基于ANSYS的真空绝热板热工性能研究.pdf

第 卷第 期 年 月吉林建筑大学学报 收稿日期：基金项目：吉林省科技发展计划项目（）作者简介：赵洪凯（），男，吉林省长春市人，教授，博士 ：基于 的真空绝热板热工性能研究赵洪凯，徐岩吉林建筑大学 材料科学与工程学院，长春 摘要：基于 稳态热模块，建立模型及确定模型边界条件，模拟分析真空绝热板的传热性能 对不同厚度真空绝热板和传统保温材料 进行建模分析 利用 有限元软件，模拟分析不同条件下真空绝热板的传热性能 结果表明：减小板缝宽度可以有效降低真空绝热板的传热系数，进而提高其隔热保温性能，特别是对规格尺寸小的真空绝热板 不同规格真空绝热板随着厚度不断增大，传热系数逐渐接近 研究结果可为真空绝热板优化设计提供指导关键词：；传热性能；真空绝热板；隔热保温中图分类号：文献标志码：文章编号：（）牞 牞 牞 牶 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 牷 牷 牷 概述众所周知，全球建筑行业能源消耗中通过建筑围护结构的传热是最重要的能量损失，因此，对新型高性能建筑围护结构材料 的研究也逐渐增多 近年来，真空绝热板（）等超级保温材料也逐渐应用在新型建筑节能领域 真空绝热板的发展始于 世纪 年代 ，因其优异的性能，在建筑、冰箱、冷库、管道保温、冷链物流等方面得到广泛应用 它是由芯材（具有非常精细的多孔结构隔热材料）、阻隔结构（多层箔或铝膜箔）和吸气剂制成（如图 所示）由于其导热系数低（）（），可以在最小厚度的情况下提供较高的热阻值，比传统保温材料低约 倍 因其对建筑寿命的热性能仍大多未知 ，真空绝热板在建筑行业中仍很少被使用 本文通过 建模分析 的热工性能，为日后研究建筑节能提供参考 吉林建筑大学学报第 卷?图 真空绝热板结构 试验设计与方法 试验原材料及设备试验采用市场通用型真空绝热板，采用 热导率仪对实验室制备的单元封装新型真空绝热板导热系数进行测定，设置上板温度 ，下板温度 ，导热系数经测定为 ，属于中国国标 真空绝热板所规定的型真空绝热板 板材模型分析及简化利用 有限元软件稳态热模块进行传热仿真模拟分析 为了使仿真模拟分析更快、更可行，在不影响试验准确性的前提下，需要做出以下假设：真空绝热板的断面为绝热条件，两侧与空气之间不发生热交换，不考虑墙体传热的影响 根据传热模式的不同，可将真空绝热板的传热过程分为热辐射、热传导和热对流 这种传热方式并不是独立存在的，而是经常同时发生 但“热辐射”模式情况复杂且相对作用微弱，故不做考虑 对真空绝热板传热过程进行简化，如图 所示 冷、热流体间通过真空绝热板传热一般包括 个串联环节：（）热量靠对流传热从热流体传达到板材的高温侧；（）热量自板材高温侧靠热传导传递到板材低温测；（）热量通过对流传热自板材低温测传至冷流体 图 为 软件稳态热模块建模分析的流程图?图 平板传热过程简图?图 软件稳态热模块建模分析的流程 模型简化与建立试验通过有限元软件建模分析真空绝热板的传热过程，采用 三维稳态热分析模式其目的是弥补二维形态分析下关于板缝纵向对真空绝热板传热影响效果的研究 假设现有一面大小未知的外墙保温结构，如图 所示，选取黄色框内为建模单元，其中包括一块完整的真空绝热板以及板四周纵横缝宽度的一半，如图 所示第 期赵洪凯，徐岩：基于 的真空绝热板热工性能研究?图 外墙维护结构真空绝热板选取单元建模示意图 图 选取真空绝热板建模单元示意图 利用 有限元软件稳态热模块建立外墙保温材料为真空绝热板的模型 建立不同规格的保温板材模型，模型采用六面体结构，网格尺寸设置为 ，如图 所示（以 厚板为例）?图 厚真空绝热板 建模示意图 材料导热系数及传热分析的边界条件传热模拟采用第 类边界条件：定义内外表面的表面热交换条件时，内表面的环境温度设置为 ，外表面的环境温度设置为 根据 暖通空调常用数据手册 ，内表面对流换热系数为 ，外表面对流换热系数为 材料导热系数分别取真空绝热板 、挤塑式聚苯乙烯隔热保温板（）模拟结果与分析 真空绝热板和 的传热性能如图 所示可以得到厚度分别为 ，条件下，真空绝热板热流密度分别为 ，传统保温材料 热流密度分别为 ，在有限元模型中计算传热系数可以按照下式进行 （）（）式中，为传热系数，；为计算点的热流密度，取厚度方向的平均值数值绝对值，；，分别表示内侧和外侧的环境温度值，与有限元模型中的边界条件取值相同根据上述计算方法，将厚度分别为 ，的真空绝热板和 代入公式（）计算，得到真空绝热板传热系数分别为 ，传统保温材料 传热系数分别为 ，由此可以得出 的传热性能是真空绝热板的 倍 倍，真空绝热板的隔热保温性能更加优异 吉林建筑大学学报第 卷?（）?（）?（）?（）图 厚度分别为 ，真空绝热板和 的热流密度云图 ，真空绝热板板缝宽度的影响板缝传热是影响真空绝热板传热性能的一个重要因素 减小板缝宽度可以有效降低真空绝热板的传热系数 试验模拟板缝宽度分别为 ，和 ，厚度为 ，尺寸规格为 ，的真空绝热板进行传热仿真分析，如图 所示 图 显示，真空绝热板的传热系数与板缝宽度近似线性正比关系 当板缝的宽度从 时，尺寸规格为 ，的真空绝热板传热系数分别从 ，分别增大了 ，当板缝的宽度从 时，尺寸规格为 ，的真空绝热板传热系数分别从 ，分别增大了 ，可以看出，随着真空绝热板规格尺寸、板缝宽度的逐渐增大，使其传热系数增大的速率逐渐减小 这是因为真空绝热板规格尺寸越大，板缝所占的相对面积就越小 因此，减小板缝宽度可有效降低真空绝热板的传热系数，进而提高其隔热保温性能 特别是对规格尺寸小的真空绝热板，如果板缝的宽度从 减少到 ，规格尺寸为 的真空绝热板传热系数可以降低约 这对于提高真空绝热板保温性能，减少房屋能源消耗具有重要的意义 真空绝热板厚度对传热性能的影响通过 软件对 种不同厚度、不同规格真空绝热板的传热性能进行了模拟分析 图 为不同厚度下 种规格尺寸真空绝热板传热系数分布 在厚度为 时，规格尺寸为 的真空绝热板的传热系数为 ，规格尺寸为 的真空绝热板的传热系数为 ，而规格尺寸为 的真空绝热板的传热系数为 ，保温性能更好 同时，也证明了真空绝热板尺寸规格对传热性能有很大的影响 真空绝热板规格尺寸越大，保温性能越好，这是因为板缝区域的保温效果比真空绝热板其他区域保温效果差 真空绝热板规格尺寸越大，在房屋建筑外墙组装成整体后，板缝区域面积占整体传热面积的百分比就越小 因此，在相同厚度的条件下，传热系数随着真空第 期赵洪凯，徐岩：基于 的真空绝热板热工性能研究 绝热板规格尺寸的增大而减小 随着真空绝热板厚度的增大，和 的真空绝热板的传热系数均逐渐减小 当厚度从 时，的真空绝热板传热系数分别降低了 ，；当厚度从 时，的真空绝热板传热系数分别降低了 ，说明厚度逐渐增大时，传热系数的降低速率逐渐减小；当厚度从 时，种不同规格真空绝热板传热系数的最大差值分别是：，可以看到 种不同规格真空绝热板随着厚度逐渐增大，传热系数的最大差值逐渐减小 说明随着厚度不断增大，不同规格真空绝热板传热系数逐渐接近?图 真空绝热板的传热系数与板缝宽度的关系?图 不同规格真空绝热板的传热系数与厚度的关系 真空绝热板内外环境温差对传热性能的影响在不同内外环境温差的条件下，对规格尺寸为 ，厚度为 ，的真空绝热板进行了仿真分析 如图 （）所示，当内外环境温差改变时，种规格尺寸的真空绝热板传热系数均为固定值，并未随温差的改变而改变 说明温差的改变不会影响真空绝热板的传热系数，从而不会影响其隔热保温性能 不同规格尺寸的真空绝热板热流密度如图 （）所示 当温差为 时，热流密度最大差值为 ；当温差为 时，热流密度最大差值为 ；当温差为 时，热流密度最大差值为 ；当温差为 时，热流密度最大差值为 可以看出随着温差的逐渐增加，真空绝热板规格尺寸的变化对热流密度的影响逐渐增大 因此，如果在温差较大的工作环境中，真空绝热板尺寸规格需要考虑温差的影响?（）（）图 真空绝热板的传热系数与温差的关系（）、热流密度与温差的关系（）（），（）吉林建筑大学学报第 卷 结论通过模拟分析可以得到相同厚度下真空绝热板的绝热性能优于传统保温材料，并利用 有限元软件对真空绝热板的传热性能进行了数值模拟 通过改变 边界条件的参数，探究不同条件对真空绝热板传热性能的影响并得出以下结论：（）减小板缝宽度可有效降低真空绝热板的传热系数，如果板缝的宽度从 减少到 ，规格尺寸的真空绝热板传热系数可以降低约 （）在相同厚度的条件下，传热系数随真空绝热板规格尺寸的增大而减小；随着厚度逐渐增大，真空绝热板传热系数的降低速率逐渐减小且不同规格真空绝热板的传热系数逐渐接近（）真空绝热板内外环境温差的改变不会影响其传热系数 随着温差的逐渐增加，真空绝热板规格尺寸的变化对热流密度的影响逐渐增大参考文献 ，：，（）：，（）：，（）：，：，：，：，（）：，：，：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：建筑工程常用数据系列手册编写组 暖通空调常用数据手册（第二版）北京：中国建筑工业出版社，李挺 低能耗围护体系用外墙板的基材制备及其热工性能模拟研究 沈阳：沈阳建筑大学，