创新结题报告

大学生创新计划（实践中心开放）项目结题报告二○一四年九月结题报告新农村住房建设保温材料的研究关键词：新农村、节能、导热系数、防火性能通过相关资料的查询，我们了解到了近10年来，每年新建的农村住宅为6亿~7亿m2，占全国新建住宅总量的一半以上。农村居民采暖能源消耗量占到其建筑总能源消耗的52%左右，成为能源消耗的主要组成部分。因此，应将探求农村住宅的节能技术放在首要位置。为实现农村住宅由高能耗向低碳型的根本转变，研究推广节能保温、绿色环保抗震性能好、经济实用的新型结构体系迫在眉睫。实现农村住宅建筑的低碳化最简便有效的措施是能够开发一种以低能耗、低排放、高效率为基本特征的，符合可持续发展理念的新型建筑。在我国社会总能耗中,建筑能耗占了相当大的比例,而建筑能耗当中,外墙热损失又占了很大份额,其保温材料主要以水泥基发泡材料、岩棉板、珍珠岩、膨胀聚苯板（EPS板)、挤塑聚苯板（XPS板）、聚氨酯发泡材料和酚醛树脂复合板为主。从我国多年实施建筑节能的实践过程看，在取得了重大经济效益和社会效益的同时，也暴露出了一些保温材料性能衰减强弱的问题。由于建筑外保温材料长期处于自然界的各种因素的综合作用，保温材料性能逐渐变化，很可能造成外保温材料系统保温隔热性能失效，最后失去使用价值，所以研究对保温材料的衰减情况显得至关重要。只有调查研究好已经黏贴在外墙上的保温材料且经过光照和温湿度的影响，才能更准确的看出保温材料的耐久性和保温性。为将来住宅由高能耗向低碳型、研究推广绿色环保节能保温、经济实用的新型结构体系的转型做基础。同时也符合可持续发展理念。所以我们选择了这一方面设立一个创新研究课题，相信这是一个很有意义的研究方向。保温材料的绝热性能的最重要的指标就是材料的导热系数，导热系数越小，其保温效果会越好。热导率即导热系数。保温材料传递热量的性质称为导热性。它是保温材料传递热量能力大小的参数，反映了材料的导热能力，是保温材料的主要热物理特性。热导率与材料的其他一些物理性能(如密度和含水率)密切相关，还与材料的内部结构有关，也与保温层尺寸有关。材料导热系数的大小，受本身的物理构成、密实程度、构造特征、环境的温湿度及热流方向的影响。通常，金属材料的导热系数最大，无机非金属材料次之，有机材料最小；相同组成时，晶态比非晶态材料的导热系数大些；密实性大的材料，导热系数亦大；在孔隙率相同时，具有微细孔或封闭孔构造的材料，其导热系数偏小。此外，材料含水，导热系数会明显增大；材料在高温下的导热系数比常温下大些；顺纤维方向的导热系数也会大些。所以保温材料的不合理选择会导致材料的寿命减少，从到导致材料的浪费。因此选择一种合适的新型保温才料对新农村外墙保温性能有着很大影响。实验：1、防护热箱法是对非透明围护结构传热系数的测定，如垂直试件（自保温砌墙）、水平试件（屋面板、楼板）、建筑保温材料等。实验室测量参照的主要标准：GB/T13475—2008《绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法》。2、通过燃烧性实验对几种外墙保温材料的燃烧性进行测定对比。参照的主要标准：《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火规定》和《外墙保温工程技术规程》。一、对保温材料导热系数的测定本项目主要是针对各种保温材料特性进行对比研究，热箱法是基于一维稳态传热的原理，在试件两侧的箱体（热箱和冷箱）内，分别建立所需的温度、风速和辐射条件，达到稳定状态后，测量空气温度、试件和箱体内壁的表面温度及输入到计量箱的功率，从而计算出试件的热传递性质——传热系数。因为要检测通过被测对象的热量，因此要把传向别处的热量进行剔除，这样根据处理方式的不同又分为标定热箱法和防护热箱法。本实验室采用的是防护热箱法实验装置如图图1：防护热箱装置结构图（具体尺寸依现场装置而定）1-防护箱微调加热器2-试验墙体3-支撑件4-导流板（无）5-热箱微调加热器6-分体式变频空调器7-冷箱加热送风器（无）基于一维稳定传热原理，模拟夏季围护结构件的传热，将构件置于装置为两个不同温度箱体之间，在这两个箱体内分别建立夏季室内外气象条件而进行测试。热箱模拟夏季室外空气温度、风速、辐射条件；冷箱模拟夏季室内空调房间空气温度、风速。经过若干小时的运行，整个装置均达到稳定状态。形成稳定温度场、速度场后，测量试件两侧的空气温度，表面流速，表面防护箱温度，以及输入热箱的风扇电量和电加热器耗电量，就可以算出试件传热系数K，从而判别该试件热工性能优劣。根据热平衡原理，有Q3Q21QpQ。Qp为输入到计量箱的总功率，Q1为流过被测试件的热量，Q3为流过计量箱壁的热量，Q2为试件内不平衡热流量。通过控制防护箱的环境温度，即控制其温度与计量箱内的环境温度基本相等，从而使Q2和Q3减至最小，甚至为零。此时，有Qp=Q1。测试墙体构件传热系数K=）（Tn2-Tn1AQ（w/m2*k）Tn1--试件热测的环境温度Tn2--试件冷侧的环境温度A--垂直于热流的计量面积（m2）Q--试墙表面与热环境交换的总热流量（w）1.检测前期工作根据试件的检查和分析，应初步估计出试件热工性能的可能范围值，并评价可能获得的准确度。1.1检测设备标定墙体保温检测设备在投入使用前应进行计量箱壁的标定。标准试件采用长期存放的EPS或XPS板，厚度可以是50~100mm。标准试件可重复多次使用，但应小心保存，避免受潮、阳光照射。标定时冷箱和计量热箱的温度设定应根据实际使用情况确定，冷箱温度应与实际使用时一致；计量热箱温度设定为第一种工况比防护热箱温度低3～5℃、第二种工况比防护热箱温度高3～5℃，而防护热箱的温度始终保持与实际使用时一致。1.2检测前样品处理墙体在砌筑过程中要进行润湿处理，含水率较高。加上墙体俩侧的砂浆面板、防水层等，短期内水分不易蒸发。因此必须要对墙体的含水率进行人工调节，控制墙体的含水率在5%以下，尽量将被测试的墙体在干燥状态下进行，使检测结果更加接近理论计算值，各个检测机构的检测结果趋于接近。1.3参数控制热室最高温度：30℃热室温度控制精度：0.1℃冷室最低温度：-10℃冷室温度控制精度：0.2℃冷热箱内空气温度均匀，纵向梯度不超过0.5℃制冷机组功率：2.2KW电暖器功率：500W传感器精度：0.0625温差范围：25℃～50℃计量热箱的空气流速可采用自然对流形式，冷箱空气流速宜控制距离试件冷表面50mm处的平均风速为3.0m/s。（允许）2.实验准备2.1试件安装安装前检查试件俩侧是否有连通的空气孔，如有应充分填埋。热箱侧的试件表面应平整，保证鼻锥带与试件框表面充分接触，隔绝计量箱内外侧的空气流。2.2试件表面温度传感器布置本实验室检测装置试件冷热侧各有5个热电偶，建议每侧面的测点分布为四角各一个中间一个，且冷热面对称分布。需要注意的是，热电偶端应用硅胶粘合，增强冷侧面表温度的准确值。同时应注意避免温度测点过多地布置于热桥处。同时应测量所有与试件进行辐射换热表面的温度，以便计算平均辐射温度。2.3测量时间控制不同墙体、砌块达到稳态传热的时间是不同的，判断一个墙体的传热是否会达到平衡状态，应至少在两个2h的测量周期内(12次的数据采集结果)其热功率、温度差、传热系数计算值的偏差值小于1%，且不是单方向变化，说明传热已经趋于稳定状态。2.4注意的问题a.计量面积应足够大，b.热源应用绝热反射罩屏蔽使得辐射到计量箱壁和试件上的辐射热量减至最小。c.实验允许的话，可以在冷热侧均设置导流屏。导流屏应与计量箱内面同宽，上下端有空隙以便空气循环。导流屏在垂直其表面方向上可以移动，以调节平行于试件表面的空气速度。导流屏表面的辐射率亦应大于0.8。d.防护箱内环境的不均匀性引起不平衡误差应小于±0．5％。为避免防护箱中的空气停滞不动，通常需要安装循环风扇。e.试件表面如果不平整，可用砂浆、嵌缝材料或其他适当的材料将同计量箱周边密封接触的面积填平。经过测定导热系数的实验和相关资料查询暂时得出以下数据：1、膨胀聚苯板（EPS板)导热系数0.038-0.041保温效果好，价格便宜，强度稍差2、挤塑聚苯板（XPS板）导热系数0.028-0.03保温效果更好，强度高，耐潮湿，施工时表面需要处理3、岩棉板导热系数0.041-0.045，吸湿性大，保温效果差4、胶粉聚苯颗粒保温浆料导热系数0.057-0.06，废品回收保温效果不理想，对施工要求高。5、聚氨酯发泡材料导热系数0.025-0.028防水性好，保温效果好，强度高，价格较贵6、珍珠岩等浆料导热系数0.07-0.09，保温效果差，吸水性高二、对保温材料燃烧性能的测定TRSJ-B建筑材料可燃烧试验箱又称建筑材料可燃烧试验机，它是专门用于试验评定建筑材料是否具有可燃性的试验设备，是建筑工程检测项目当一项重要的试验器材，建筑材料可燃烧试验箱由试验部分和控制部分组成采用一体化设计，建筑材料可燃烧试验箱主要是方便现场安装和调试。建筑材料可燃烧试验箱外壳及重要部件采用不锈钢制造，耐烟、气腐蚀。控制系统自动化程度高，具有自动点火功能。温度和时间数字显示，观察记录方便，使用稳定可靠。TRSJ-B建筑材料可燃烧试验箱依据标准：《GB8626-2007建筑材料可燃性试验方法》设计的。实验装置如图TRSJ-B建筑材料可燃烧试验箱建筑材料燃烧性能的级别和名称级别名称A不燃B1难燃B2可燃B3易燃根据《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》中规定：民用建筑外保温材料的燃烧性能宜为A级，且不应低于B2级。民用建筑外保温材料规定如图序号建筑分类建筑物高度（m）保温材料燃烧性能等级备注1非幕墙式建筑≥100A级260≤H＜100≥B2级当采用B2级保温材料时，每层应设置水平防火隔离带324≤H＜60≥B2级当采用B2级保温材料时，每两层应设置水平防火隔离带4H＜24≥B2级当采用B2级保温材料时，每三层应设置水平防火隔离带5其他民用建筑≥50A级624≤H＜50A级或B1级当采用B1级保温材料时，每两层应设置水平防火隔离带7H＜24≥B2级当采用B2级保温材料时，每层应设置水平防火隔离带8幕墙式建筑≥24A级9H＜24A级或B1级当采用B1级保温材料时，每层应设置水平防火隔离带10屋顶屋顶基层采用耐火极限不小于1.00h的不燃烧体的建筑≥B2级其他情况，保温材料的燃烧性能不应低于B1级经过实验以上各类保温材料性能对比：如表2.1所示：表2.1各类保温材料性能对比表名称项目表观密度（kg/m3)导热系数w∕(m.k)燃烧性能吸水率（%）尺寸稳定性(%)抗压强度（kpa）膨胀型聚苯乙烯泡沫板18-30≤0.041B2级2.0-4.0≤3.060-150挤塑型聚苯乙烯泡沫板25-38≤0.028B1级≤1.0≤2.5150-250硬质聚氨酯泡沫保温板40-60≤0.025B2级≤3≤2.0200-270酚醛泡沫保温板50-80≤0.025A级0.5-1.0≤2.7≥250岩棉板120≤0.04A级3.7-4.5≤1.5100-150水泥发泡板150≤0.045A级2.0-3.0≤2.3200-300STP板450≤0.008A级≤1.0≤2.6400-450由表2.1的数据对比可以看出，有机保温材料的导热系数相对于无机保温材料来说较小，也就是说有机保温材料的保温性能较好；从燃烧性能的指标来看，无机保温材料的燃烧性能较差，符合65号文件的要求，而有机保温材料却无法达到规定的要求；STP保温板作为一种新型的建筑保温材料，其各方面的性能指标都是有机保温材料和无机保温材料优点的集大成者，所以STP保温板的发展和应用值得关注。三、适用于新农村住宅建设的保温材料以市场调查为依据，并结合农村住宅的一些实际情况，现在对膨胀型聚苯乙烯泡沫板、挤塑型聚苯乙烯泡沫板、岩棉板、水泥发泡板、硬质聚氨酯泡沫保温板、酚醛泡沫保温板、这几种国内外常用的建筑保温材料进行保温性、耐久性和价格等因素进行比较，并选择出适合新农村住宅建设的保温材料。3.1保温性保温性能的优劣是衡量一个建筑保温材料性能的最基本指标，而保温材料的导热系数则能充分的体现出保温材料的保温性。各种保温材料的导热系数如表3.1所