板材保溫系統(tǒng)墻體的傳熱分析

引言

隨著國家節(jié)能減排進程的推進，節(jié)能型墻體的應(yīng)用越來越普遍，目前應(yīng)用比較普遍的保溫墻體主要包括膠粉聚苯顆粒漿料系統(tǒng)墻體、膨脹聚苯板系統(tǒng)墻體、無機輕集料砂漿系統(tǒng)墻體和擠塑聚苯乙烯泡沫板保溫系統(tǒng)墻體。以上前三種保溫系統(tǒng)墻體都有相關(guān)的國家或者行業(yè)標準，但是擠塑聚苯乙烯泡沫板保溫系統(tǒng)墻體相關(guān)的國家和行業(yè)標準還是空白。因此為了加深對擠塑聚苯乙烯泡沫板保溫系統(tǒng)墻體的研究以便為擠塑聚苯乙烯泡沫板保溫系統(tǒng)墻體標準的制定提供一定的借鑒，有必要對擠塑聚苯乙烯泡沫板保溫系統(tǒng)墻體進行傳熱機理的研究，并與模塑聚苯乙烯泡沫板保溫系統(tǒng)墻體進行比較。

1 墻體傳熱的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)傳熱學(xué)理論墻體導(dǎo)熱的控制方程為式1所示：

式中，表示材料密度，表示材料的比熱容，表示當前溫度值，表示時間，表示材料沿x，y，z方向的導(dǎo)熱系數(shù)。其中P、C、Kx、Ky、Kz都隨溫度變化。該式需要定義邊界條件和初始值方可求解。

2 保溫系統(tǒng)墻體模型的建模

聚苯乙烯泡沫塑料是以聚苯乙烯樹脂或其共聚物為主要成分，添加少量添加劑，通過加熱擠塑成型而制得的具有閉孔結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)泡沫塑料。聚苯乙烯泡沫板相對于其它無機的保溫材料具有質(zhì)量輕、保溫效果好和吸水率低等特點，因此十分適合用作外墻的保溫材料。而擠塑聚苯乙烯泡沫板相對于膨脹聚苯板具有抗壓強度高、吸水率低和導(dǎo)熱系數(shù)小等優(yōu)點，因此從性能上來說擠塑聚苯乙烯泡沫板要優(yōu)于模塑聚苯乙烯泡沫板。本論文將利用有限元軟件ansys對擠塑聚苯乙烯泡沫板保溫系統(tǒng)墻體進行傳熱模擬，以便分析墻體內(nèi)部的傳熱機理。

Ansys軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN,Alogor, I－DEAS, AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAE工具之一。其主要的分析流程如下圖1所示：

本論文將利用ansys軟件中的熱分析模塊，分別構(gòu)建一維的擠塑聚苯乙烯泡沫板外保溫系統(tǒng)墻體、擠塑聚苯乙烯泡沫板內(nèi)保溫系統(tǒng)墻體、模塑聚苯乙烯泡沫塑料外保溫系統(tǒng)墻體和模塑聚苯乙烯泡沫塑料內(nèi)保溫系統(tǒng)墻體的傳熱模型，分析墻體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度場變化，并將四種墻體的保溫效果進行比較和分析。

墻體模型構(gòu)造如表1和表2所示：

保溫墻體的外表面溫度取夏熱東暖地區(qū)冬季的典型室外溫度，墻體的內(nèi)表面設(shè)為25℃。模型運行過程可分為兩個步驟，第一個步驟為穩(wěn)態(tài)分析階段，在該階段利用外界初始溫度和墻體內(nèi)表面生成穩(wěn)定的墻體內(nèi)部溫度場，第二個步驟為瞬態(tài)分析階段，隨著墻體外表面溫度的變化，墻體內(nèi)部的溫度場必將產(chǎn)生變化，并存在高溫區(qū)往低溫區(qū)傳熱的過程。在第二個階段中保溫性能的好壞決定了墻體的傳熱快慢和溫度場分布。從內(nèi)墻面到外墻面選取墻體內(nèi)部五個節(jié)點讀取變化的溫度。

3 墻體內(nèi)部溫度場的分析

以下為四種墻體在同樣的環(huán)境溫度條件下墻體內(nèi)部的溫度場變化。圖2至圖5中的曲線從上到下表示從內(nèi)墻面到外墻面墻體內(nèi)部各點的溫度變化曲線。

通過圖2和圖3中擠塑板外保溫墻體和模塑板外保溫墻體的傳熱的模擬可以發(fā)現(xiàn)，擠塑板作為外保溫材料時墻體內(nèi)部的溫度變化較為平緩，這是因為擠塑板的導(dǎo)熱系數(shù)比較小，在相同的溫差條件下，所傳遞的熱量比模塑板要小，因此，用擠塑板作為外保溫材料可以比模塑板起到更好的保溫效果，另外，墻體內(nèi)部溫度的變化率隨著板材的保溫性能的增強而變小，這可以最大限度的防止墻體無機材料因為溫度較高的變化率而產(chǎn)生收縮或崩裂，對墻體的穩(wěn)定性起到一定的幫助。

圖1 ansys有限元分析流程圖

表1 墻體構(gòu)造

表2 材料物理性能

圖2 摸塑板外保溫系統(tǒng)墻體溫度變化

圖3 擠塑板外保溫系統(tǒng)墻體溫度變化

圖4 擠塑板內(nèi)保溫系統(tǒng)墻體溫度變化

圖5 摸塑板內(nèi)保溫系統(tǒng)墻體溫度變化

從圖4和圖5內(nèi)保溫系統(tǒng)墻體內(nèi)部的溫度變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，墻體內(nèi)部各點的溫度與外表面的溫度變化基本一致。無論是摸塑板還是擠塑板墻體，保溫效果均不理想。這是因為當板材作為內(nèi)保溫使用時，導(dǎo)熱系數(shù)較大、熱容較小的無機材料與外界空氣接觸，無機材料內(nèi)部的傳熱主要由毛隙孔中的空氣對流傳熱和無機材料的導(dǎo)熱完成，這會導(dǎo)致墻體基層的無機材料部分受外界溫度的變化影響很大，從而直接影響到了墻體內(nèi)側(cè)保溫板的保溫效果。

4 影響墻體保溫效果的因素

以上的模型分析是建立在理想狀態(tài)下的傳熱模擬，但在實際應(yīng)用中，墻體的保溫性能受到自身構(gòu)造和各種環(huán)境因素的影響。雖然聚苯乙烯板的吸水率比較的低，通常在0.5%至6%之間，但是由于水的導(dǎo)熱性能良好且容易導(dǎo)致對流傳熱，因此當聚苯板作為外保溫受潮時將具有一定的含水率，由此對保溫性能產(chǎn)生一定的影響，當聚苯板作為內(nèi)保溫時，外側(cè)的墻體無機材料更容易吸收水分從而極大的影響保溫性能。

5 結(jié)語

通過以上分析，得出以下結(jié)論：擠塑板用作墻體外保溫時比起模塑板可以使得墻體內(nèi)部溫度變化更加的平緩；聚苯板外保溫系統(tǒng)墻體內(nèi)部的溫度場變化比較平緩，其保溫效果比內(nèi)保溫墻體要好。