EPS保溫板在建筑節(jié)能設計中的保溫效果研究

吳舒暢 武漢光谷資源開發(fā)投資有限公司規(guī)劃設計部部長、工程師

閆 曉 成都基準方中建筑設計有限公司武漢分公司結構設計一室室主任助理、工程師

1 建筑節(jié)能概述

1.1 建筑節(jié)能設計的意義

當前，我國建筑市場處于高速發(fā)展階段，在城鎮(zhèn)化日益深入的今天，國內城市建筑的體量及規(guī)模也實現(xiàn)了大幅度的跨越式發(fā)展。但是，根據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果可以了解到，當前國內約97%的建筑物屬于高耗能建筑，同時在我國有采暖要求的建筑物外墻保溫的傳熱系數(shù)是同等氣候發(fā)達國家的4 倍。為了積極響應當前國家所倡導的綠色節(jié)能的現(xiàn)代化建筑發(fā)展方向，目前我國已將建筑節(jié)能的有關措施納入優(yōu)先發(fā)展領域，同時國內的相關部門相繼出臺多項文件明確現(xiàn)代化建筑一定要貫徹落實可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，大力發(fā)展建筑節(jié)能工程，達到節(jié)能減排目的。

1.2 建筑節(jié)能材料的分類及應用

近年來，建筑節(jié)能的相關設計已成為建筑設計市場的重點研究方向，而與建筑節(jié)能保溫效果具有密切關系的是建筑保溫材料的選擇。保溫材料的優(yōu)選因素包括其本身具有相對良好的保溫性能與耐久性能，同時具備較為便捷的施工性能。當前，國內建筑市場中較為常見的建筑節(jié)能材料有無機保溫材料（主要包括巖棉保溫板、膨脹珍珠巖及泡沫水泥等）、有機保溫材料[主要包括擠塑聚苯板（XPS）、硬泡聚氨酯（PU）以及聚苯乙烯泡沫（EPS）等]。

在工程使用過程中，無機保溫材料一般具有較高的傳熱系數(shù)，所以保溫效果相對較差，在實際項目當中應用較少。較之于無機保溫材料，有機保溫材料由于保溫性能較為優(yōu)越、施工性能較為優(yōu)良，在工程建設當中應用相對較為廣泛，其中聚苯乙烯泡沫（EPS）材料作為我國建筑市場中覆蓋率最為廣泛的有機泡沫節(jié)能材料，具有穩(wěn)定性、透氣性及低導熱性能等多種優(yōu)勢。

2 EPS 外墻保溫板技術性能優(yōu)勢

在當前的建筑節(jié)能保溫材料當中，聚苯乙烯泡沫塑料板使用較為廣泛，一般可以劃分為擠塑板（XPS）和模塑板（EPS）2 種類別。二者的成分都是以聚苯乙烯共聚物為主，由于二者在生產過程中采用不同的生產工藝，因此兩種板材之間的分子結構存在一定的差別，這也導致兩者的性能指標存在一定偏差。EPS 保溫板是由聚苯乙烯單體材料構成的，同時在其中加入了阻燃劑和發(fā)泡劑等添加劑，通過在模塑當中加熱預發(fā)泡的方式制成具有不同閉孔結構和表觀密度的硬質塑料泡沫。我國對EPS 保溫板的研究使用起步較晚，與之相對應的是歐美等發(fā)達國家，在EPS 保溫板的研究使用當中已經(jīng)形成了較為完善的規(guī)范標準和法律要求，EPS 保溫板在工程實踐當中充分表明其具有較為優(yōu)良的性能。

2.1 較強的黏結性和柔韌性

由于本身材料和生產工藝的原因，EPS保溫板本身較為粗糙，孔隙率相對較大，在實際施工過程中和砂漿黏結容易被濕潤，從而形成具有較強黏結能力的機械互鎖。EPS板本身柔韌性較好，具有相對合適的強度，這也使得材料本身具有較強的適應變形能力。經(jīng)過測算發(fā)現(xiàn)，EPS 板具有良好的自承重及承受風壓的強度值，在實際工程中具有防止開裂、脫落良好的黏結力和耐久性能。

2.2 密度較小，穩(wěn)定性較好

EPS 保溫板密度數(shù)值與聚苯乙烯單體的膨脹倍數(shù)具有重要關系，其密度值一般為18～22 kg/m3。相比聚氨酯硬質泡沫（PU）和酚醛泡沫板（PF），EPS 保溫板的密度值更小，同時EPS 保溫板穩(wěn)定性更為優(yōu)良，在受到溫差所導致的外力或者機械外力的作用下，材料本身的形變量相對較小，在面層處不會出現(xiàn)裂縫，由此可以有效避免滲水等因素所導致的保溫層脫落或者保溫效果變差等不良后果。

2.3 導熱系數(shù)較小，熱穩(wěn)定性較好

EPS 保溫板本身導熱系數(shù)較小，與膨脹珍珠巖和硬泡聚氨酯等材料相比具有更為優(yōu)良的保溫性能。在常溫情況下，EPS 保溫板具有更好的穩(wěn)定性，一般不會發(fā)生老化現(xiàn)象。在溫度達到150 ℃時，EPS 保溫板會發(fā)生熔解現(xiàn)象。EPS 保溫板處于燃燒過程中，由于其中添加有阻燃劑，所以火焰并不會發(fā)生明顯的擴散現(xiàn)象，其上部的火焰會在幾秒內自行熄滅，因此EPS 保溫板的燃燒性能可以滿足防火規(guī)范中的相關規(guī)定，屬于A 級防火材料。相比其他類型的保溫材料，EPS 保溫板具有較為簡單的生產工藝，而且其生產成本較為低廉，具有可靠的產品性能。由于EPS保溫板環(huán)保性能較為優(yōu)良，所以可以進行回收利用，其回收利用途徑主要包括如下：一是通過采用機械回收的方式將EPS 板重新加工制成XPS 板，或者通過熱熔再生的方式制成新的EPS 板；二是采用化學的方法進行回收使用，如將其制作成具有防水效果的紙箱或建筑涂料等。

3 EPS 外墻保溫體系的保溫性能和節(jié)能效果實證研究

3.1 案例概況

選取湖北省武漢市某小區(qū)高層住宅為例，對EPS 保溫板的外墻保溫效果進行研究。根據(jù)相關資料可知，武漢市冬季平均溫度為5.5℃左右，室內平均溫度為18.0℃，采暖期天數(shù)約為110d，該小區(qū)的高層住宅建筑面積為8814.87m2，建筑外表面積經(jīng)計算約為6 735.71m2，建筑總體積為V0=24 631.61m3，換氣體積約為V=0.6V0=14778.97m3，在本工程當中分別采用EPS 和XPS 2 種保溫材料。

根據(jù)實際的市場調研，EPS 和XPS 2 種保溫材料的施工技術具有較大差別，由于XPS 保溫板施工過程中需要采用雙面刷界面砂漿的形式，因此，為了滿足施工平整度的相關要求，需要對XPS 保溫板進行打磨。由于施工難度有所提高，所以XPS 保溫板的價格約為EPS 保溫板的2 倍。根據(jù)定額綜合分析，50mm 厚度的XPS 保溫板和90mm 的EPS 保溫板的建造成本基本相同。同時，項目生命周期末期時2 種材料的拆除成本和回收成本也基本一致。所以，本次項目中為了評價EPS 保溫板的保溫效果，將XPS 保溫板作為對比項，對相同價格條件下2 種材料的保溫效果進行對比研究。

3.2 保溫性能評價

本次研究是基于建筑物本身的屋面、地面等保溫效果一致的情況下進行的，僅考慮外墻保溫材料不同所引起的節(jié)能和保溫效果的差異性。墻體作為建筑物本身的維護結構，其傳熱系數(shù)的限值和建筑本身的體形系數(shù)具有一定關系。從建筑節(jié)能角度進行分析，建筑本身的形體較為規(guī)整，那么其體形系數(shù)較小，同等體積的建筑物外墻表面積相對較小，在維護條件相同的情況下，外墻表面積較小的建筑室內熱量損失相對較小，具有更好的保溫隔熱效果?！睹裼媒ㄖ峁ぴO計規(guī)范》規(guī)定，在建筑物的體形系數(shù)S ≤3 時，其墻面的傳熱系數(shù)限值為1.16W/（m2·K），當體形系數(shù)的數(shù)值S ＞3 時，墻面的傳熱系數(shù)限值為0.82W/（m2·K）。在工程實踐中發(fā)現(xiàn)，將建筑墻面的傳熱系數(shù)由1.16W/（m2·K）減小至0.82W/（m2·K），需要增加保溫材料厚度，從而提高整體的工程造價。綜上所述，在建筑平面設計中應進行合理的布局，盡量減少建筑物的體形系數(shù)。在本次研究當中，項目的體形系數(shù)值S=建筑物外表面積/建筑物體積，即S=F0/V0=6735.71/24631.61=0.27。根據(jù)《民用建筑熱工設計規(guī)范》的相關規(guī)定，體形系數(shù)值小于0.3，不必進行熱工計算。

在研究過程中采用的EPS 保溫材料厚度為90mm，而采用的XPS 保溫材料厚度為50mm，建筑外墻保溫材料的保溫節(jié)能效果主要通過傳熱系數(shù)、熱阻值和外墻耗熱量進行體現(xiàn)。保溫節(jié)能材料相關系數(shù)如表1 所示。

第一，熱阻值R 計算公式如下：

式（1）中，R 代表熱阻值，單位為（m2·K）/W；δ 代表所使用保溫材料的厚度，單位為m；λ 代表保溫材料的導熱系數(shù)，單位為W/（m2·K）；μ 代表保溫材料修正系數(shù)。

保溫材料導熱系數(shù)/[W/（m2·K）]修正系數(shù)EPS 0.042 1.1 XPS 0.031 1.1

通過式（1）計算2 種保溫材料的熱阻 值 分 別 為REPS=1.994（m2·K）/W，RXPS=1.52（m2·K）/W。

第二，傳熱系數(shù)值K 計算公式如下：

式（2）中，R 代表材料的熱阻值，單位 為（m2·K）/W；K 代 表 材 料 的 傳 熱 系數(shù)，單位為W/（m2·K）。根據(jù)式（2）計算這兩種不同厚度材料的傳熱系數(shù)值，分別為KEPS=0.465 W/（m2·K），KXPS=0.60 W/（m2·K）。

第三，外墻消耗熱量值計算公式如下：

式（3）中，QHq 表示在單位時間內折合到單位建筑面積上的通過外墻的傳熱量；tn 和te 分別表示室內和室外的平均溫度值；ξqi 表示的是外墻傳熱系數(shù)的修正系數(shù)；Kmqi 代表的是外墻的平均傳熱系數(shù)，在本次研究中僅考慮外墻保溫材料的平均傳熱系數(shù)，單位為W/（m2·K）；Fqi 代表的是保溫外墻工程的面積；A0代表總建筑面積。

在相同的使用條件下，EPS 保溫板和XPS 保溫板的傳熱系數(shù)、熱阻值和外墻的耗熱量數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2 所示。

由表2 可知，在相同的成本條件下，EPS保溫板的熱阻值較XPS 保溫板更高。由此可知EPS 保溫板具有更小的傳熱系數(shù)，而外墻的耗熱量僅為XPS 保溫板的76%左右，具有更為明顯的保溫效果。結合兩者的生產工藝進行分析可以得知，EPS 保溫板保溫性能更好的原因是其內部為空腔結構，這就使得其傳熱系數(shù)相對更小，隔絕熱傳導的能力更強。同時，由于EPS 保溫板本身的吸水率較低，具有較好的防潮性和抗水性，所以相對于XPS 保溫板具有更為優(yōu)良的保溫性能。

保溫材料EPS 保溫板XPS 保溫板熱阻值R[（m2·K）/W]1.994 1.52傳熱系數(shù)值K[W/（m2·K）]0.465 0.60外墻耗熱量QHq（W/m2）6.82 8.81

4 結語

為了在建筑領域實現(xiàn)節(jié)能規(guī)劃的相關目標，我國在建筑行業(yè)大力推行綠色建筑設計，倡導使用更為環(huán)保節(jié)能的建筑材料，同時這也是建筑行業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。目前，EPS 保溫板材料在發(fā)達國家已經(jīng)有40多年的工程應用歷史，其外墻保溫材料與外墻裝飾材料共同形成了集保溫層、黏結層與飾面層相配套的完整體系。根據(jù)國內外的相關工程實踐經(jīng)驗及數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，EPS 保溫板具有較為優(yōu)良的節(jié)能保溫效果，具有較強的經(jīng)濟性，透氣性和黏結性較為優(yōu)良，而且便于進行現(xiàn)場打磨加工等，所以EPS 保溫板是目前建筑外墻保溫體系當中的首選材料。此外，EPS 保溫板在后期使用過程中具有優(yōu)良的隔聲效果，材料本身較為環(huán)保，可以進行循環(huán)利用，所以在國內EPS 保溫板勢必具有更為廣闊的市場前景。