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随着社会的快速发展,人们对能源的需求日益增长,长期对能源的过度消耗,导致了能源的极度紧缺。能源的高消耗一直是研究人员急需解决的问题,而建筑能耗在所有能耗中占有非常大的比例,传统保温材料高的导热系数已经不能满足人们解决能源问题的需要,开发一种低成本、超高效、阻燃的墙体保温材料成为当前研究的重点。
真空绝热板(Vacuum insulation panel,简称VIP)是一种超高效保温墙体材料,由绝热芯材、膜材和吸气剂三个部分组成,其保温效果是传统保温材料的5-10倍。本文针对发泡聚氨酯的易燃性、传统无机保温材料的导热系数高及单纯的气相二氧化硅为芯材的VIP成本高等问题,本文开发一种阻燃性能高、低成本、导热系数小于11.5mW/m·K的建筑墙体保温VIP。同时,研究了VIP的制备工艺及不同芯材、真空度等对VIP导热系数的影响,并利用Energy Plus软件对制备的VIP与现有的保温材料进行节能计算分析。
在VIP芯材的制备工艺方面,以气相二氧化硅(fs)、沉淀二氧化硅(ps)、硅灰(sf)和膨胀珍珠岩(ep)作为候选芯材基体,通过研究搅拌工艺、荷载水平、保压时间、纤维掺量对芯材成型工艺影响。结果显示,芯材的成型工艺与纤维掺量、荷载大小及保压时间密切相关,以上述粉体为芯材的VIP中聚丙烯纤维的最佳体积掺量为0.3%-0.5%,芯材的成型荷载为0.3-0.4MPa,保压时间为2-5min。此外本文利用粉体压缩因子方法设计了芯材的容重设计,该设计方法与试验结果能很好的吻合,为芯材的压制成型提供理论指导。相比于单纯的fs为芯材的VIP,(1)fs(1)sf和(1)fs(1)ep4可以分别降低VIP成本约为20%和30%,ps为芯材的VIP具有较好的保温隔热效果,性价比较高。
在VIP导热性能研究方面,探索了芯材的品种、容重、消光粉、膜材和真空度等对VIP的导热系数的影响。研究结果表明,气相二氧化硅是制备导热系数最低的VIP粉体芯材;炭黑的掺加可以有效的降低VIP的导热系数,并且可以降低VIP的成本;膜材为mesh-MF的VIP的导热系数高于MF2;不同芯材的真空度的阈值不同,这可以用于指导VIP产品的制备和预测服役寿命。另外,粉体尺寸较大的材料制备的VIP的导热系数增加较快,纳米级粉体制备的芯材的导热系数增加较慢。
在开发出建筑用低成本VIP材料后,本文进一步探索了VIP在建筑墙体中的节能计算。通过建立房屋模型,利用EnergyPlus软件对不同围护结构的能耗问题进行计算。结果表明,在屋顶,窗户和门均未采取节能措施,当墙体采用30mm发泡混凝土、30mmPU、240mm加气混凝土砌块和20mmVIP时,节能率分别为12.30%、17.18%、20.49%和22.63%;当墙体和屋顶都采取节能措施,而窗户和门均未采取节能措施时,墙体和屋顶采用30mm发泡混凝土(30mm发泡混凝土)、30mmPU(30mmPU)、240mm加气混凝土砌块(20mmVIP)和20mmVIP(20mmVIP)的节能率分别为36.46%、49.26%、59.72%和62.39%。