石膏基外墙内保温材料导热系数的实验研究

2022-09-11

在各类建筑物中, 外墙面的材料和保温性能对建筑物能耗的高低影响最为直接。因此, 外墙面的保温性能直接影响着建筑的热量消耗。石膏基外墙内保温材料作为一种新型的保温节能材料已在建筑工程中得到应用, 其技术参数和性能价格比皆高于现有的保温制品。石膏是传统的三大胶凝材料之一, 生产建筑石膏的能耗只有水泥的10%~15%。石膏[1]又是公认的绿色建材, 导热系数小, 能在一定范围内调节室内空气湿度的“呼吸”功能, 给居住者以舒适的环境。虽然石膏基保温材料的导热系数小, 能够起到节能的作用, 但缺乏相应的测量数据来反应节能的效果。因此, 研究石膏基保温材料的热传递性能及导热系数, 对测试结果进行系统分析, 为保温墙体的节能设计提供支持的节能数据。

1 实验方法与试件

1.1 实验方法

导热系数是指传递热量的物质厚度为1m、面积为1m2, 两壁面的温差为1℃时, 每小时 (h) 通过的传热量, 单位是W/ (m·K) 。根据导热系数的实验测量原理[2], 其测量方法分为稳态法和非稳态法。石膏基保温材料的导热系数在0.02W/ (m·K) ~0.2W/ (m·K) 之间, 因此采用稳态测试法[3]。稳态法的测试是根据平板导热微分方程, 在第二类边界条件下加热问题的解来确定导热系数[4]。依据不稳定导热过程中, 温度场变化的准稳定阶段, 即被测试材料中任意两点的温度差不随时间变化来测试。采集到温度差, 根据平板导热微分方程, 在第二类边界条件无限大平板的导热问题来确定材料的导热系数。在准稳态时, 试件加热面与中心面的温度差为:

根据式 (1) 求出导热系数:

其中:cq为沿x方向从端面向平板加热的恒定热流密度 (W/m2) ;

δ为平板厚度 (m) 。

稳态测试法的根本就在于测试加热面与中心面的温度。传统稳态测试法的温度是采用电势差和温度的换算来测得两个面的温度, 需要人工读取电势差, 而且两者之间的换算存在误差。本实验在试件和试件的接触面、试件与平面加热器的接触面以及试件与绝热层的接触面内各放置一个铜-康铜测温热电偶[5], 将三个热电偶编号并按顺序号直接连接到JTRG-Ⅱ型建筑热工温度与热流自动测试系统。热电偶从第5路开始依次接入, 显示温度信号。开机后, 自动测试系统分别记录每个热电偶的瞬时温度值, 并每隔1min自动存储一次当前的各路信号数据。实验装置如图1所示。

1.2 实验试件

石膏基外墙内保温材料是以建筑石膏为主要原料, 掺入适量外加剂制成的抹灰材料。本实验采用编号分别为170、180和250三种不同外加剂配比的试件, 试件配合比参见表1, 三种试件的干密度分别为:295kg/m3、292kg/m3和350kg/m3。供导热系数测试的试件共有9组, 三种不同编号的试件分别选取厚度为10mm、20mm、30mm各4块作为一组测试, 试件规格为 (L×W) :300mm×300mm, 自然养护 (见表1) 。

2 实验数据分析

实验结果如图2、图3、图4所示, 图中横轴为连续检测时间。下面分别讨论温度变化情况和导热系数的影响因素 (见图2、3、4) 。

2.1 温度变化情况

实验从开机时开始每隔一分钟记录一次-数据, 因为开始实验后墙体有一个蓄热的过程, 温度变化比较快, 因此温度差-时间曲线在开始阶段很陡, 斜率很大, 如图2、图3、图4所示, 大约在10~20分钟的时候, 温度差-时间曲线基本与时间轴平行, 蓄热散热逐步达到平衡, 也就达到了传热的稳定阶段。在实验过程中, 冷热两端的温度差随着加热的进行逐渐增大, 但因为试件的厚度差异, 各试件达到稳定阶段时的温度差值相差很大, 如图2所示。厚度为10mm的试件在达到稳定时的两端温度差在12℃~14℃之间, 而20mm和30mm厚的试件两端温度差分别为18℃~20℃和22℃~24℃。从而说明, 厚度越大的试件其加热面与中心面的温度差越大, 从图3、图4也能得到相同的结论。

2.2 导热系数的影响因素

以编号170、10mm厚的试件为例计算该试件的导热系数:加热器的电阻R=99.77Ω, 通过电流I=0.29A, 因此加热器的热流量为:

带入计算公式 (2) 得:

同理计算出各试件的导热系数, 结果见表2所示。

通过计算可以得出, 编号180试件的导热系数最小。在厚度相同的情况下, 主要原因在于编号180试件的干密度最小。结合表1、表2可以看出, 编号170和250的试件配比只是引气剂的量不一样, 两者的干密度相差很大, 因而厚度相同的试件导热系数相差也很大。编号170试件的干密度小, 试件内部的孔隙大而多, 孔隙充满空气, 而空气的导热系数为0.023W/ (m·K) 属于不良导体, 使热量传递过程减慢。因此, 在其他条件相同的情况下, 试件的干密度越小其导热系数也越小。但在对比这两组试件的导热系数时发现, 编号170厚度为20mm试件的导热系数与编号250厚度为10mm试件的导热系数相差不大, 编号170厚度30mm试件与编号250厚度20mm试件的导热系数相差很小。对于建筑节能设计, 需要的只是保温材料的导热系数值在一定的范围。如所需保温材料的导热系数为0.04W/ (m·K) ~0.05W/ (m·K) , 选择20mm厚的170号试件与10mm厚的250号试件都可以满足。但是, 选用的保温材料厚度越小, 所用材料越少, 在达到相同的节能效果时其经济效益越好。

从表2可以看出, 试件的厚度越大, 其导热系数增大;为了进一步分析厚度对导热系数的影响, 采用最小二乘法, 对以上实验数据进行2次多项式拟合[6], 取置信度为99%, 得到石膏基保温材料试件的导热系数λ与试件厚度δ的回归方程为:

回归后的相关系数R2=1, 标准误差为±0.0002, 说明2阶多项式模型回归精确度非常理想。

上面分析材料的导热系数仅仅是从传热达到稳定阶段来说明, 那么对于达到稳定之前的温度变化也能从侧面反映材料的传热过程。从图2可以看出, 试件两面的温度差随着加热的进行逐渐增大, 但在增大到一定时间后就不再增加, 从图上表示出趋向平行于水平轴, 这就表示传热达到稳定阶段。下面来分析试件达到稳定的时间。在第二类边界条件下, 无限大平板的导热微分方程为:

式 (4) 中:τ为时间 (s) ;λ为平板的导热系数 (w/m·℃) ;a为平板的导温系数 (m2/s) ;0F-δaτ2, 傅立叶准则;t0为初始温度 (℃) ;cq为沿x方向从端面向平板加热的恒定热流密度 (w/m2) 。由分析解中反映时间影响的部分[exp (-µn2F0) ]可见, 无穷级数第一项以后的各项会随着0F数的增加而迅速衰减。通过数值计算, 当0F数大于0.2以后, 略去无穷级数中第二项及以后各项所得的计算结果与按完整计算结果的偏差小于1%, 即这时传热达到稳定阶段。根据原始数据计算当0F≥0.2时的时间, 计算结果见表3。从表3可以看出, 厚度为10mm的试件达到稳定的时间要比厚度为20mm的试件达到稳定的时间要早, 即厚度越大, 越难达到稳定。说明保温材料的厚度增大到一定值热扰动就越深入地传播到物体内部, 因而物体内各点的温度越接近周围介质的温度。由此来看, 保温材料越厚, 材料内部的温度越接近室内温度, 对有效的节能保温有一定的负面影响 (见表3) 。