhhNGPEE)(1000246.3obwiininintinoptRRRPEhNG保温材料对建筑能耗及回收期的影响分析能耗回收期计算每年通过基层墙体(无保温层)的热损失:加保温层后每年通过墙体的热损失:)(100024obwittbRRRhGQ1000)(24intobwitinintinhRRRhGQ加保温层后减少的热损失能耗:计算生产保温层所需能耗的回收期:tintbtQQQtinQEEPT保温材料对建筑能耗及回收期的影响分析不同保温层厚度对能耗的影响保温材料对建筑能耗及回收期的影响分析不同保温层厚度对能耗的影响当基层墙体的传热系数一定时，保温材料对能源消耗的影响主要取决于建筑保温层厚度。从上图表可以看出，各种保温材料总的能耗、生产能耗和补偿热损失随不同保温层厚度的变化趋势。以图1为例，可以看出，聚氨酯的生产能耗随保温层厚度的升高呈线性增加，而建筑在运行阶段的热损失显示相反的变化趋势。当没有增加保温材料时，热损失非常大，而应用保温材料后，随着保温层厚度的增加，热损失相应进一步减少。从图中可以看出，当聚氨酯的厚度在100～200mm之间时，能源消费总量首次下降到1个极小值时，然后它又随厚度增加而上升。因此，在能源消耗总量最低处，保温材料存在一个最佳厚度。保温材料对建筑能耗及回收期的影响分析不同保温层厚度对能耗的影响根据求导公式计算得出3种保温材料的能耗最佳保温层厚度如表所示:能耗最佳保温层厚度建筑保温材料聚氨酯聚苯乙烯真空绝热板最佳保温厚度/mm160340110保温材料对建筑能耗及回收期的影响分析不同种类保温材料对能耗的影响3种材料的总能耗比较保温材料对建筑能耗及回收期的影响分析不同种类保温材料对能耗的影响上图给出了3种保温材料的总的能源消耗的比较。在生命周期均为20a，基层墙体传热系数一定时，3种保温材料所消耗的总能量是不同的。在保温层厚度小于等于100mm时，聚苯乙烯和聚氨酯的总能量消耗差不多，真空绝热板的总能耗最大。但是，随着其保温层厚度的增加，它们之间的差异越来越大。显然，真空绝热板所消耗的总能量远大于其他两种材料的总能量消耗。另一个现象是，这3种保温材料的总能耗都是先减小，然后随着保温层厚度的增加而增加。保温材料对建筑能耗及回收期的影响分析分析加不同厚度保温层的能耗回收期不同保温层厚度的能耗回收期保温材料对建筑能耗及回收期的影响分析分析加不同厚度保温层的能耗回收期上图给出了3种保温材料对应不同保温层厚度时的能耗回收期，当基层墙体的传热系数一定且保温材料的生命周期一定时，影响建筑保温材料能耗回收期的主要因素是保温层的厚度。显然，随着保温层厚度的增加，保温材料的能耗回收期也相应增加。另外，我们还可以发现，不同的建筑保温材料的能耗回收期也是不一样的，特别是真空绝热板的能耗回收期，随着保温层厚度的增加，呈线性增加。保温材料对建筑能耗及回收期的影响分析不同基层墙体传热系数对能耗回收期的影响不同基层墙体传热系数的能耗回收期保温材料对建筑能耗及回收期的影响分析不同基层墙体传热系数对能耗回收期的影响上图中可以看出3种保温材料对应不同基层墙体系数时的能耗回收期的变化趋势。这显然表明，当基层墙体的传热系数降低时，能耗回收期大大增加。例如，当基层墙体系数为0.2时，真空绝热板，聚氨酯，聚苯乙烯的能耗回收期分别为是72a、21a和10a，当为1.0W/(m2·K)，3种材料的能耗回收期分别下降到13a、2a和1a。因此，在做建筑节能时，在不违反相关规定的前提下，为了能够在建筑的使用生命周期内尽快回收成本，应该选择基层墙体传热系数较大的建筑材料。相变储能型墙体保温材料的发展什么是相变材料？相变材料是在某一特定的温度下，能够从一种状态到另一种状态转变的物质，物质的分子迅速由有序向无序的转变，同时伴随着发生吸热或放热现象。在建筑节能领域，正是通过与相变材料的复合，增加建筑物的温度调节能力，达到节能、保温和舒适的目的。阻隔热传导+移峰填谷阻隔热传导阻隔热传导+相变蓄能或相变保温材料的保温方式常规保温材料的保温方式==相变储能型墙体保温材料的发展相变建筑材料的类型相变材料分类：按物质性质可分为无机材料、有机材料和复合材料；按物质相态主要分为固—相变材料和固—液相变材料。目前国内外应用于建筑节能领域的相变材料主要包括：（2）有机相变材料具有化学稳定性好、相变温度合适、相变潜热大、无毒、无腐蚀性等优点，但导热系数较小，传热性能差。有机固—液相变材料需要容器封装，成本高、工艺复杂。（1）结晶水合盐类无机相变材料，以及石蜡、羧酸、酯、多元醇和高分子聚合物等有机相变材料。结晶水合盐类无机相变材料具有潜热大、导热系数大、相变时体积变化小、价格低廉等优点，但在相变过程中会产生过冷和相分离现象，且对金属容器和建筑材料有腐蚀作用。相变储能型墙体保温材料的发展相变建筑材料的选择应用于建筑结构的相变材料必须要满足下列要求：(1)相变温度必须在室内舒适温度范围附近；(2)化学性质稳定、不能从墙板中泄露、长期循环不变质、与建材相容；(3)须在恒定温度下熔化及固化，且必须是可逆相变，不发生过冷现象(或过冷度很小)；(4)易与建材相结合；(5)无毒、无腐蚀、不易燃；(6)体积膨胀率小、具备较低蒸汽压；(7)具有较高的相变潜热、成本低，满足经济性等。相变储能型墙体保温材料的发展相变材料的封装技术相变材料与基材的结合方法主要有直接加入、浸泡和封装。直接加入法便于控制加入量，浸泡法则可对成品建筑材料进行处理。但是，采用这两种方法制备的相变储能建材耐久性差。封装方法有效地解决了上述问题。封装包括大体积封装和微体积封装。大体积封装是将相变材料装入管件、袋子、板状容器或其他容器中。但是由于其在相变时与环境接触面积太小，使得能量传递并不是很有效。微体积封装，又名微观封装，是指把载体基质做成微胶囊、多孔泡沫塑料或网状结构，而将工作物质灌注于其中；或者采用易成膜物质，如高密度聚乙烯，与相变材料共混而成，即利用二者的相容性，熔融后混合在一起制作成为成分均匀的相变材料。这种材料可与传统建筑材料直接复合，工艺简单，化学性质稳定，储热量高，热导率高。相变储能型墙体保温材料的发展相变墙体相变墙体是美国80年代中期开始研究的一种建筑围护结构，是含有相变材料的墙体。这种墙体由于相变材料的蓄热特性，可以显著减少夏季由室外通过围护结构向室内的传热，或者减少冬季由室内通过围护结构向室外的传热。下面以一个简单的数学模型来分析：假设有一个由两种材料构成的建筑结构，厚度为2cm，其中第一种材料厚度占1/3，第二种材料厚度占2/3。该建筑结构有两种型号:1#，第一种材料为硬脂酸丁酯(熔点25.3℃)，第二种材料为普通粘土砖；2#，第一种材料为导热系数与硬脂酸丁酯相同的非相变物质，第二种材料与1#相同。开始时该结构温度为23℃，然后保持第二种材料一侧的壁面温度不变，在该结构的另一壁面上加一个恒定热流(50W/㎡)，这样就可以计算出通过该结构的逐时导热量。结果发现，在最初的15min内，通过1#构件的热流几乎为零，而且直到1.8h后通过两种型号结构的热流才相等。可见，由于相变材料的存在，通过建筑结构的传热量可以大大降低。相变储能型墙体保温材料的发展相变墙体1978年，美国Delaware大学蓄能研究