酚醛板的外墻外保溫應(yīng)用研究

1、文章編號(hào):酚醛板的外墻外保溫應(yīng)用研究摘 要：酚醛板作為新興的有機(jī)保溫材料，尚未得到廣泛的認(rèn)知和推廣。本文對(duì)酚醛板、聚苯板、擠塑板及聚氨酯四種保溫材料進(jìn)行了同條件下的阻燃、隔熱及熱穩(wěn)定試驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)用 TRNSYS軟件進(jìn)行了能耗分析。結(jié)果表明酚醛板的各項(xiàng)性能均優(yōu)于其它材料，在50年的生命周期內(nèi)，酚醛板比聚苯板節(jié)能31000GJ左右。最后對(duì)這四種有機(jī)保溫材料進(jìn)行防火保溫綜合測(cè)評(píng)，總結(jié)出酚醛板綜合性能最佳。關(guān)鍵詞：墻體保溫；酚醛板；燃燒試驗(yàn)；耗能模擬；綜合評(píng)價(jià)中圖分類(lèi)號(hào)：TU55.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0引言從上世紀(jì)70年代世界范圍爆發(fā)的能源危機(jī)以 來(lái)，各國(guó)都十分重視節(jié)能問(wèn)題1。近年來(lái)，作為能耗

2、消耗大戶的建筑業(yè)飛速發(fā)展，造成了越來(lái)越多的能 耗被消耗2,致使霧霾現(xiàn)象非常嚴(yán)重， 而建筑采暖中 礦物燃料燃燒產(chǎn)生的有害氣體是造成空氣污染的重 要因素之一，由于我國(guó)采暖地域廣，且供暖時(shí)間長(zhǎng)， 在漫長(zhǎng)的冬季大量的的煤炭燃燒造成二氧化碳排放 量過(guò)大，濃煙滾滾，空氣污染十分嚴(yán)重，天不再那 么藍(lán)，空氣也不再清新。由于我國(guó)的建筑能耗量約 占全國(guó)總用能量的1/4,居耗能首位，所以保護(hù)地球 大氣、減排溫室氣體建筑節(jié)能3勢(shì)在必行。同時(shí)建筑 節(jié)能有利于改善生態(tài)環(huán)境，減少霧霾現(xiàn)象。早在20世紀(jì)40年代，酚醛以其良好的保溫隔 熱性能已被德國(guó)應(yīng)用于飛機(jī)，但是由于其成本高昂， 在隨后的許多年酚醛泡沫板并沒(méi)能大規(guī)模的興起和

3、 使用。直到70年代，隨著歐美等國(guó)家對(duì)酚醛泡沫板 進(jìn)行了改進(jìn)，于是開(kāi)始將其用作建筑外墻的保溫材 料。我國(guó)于80B末90B初期開(kāi)始對(duì)酚醛板進(jìn)行研究， 隨著近年來(lái)有機(jī)保溫材料的大面積使用以及建筑火 災(zāi)3-7的頻繁發(fā)生，作為有機(jī)材料的酚醛板因其優(yōu)良 的保溫、防火、耐火焰耐高溫畸變、低煙無(wú)毒等特 性受到市場(chǎng)的廣泛需求，相對(duì)于傳統(tǒng)的保溫材料則 更符合建筑外墻保溫系統(tǒng)的節(jié)能和防火要求，也在 逐步被大家認(rèn)知和廣泛使用。李航8對(duì)外墻保溫材料的燃燒性能進(jìn)行了簡(jiǎn)單 介紹，顧衛(wèi)星、張陽(yáng)等9對(duì)酚醛板及其它外墻保溫材 料的燃燒性能進(jìn)行了的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明在1400 c時(shí)，酚醛板依然保持良好的阻燃性和工作性。陳小霞等1

4、、路國(guó)忠對(duì)酚醛泡沫材料的阻燃保 溫進(jìn)行了相應(yīng)的研究，余維明分析了酚醛板在建筑 行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，同時(shí)對(duì)酚醛板的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行全面 說(shuō)明，并提出了推動(dòng)酚醛應(yīng)用于外墻外保溫的發(fā)展 建議。夏琴，丁春花等人對(duì)當(dāng)前的保溫政策做了梳 理和分析，展望了在建筑保溫領(lǐng)域有機(jī)材料和無(wú)機(jī) 材料的發(fā)展方向。本文一方面通過(guò)六組試驗(yàn)就酚醛 板的阻燃性、隔熱性能以及熱穩(wěn)定展開(kāi)對(duì)比研究； 另一方面通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)其節(jié)能性進(jìn)行分析說(shuō) 明。1酚醛保溫板的物理性能酚醛板的主要原料成分是酚醛樹(shù)脂，屬于無(wú)污 染、無(wú)毒材料，經(jīng)添加發(fā)泡劑、固化劑、表面活性 劑后，在高溫條件下通過(guò)全自動(dòng)生產(chǎn)線發(fā)泡而成的 一種勻質(zhì)的泡沫材料。酚醛保溫板基本性能指

5、標(biāo) 如下：表1酚醛保溫板基本物理性能參數(shù)Tab. 1 Parameters of basic physical property for PF項(xiàng)目檢驗(yàn)值備注體積密度407510%形變下的壓縮強(qiáng)度100抗拉強(qiáng)度80破壞彎曲力10壓縮蠕變80C 20 C3GB/T 20974-2007 （II 類(lèi) A）尺寸穩(wěn)定性2.0導(dǎo)熱系數(shù)（平均25C）0.030透濕系數(shù)23C 10 C6.5吸水率6.7:GB 8624-1997耐候性合格JGJ144-2004耐凍融性能合格燃燒性能A2-s1,d0,t2GB8624-2006系統(tǒng)燃燒性能AGB8624-19972酚醛板的燃燒性能試驗(yàn)對(duì)比PF （酚醛板）作為有機(jī)

6、材料的一種，它的阻燃 性能突出，是EPS（聚苯板）、XPS （擠朔板）、PU （聚 氨酯）和無(wú)法比擬的，我們將這四種材料進(jìn)行四組 燃燒性能對(duì)比試驗(yàn)和兩組驗(yàn)證其不燃的特性和熱穩(wěn) 定性的試驗(yàn)：（1）第一組：普通火源的燃燒對(duì)比火源：打火機(jī)試驗(yàn)材料規(guī)格：1cm 10cm 6cm四種保溫材料的在普通火源下燃燒對(duì)比試驗(yàn)現(xiàn) 象如下：EPS（聚苯板）在打火機(jī)的火焰下迅速燃燒，伴 隨著材料的熔融滴落，產(chǎn)生大量的濃煙，一分鐘后 燃盡，基本無(wú)剩余物；XPS （擠朔板）與EPS（聚苯板）的情況類(lèi)似， 燃燒時(shí)間為1分40秒；PU （聚氨酯）迅速燃燒，火焰較EPS（聚苯板）、 XPS （擠朔板）小，燃燒速度較慢，并產(chǎn)生具

7、有強(qiáng)烈 的刺激性氣味的氣體，三分鐘后燃盡，剩余部分仍 有隱然現(xiàn)象；PF （酚醛板）在打火機(jī)一分鐘的烘烤下，未 被點(diǎn)燃，只是表面碳化，無(wú)任何燃燒現(xiàn)象。（2）第二組：裸板焊槍燃燒對(duì)比試驗(yàn)火源：焊槍?zhuān)鹧鏈囟葹?1700 C試驗(yàn)材料規(guī)格：60cm 90cm 4cm四種保溫材料在焊槍火源的燃燒對(duì)比試驗(yàn)現(xiàn)象 如下：EPS（聚苯板）在焊槍的火焰下迅速燃燒，產(chǎn)生 大量的濃煙，兩分鐘后燃盡，經(jīng)測(cè)試，滴落物溫度 高達(dá)200 C,三分鐘后冷卻至常溫；XPS（擠朔板）在焊槍的火焰下同樣迅速燃燒， 產(chǎn)生大量濃煙并伴有刺鼻氣味，兩分鐘后燃盡滴落 物較多；PU （聚氨酯）在焊槍的火焰下燃燒并產(chǎn)生大 量的氧化物氣體，五分鐘

8、后火焰熄滅，但板材中仍 存在隱然現(xiàn)象，傳播速度較慢；較EPS（聚苯板）、XPS （擠朔板）小，燃燒速度較慢，但所產(chǎn)生的煙氣具有強(qiáng)烈的刺激性氣味，令人產(chǎn)生很強(qiáng)的不適感，三 分鐘后燃盡，剩余部分仍有隱然現(xiàn)象；PF （酚醛板）在焊槍的高溫火焰下，未被點(diǎn) 燃，只是表面迅速碳化，僅產(chǎn)生微量氣體，碳化深 度為0.5cm。（3）第三組：外墻火模擬試驗(yàn)對(duì)比試驗(yàn)準(zhǔn)備：將未復(fù)合的 EPS（聚苯板/XPS （擠 朔板）、PU （聚氨酯）和PF （酚醛板）固定在裸露 的水泥墻上，使用貨源為木材，室外溫度為10C,風(fēng)力5級(jí)。試驗(yàn)實(shí)施：將木材點(diǎn)燃，觀察火焰接觸樣品后， 十分鐘的燃燒情況。EPS（聚苯板）和XPS （擠朔板

9、）的燃燒情況類(lèi) 似，加之風(fēng)力的作用，火焰迅速蔓延，2分鐘內(nèi)燃盡， 滴落物增大了木材的火勢(shì)。PU （聚氨酯）在木材的火焰下緩慢燃燒，但 變形嚴(yán)重，在整體碳化后，我們看到板材內(nèi)部還有 許多火星在蔓延，10分鐘后，PU （聚氨酯）徹底燃 盡，余灰隨風(fēng)脫落。PF （酚醛板）在木材的火焰下無(wú)任何的燃燒 現(xiàn)象，只是與火焰接觸部分發(fā)生碳化收縮現(xiàn)象，10分鐘后，經(jīng)測(cè)試，收縮體積僅為 15%。（4）第四組：汽油點(diǎn)燃對(duì)比試驗(yàn)試驗(yàn)準(zhǔn)備實(shí)施：將汽油均勻?yàn)⒃谖唇?jīng)復(fù)合的EPS（聚苯板/XPS （擠朔板）、PU （聚氨酯）和PF （酚醛板）表面，用火機(jī)點(diǎn)燃，使四種板同時(shí)燃燒。汽油燃燒試驗(yàn)對(duì)比試驗(yàn)現(xiàn)象如下：EPS（聚苯板）、

10、XPS （擠朔板）瞬間燃盡；PU （聚氨酯）燃燒并發(fā)生形變，PF （酚醛板） 只是略微變色，性能沒(méi)有基本變化。通過(guò)上述四組試驗(yàn)，可以得出：1）EPS（聚苯板）受熱時(shí)，通常發(fā)生軟化和變形收縮；聚苯乙烯全部由碳?xì)湓亟M成，本質(zhì)上極易燃 燒，燃燒時(shí)熱釋放量較大，同時(shí)生成大量煙，燃燒 的滴落物具有引燃性。2）PU（聚氨酯）泡沫本質(zhì)上屬于高度易燃材料，熱 固性材料在受熱時(shí)通常分解出易燃?xì)怏w，受火后形 成炭化層；熱分解和燃燒的產(chǎn)物主要有氧化氫、CO、 異氟酸酯等，毒性大。3）PF（酚醛板）在150C：長(zhǎng)期使用溫度，適用于 高溫環(huán)境的保溫隔熱；250C：反應(yīng)分解釋放少量的 水和微量白甲醛；400 C：材料逐

11、步氧化并放出微量 CO; 600-750C：碳化形成炭黑，阻止酚醛泡沫的進(jìn) 一步燃燒。另外火焰不擴(kuò)散，碳化層迅速覆蓋表面， 阻擋火焰穿透。材料本身有絕熱性能，即使在材料 一側(cè)用火焰噴燒，另一側(cè)的溫度會(huì)明顯上升，可防 止火災(zāi)范圍擴(kuò)大。由以上四組常用有機(jī)材料的燃燒試驗(yàn)比較，可 以看出酚醛板優(yōu)異的阻燃性能。3酚醛板外墻外保溫的節(jié)能模擬沈陽(yáng)華納置業(yè)有限公司開(kāi)發(fā)的“華發(fā)首府”住 宅小區(qū)項(xiàng)目地處沈陽(yáng)市東陵區(qū)。本工程擬通過(guò)選擇 不同保溫材料而實(shí)現(xiàn)節(jié)能 65%,通過(guò)計(jì)算和模擬討 論各種保溫材料保溫性能的差異性。四種保溫材料 如下（括號(hào)中為導(dǎo)熱系數(shù)，（W/m.K）:呆板（0.041）, 擠朔板（0.033）,聚

12、氨酯（0.027）和酚醛板（0.028）。（1）沈陽(yáng)地區(qū)氣候特征：沈陽(yáng)位于我國(guó)東北地區(qū)南部，遼寧省中部，地形 以平原為主，山地、丘陵集中在東南部，秀水河、 渾河以及遼河等途徑境內(nèi)。地處經(jīng)度123.47,北緯41.77,屬于溫帶疾風(fēng)氣候，年平均氣溫6.2-9.7C,自1951年有完整的記錄以來(lái)，沈陽(yáng)極端最高氣溫為38.3 C,極端最低氣溫為-32.9 Co春秋兩季氣溫變化 迅速，持續(xù)時(shí)間短：春季多風(fēng)，秋季晴朗，冬寒時(shí)間較長(zhǎng)，近六個(gè)月。全年無(wú)霜期155-180天。受季風(fēng)影響，降水集中在夏季，溫差較人，四季分明。沈陽(yáng)地區(qū)典型氣象年得 8760小時(shí)的氣象參數(shù)，詳見(jiàn)表2。表2沈陽(yáng)地區(qū)典型氣象年 8760

13、小時(shí)的氣象參數(shù)Table 2 8760 hours meteorological parameters of typical meteorological year in Shenyang:空調(diào)室外計(jì)算干球溫度（C）31.4-22空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度（C）25.4/空調(diào)室外計(jì)算相對(duì)濕度（）/64通風(fēng)室外計(jì)算干球濕度（）28-12平均風(fēng)速（m/n）2.93.1風(fēng)向SN大氣壓力（KPa）100.07102.08（2）四種保溫層厚度計(jì)算從“三步節(jié)能”即要求設(shè)計(jì)的采暖能耗水平節(jié)約65%,而建筑節(jié)能的部位有很多，下面主要討論只通過(guò)在外墻加保溫層的方法而達(dá)到65%的節(jié)能要求時(shí)，四種保溫層厚度的差異。通過(guò)加

14、保溫層實(shí)現(xiàn)節(jié)能的主要思路是減小墻體的綜合傳熱系數(shù)。綜合傳熱系數(shù)計(jì)算公式如下式。K =一1:-11+2+工i=1 i : 2式中:2K -綜合傳熱系數(shù)（W/m K ）；必，2-墻體內(nèi)外兩側(cè)表面換熱系數(shù)W / m2 K)% =8.7% 17.0 ./ ? ? ?。-墻體各層厚度m；制-墻體各層導(dǎo)熱系數(shù)（W/m K）。由上式得保溫材料厚度計(jì)算公式：n i 111z =i=1 i K: 1: 2根據(jù)四種保溫材料的性能參數(shù)以及計(jì)算公式， 要達(dá)到相同的耗熱量指標(biāo)，則只通過(guò)調(diào)整外墻保溫 材料，各保溫材料的的厚度如表 3所示。表3保溫層厚度Tab.3Thickness of insulation layerm

15、苯板0.0410.08擠塑板0.0330.07聚酯氨0.0270.05酚醛板0.0280.06由表3可見(jiàn)在達(dá)到相同的節(jié)能效果，聚酯氨的 的厚度最薄，保溫效果最好，為了更明顯的看出保 溫材料對(duì)節(jié)能的影響，將在 3中對(duì)四種相同厚度的 保溫材料進(jìn)行模擬，比較四種材料下，全年8760小時(shí)的采暖，空調(diào)負(fù)荷的差異。(3)逐時(shí)負(fù)荷模擬TRNSYS軟件是瞬時(shí)系統(tǒng)模擬程序，下面將結(jié) 合本工程講述一下TRNSYS建模的過(guò)程和依據(jù)。首 先建立墻體構(gòu)造層數(shù)據(jù)庫(kù)以及墻體數(shù)據(jù)庫(kù)；接下來(lái) 設(shè)置窗戶信息；考慮滲透、室內(nèi)熱源、通風(fēng)換氣對(duì) 室內(nèi)冷熱負(fù)荷的影響；設(shè)定采暖、空調(diào)溫度濕度等 信息；將建筑根據(jù)用途以及設(shè)定參數(shù)的不同進(jìn)行分

16、 區(qū)，并根據(jù)以上設(shè)定的建筑各部位信息，加載到建 筑各分區(qū)中；將氣象參數(shù)以及控制、輸出模塊與建 筑信息關(guān)聯(lián)，進(jìn)行運(yùn)行，得到全年的冷熱負(fù)荷，建 立的模型。通過(guò)改變建筑模型中的墻體的保溫材料， 模擬不同保溫材料下華發(fā)首府 1#的全年采暖和空調(diào)負(fù)荷。so im isa 2fiM ism時(shí)鼻口】圖1采暖能耗差異Fig.1 Heating Energy consumption differenceStD 1D0015001D00 D0圖2空調(diào)能耗差異Fig.2 Air conditioning energy consumption difference表4華發(fā)首府1#全年負(fù)荷Tab.4 The annua

17、l load of Huafa capital 1#GJ聚苯板擠塑板聚氨酯酚醛板采暖季5700.75221.35141.65059.7空調(diào)季2007.62002.21998.81986.5按照以上模擬方法，通過(guò)改變氣象參數(shù)得到50年生命周期內(nèi)，采用以上 4種保溫材料的建筑模型的總能耗。見(jiàn)表5負(fù)荷GJ聚苯板擠塑板聚氨酯酚醛板286046.0262911.2259353.4255672.1空調(diào)季100732.7100817.2100822.0100386.6Tab.5 The total energy consumption during the life of 50years表5 50年生命周期

18、內(nèi)的總能耗4討論我國(guó)燃燒性能標(biāo)準(zhǔn)建筑材料及制品燃燒性能 分級(jí) (GB8624-2012),對(duì) GB8624-1997 與 GB8624-2006做了對(duì)應(yīng)關(guān)系，并加了氧指數(shù)?；趪?guó) 家的燃燒標(biāo)準(zhǔn)GB8624-2012,酚醛板為B1級(jí)難燃， 未添加阻燃劑的聚苯板、擠塑板和聚氨酯只能最高 達(dá)到B2級(jí)可燃，考慮消防云梯可達(dá)高度，對(duì)五組燃 燒試驗(yàn)燃燒時(shí)間、燃燒速度、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、絕熱 性能、熔融滴落物、發(fā)煙量、刺激性氣體、碳化深 度及恒溫體積收縮率的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并以 10分為 滿分對(duì)四種材料在防火節(jié)能性能進(jìn)行評(píng)分，聚苯板4分，擠塑板5分，聚氨酯6分，酚醛板8分，得出 酚醛板的防火性能在四種保溫材料最優(yōu)。對(duì)能耗模擬負(fù)荷值比較，本模型一年8760小時(shí) 內(nèi)采暖季負(fù)荷值酚醛板 5059.7GJ聚氨酯5141.6 GJ 擠塑板5221.3GJ聚苯板5700.7GJ,空調(diào)季負(fù)荷值酚 醛板 1986.5GJ聚氨酯 1998.8GJ擠塑板 2002.2GJ 聚苯板2007.6GJ; 50年生命周期內(nèi)采暖季負(fù)荷值聚 氨酯259353.4GJ酚醛板255672.1GJ擠塑板 262911.2GJ聚苯板286046.0GJ,空調(diào)季負(fù)荷值聚氨 酯 100822.