既有建筑節(jié)能改造保溫材料性能比較及研究

劉中勇，霍海娥，徐嘉茂

（1.四川師范大學工學院，成都 610101；2.西華大學土木建筑與環(huán)境學院，成都610039）

0 引言

目前，許多建設單位為節(jié)省建造成本，任意使用建筑保溫材料，實際上盲目選擇保溫材料反而會增加建筑全生命周期的運營成本，造成資源的過度消耗和浪費[1]。夏熱冬冷地區(qū)季節(jié)變化明顯,建筑節(jié)能設計匱乏，致使夏冬季空調使用頻率較高，從而進一步增加建筑能耗負擔[2]。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，發(fā)達國家的平均采暖能耗僅占我國的1/2～1/3[3]。分析國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2017年的建筑能耗占年總能耗的33%，并且，我國年新建建筑體量約400多億m2，高能耗建筑占比高達80%，如何降低建筑能耗仍是一個棘手的問題[4]。研究節(jié)能改造經濟投入，發(fā)現(xiàn)：外圍護結構節(jié)能改造以3%～6%的經濟投入就可帶來20%～40%建筑節(jié)能收益[5]。保溫材料性能的優(yōu)劣決定房間的熱負荷量，也決定室內環(huán)境溫度的升降速率，特別是在冬夏兩季，室內溫度直接影響居民使用空調的頻率，伴隨而來的就是對能源的直接消耗[6-7]。李兆堅等[8]通過LCA理論剖析了保溫材料的投資回收期與材料壽命的線性關系。Maatouk K[9]研究了操作溫度和含水率對聚苯乙烯保溫材料導熱系數(shù)的綜合影響及其對建筑能源性能的影響。目前，相關學者對成都地區(qū)夏季不同降溫方式的使用時間進行問卷調查，分析得到不同降溫方式與室外溫度的相關性[10]，研究的對象主要是空調、風扇等制冷設備，而缺乏不同建筑保溫材料對節(jié)能減排和室內外溫度的相關性研究。經調研發(fā)現(xiàn)成都市最常用建筑保溫材料有：氨酯泡沫塑料[11]，該材料粘結力強，保溫隔熱性好，防水性、密封性優(yōu)，不易開裂，但施工工藝要求較高，需人工打磨，環(huán)保性能較差；聚苯板（EPS）[11]，該材料保溫隔熱性能優(yōu)越，防水性能好，耐久性好，施工方便，性價比高，但強度低，面層易開裂，防火等級低；擠塑板（XPS）[11]，該材料保溫隔熱性能優(yōu)越，防水、抗風壓、抗沖擊性能好，施工方便，性價比高，但材料透氣率低，受溫濕度導致變形率大，易結露，防火等級低；巖棉板[11]，該材料穩(wěn)定性好，溫度變形小，板縫處不易開裂，但硬度小，平整度難以控制，吸濕性大。Stp超薄絕熱板[12]使用廣泛度雖不高，但材料本身的低傳熱率，便捷的安裝工藝流程，耐久性強等特點。

綜上，本文基于EnergyPlus仿真技術，對比分析不同保溫材料對室內溫度、人體熱舒適度和空調能耗的影響，從而定性分析保溫材料的優(yōu)劣性。目前，國家大力倡導并支持既有建筑綠化改造，科學選擇保溫材料也是當前既有老舊建筑改造的一大亮點[13]。

1 物理模型及參數(shù)設置

1.1 建筑物理模型

本文以夏熱冬冷地區(qū)中的成都市80年代建筑——撫琴小區(qū)某單元臥室為研究對象，該臥室開間3.5米，進深5.0米，層高3.0米，東西方向各有寬高均為1.2米的窗戶，東南朝向設有寬0.9米，高1.8米的甲級防火門，建筑朝向南偏東30°。同時，該地區(qū)在東經104°2'，北緯30°67'，海拔約506.1米。

1.2 建筑SketchUp模型

根據(jù)建筑平面圖在SketchUp中建立三維模型（如圖1），內部可視化空間如圖2所示。確定模型物理尺寸無誤后，Match識別內外墻、門窗，對房間進行Thermal zone命名后導出idf格式的文件，并用于EnergyPlus軟件進行仿真計算。

圖1 SketchUp三維圖

圖2 SketchUp內部可視化圖

1.3 結構物理參數(shù)

本文主要研究圍護結構中不同保溫材料對室內溫度的影響，因此，在使用EnergyPlus軟件進行仿真模擬時涉及到的主要參數(shù)有：墻體結構構造、室內熱擾、墻體保溫材料（包括：擠塑板、聚苯板、巖棉板、聚氨酯泡沫塑料、stp超薄絕熱保溫板）等。

根據(jù)結構施工圖紙可知，該單一建筑區(qū)域主要由地面、門、窗、外墻以及屋頂組成，基本構造參數(shù)如表1所示。

表1 圍護結構構造參數(shù)

根據(jù)Energyplus軟件要求設置各材料的導熱系數(shù)、比熱容、材質粗糙度、密度等，具體物理參數(shù)如表2所示。

表2 材料屬性及參數(shù)

2 .數(shù)據(jù)仿真及分析

在一年中，春秋兩季室外環(huán)境溫度基本維持在18℃～26℃，均是宜居溫度，為最大程度研究保溫材料的物理性能，本文選取一年中天氣最惡劣的兩天做分析，即夏季選取7月21日作為夏季典型計算日，冬季選取1月5日作為冬季典型計算日。

2.1 無保溫層的室內環(huán)境

作為參照對象，本文首先研究無保溫層的室內環(huán)境，即墻體結構僅由水泥砂漿（15 mm）、鋼筋混凝土（100 mm）、瓷磚（10 mm）組成，分別計算分析冬夏兩個典型日在無保溫層時室內的溫度和人體熱舒適度。

2.1.1 無保溫層的自然室溫

首先基于Energyplus對于自然室溫進行仿真計算，分析在沒有設置任何保溫材料的工況下室內溫度的變化趨勢。同時，為有效對比室內外溫度差異，本文將同時模擬冬、夏典型計算日室外溫度的變化趨勢。夏季典型計算日（即7月21日）室內外溫度變化如圖3所示，冬季典型計算日（即1月5日）室內外溫度變化如圖4所示。

從圖3可以看出，在墻體未設置任何保溫材料的情況下，夏季典型計算日上午9點室內溫度最低27.3℃，而晚上20點室內溫度最高為34.8℃。根據(jù)《室內空氣質量標準》GB/T18883-2002中第4.2條表1《室內空氣質量標準》[14]規(guī)定：冬季采暖溫度標準為16℃～24℃，夏季制冷溫度標準值為22℃～28℃。通常情況下，夏季室內溫度超過25℃，人體就開始從外界吸收熱量，熱感逐漸上升；超過28℃就必須通過主動措施降低室內環(huán)境溫度，否則容易導致中暑；因此為了使室內達到標準居住條件，在夏季典型計算日必須全天開啟空調維持室溫。同理，從圖4可以看出，在同等墻體結構布置下，冬季典型計算日室內溫度在上午10點達到最低，為8℃，室內溫度在晚上19點達到最高，為10.8℃；室內環(huán)境溫度遠遠低于冬季采暖最低標準（16℃），達不到基本的居住環(huán)境要求，同樣需要采取主動措施提高室內環(huán)境溫度。

圖3 夏季室外環(huán)境溫度

圖4 冬季室外環(huán)境溫度

2.1.2 無保溫層的人體熱舒適度

人體熱舒適度（PMV）指標是基于熱舒適平衡方程，以環(huán)境溫度、輻射溫度、氣體流速與濕潤度、人體運動量、服裝熱阻為指標體系，“空氣溫度”在PMV評定指標中占主導地位，因此，本文將PMV納入材料保溫性能評價體系中?；贓nergyPlus分別計算無保溫材料下人體熱舒適度值，夏季典型計算日的結果如圖5所示，冬季典型計算日的結果如圖6所示。

圖5 夏季人體熱舒適度

圖6 冬季人體熱舒適度

通常情況下，人體熱舒適值（PMV）為正值，人體產生熱感，負值人體產生冷感。國際標準化組織ISO標準7730對PMV的推薦值是-0.5～+0.5，在這個PMV值區(qū)間內人體熱舒適狀態(tài)最佳，從圖6可以看出，在夏季典型計算日中，70%以上的時間段PMV值都在1.0以上，而最高值達到2.75，人體感應極劇燥熱；同理，從圖7看出，PMV值最高-1.25，最低達到-3.25，人體感應極劇寒冷。

小結：通過分析室內人體熱舒適度可知，在墻體結構無保溫層時，在無任何主動措施情況下，冬夏典型計算日的室內溫度和熱舒適度均較差，由此說明保溫材料對于維持室內舒適環(huán)境和建筑節(jié)能的重要性。

2.2 圍護結構添加保溫層

圍護結構增設保溫層，即圍護結構組成：水泥砂漿（15 mm）、保溫材料（視具體材料而定）、鋼筋混凝土（100 mm）、瓷磚（10 mm）。將五種保溫材料添加到圍護結構的結構層，分別計算和分析使用不同保溫材料時室內溫度和人體熱舒適度的變化情況。五種保溫材料物理參數(shù)如表3所示。

表3 保溫材料物理參數(shù)

2.2.1 增設保溫材料的自然室溫

基于EnergyPlus仿真技術，分別將五種保溫材料（擠塑板（XPS）、聚苯板（EPS）、巖棉板、聚氨酯泡沫塑料、Stp超薄絕熱保溫板）添加到圍護結構中，設置對應材料的物理參數(shù)，研究不同保溫材料的室內溫度和人體熱舒適度的變化情況。

（1）夏季典型計算日自然室溫

夏季增設保溫材料主要是防止室外高溫氣體傳入室內，本文基于EnergyPlus仿真計算，得到夏季典型計算日室內環(huán)境溫度如圖7所示。

圖7 夏季室內溫度

從圖中可以看出，墻體結構沒有設置保溫材料時，室內溫度最高，且早晚溫差最大。外墻增設保溫層后，室內環(huán)境溫度明顯低于無保溫層結構，同時，從圖中數(shù)據(jù)可以看出，五種材料的隔熱性能依次是：Stp超薄絕熱板＞擠塑板（XPS）＞聚苯板（EPS）＞聚氨酯泡沫塑料＞巖棉板。巖棉板在本文的五種保溫材料中，表現(xiàn)出的隔熱性能最差，室內早晚溫差波動較大，間接說明室內溫度極易受室外天氣的影響；Stp超薄絕熱板隔熱性能極佳，且室內環(huán)境溫度全天都低于夏季制冷溫度標準值（22℃～28℃）最大值，理想狀態(tài)下在不開啟空調也能滿足居住環(huán)境條件，是墻體保溫材料的首選。其余三種保溫材料，聚苯板（EPS）和擠塑板（XPS）性能相近，擠塑板隔熱性能略優(yōu)于聚苯板，聚氨酯泡沫塑料隔熱性能則低于聚苯板，但同比于聚苯板，全天室內溫度差值不超過1度，隔熱性能偏中等。

（2）冬季典型計算日自然室溫

冬季增設保溫材料主要是防止室內暖氣流出室外，基于EnergyPlus仿真技術，得到冬季典型計算日室內環(huán)境溫度如圖8所示。

圖8 冬季室內溫度

由圖可知，墻體結構無保溫材料時，室內溫度最低至9.31℃，冷感極其強烈，需采取主動措施提高室內溫度。墻體增設保溫層后室內溫度雖未達到冬季制冷溫度標準值（16℃～24℃），但室內溫度均明顯提高，聚氨酯泡沫塑料在上午10點最高提升室內溫度3.49℃，材料保溫效果明顯。下午13點之前聚氨酯泡沫塑料的保溫性能略優(yōu)于Stp超薄絕熱板，從下午13點～20點之間Stp超薄絕熱板保溫性能明顯優(yōu)于聚氨酯泡沫塑料，且該時間段內擠塑板（XPS）、聚苯板（EPS）略優(yōu)于聚氨酯泡沫。由實驗結果可知，5種保溫材料的保溫性能依次是：Stp超薄絕熱板＞聚氨酯泡沫塑料＞擠塑板（XPS）＞聚苯板（EPS）＞巖棉板，這和五種材料夏季的隔熱性能較相似，即材料的隔熱性能好，它的保溫性能也好，也由此驗證材料的保溫性能和隔熱性能成正相關。五種保溫材料各自的保溫性能優(yōu)劣性基本等同于材料各自的隔熱性能。通過對墻體增設保溫材料后的室內溫度變化情況可以看出，冬季室內溫度明顯上升，夏季室內說明保溫材料節(jié)能明顯。

2.2.2 增設保溫材料的人體熱舒適度

人體熱舒適度與室內環(huán)境溫度存在密切的聯(lián)動關系，且人體熱舒適度更加直觀的反應了不同保溫材料給人帶來的熱舒適感，研究材料的保溫性能歸根結底是創(chuàng)造更舒適的宜居環(huán)境，因此，還需通過分析五種材料下的熱舒適值來客觀評價材料的優(yōu)劣性。

（1）夏季典型計算日PMV

本次研究取每兩小時的平均熱舒適值做分析，共計12組，統(tǒng)計得出全天PMV值如圖9所示。由圖可知在夏季典型計算日中，墻體結構未設置保溫層時，僅上午10點～12點在最適PMV值內，其余時間均不在舒適值內，即全天87.5%的時間都不在舒適范圍內。墻體結構增設保溫材料后，全天87.5%的時間內PMV值均明顯低于未設置保溫層結構。隔熱性能最好的Stp超薄絕熱板，全天80%的時間都在最舒適PMV值內，而隔熱性能最差的巖棉板相比未設置保溫材料結構，全天PMV值約平均降低1.5，可見保溫材料對室內熱舒適環(huán)境影響較大。上午10點～12點未增設保溫層時的PMV略優(yōu)于增設保溫層結構，是由于該時間段內室外環(huán)境溫度適宜，保溫材料一定程度上阻止了室內外溫度的傳遞，但在其余時間段內墻體增設保溫材料后的PMV值明顯低于墻體未設置保溫材料。由仿真結果可知五種保溫材料下的PMV值依次是：Stp超薄絕熱板＜擠塑板（XPS）＜聚苯板（EPS）＜聚氨酯泡沫塑料＜巖棉板＜無保溫層，同樣說明這五組保溫材料的隔熱性能依次是：Stp超薄絕熱板＞擠塑板（XPS）＞聚苯板（EPS）＞聚氨酯泡沫塑料＞巖棉板。

圖9 夏季人體熱舒適值PMV

（2）冬季典型計算日PMV

在冬季典型計算日中，我們僅對8點～22點的PMV值作分析，其余時間段居民已就寢，被窩中溫度均適宜，分析PMV值無實際意義。由圖10可知，在8點～22點時間段內，人體熱舒適值均不在最適值內，且均低于-1.25，人體冷感強烈。增設保溫材料后PMV值雖達不到最佳值域內，但PMV值均增大，從而體現(xiàn)出保溫材料對室內環(huán)境舒適度改善明顯。五種保溫材料下的PMV值排序依次是：Stp超薄絕熱板＞聚氨酯泡沫塑料＞擠塑板（XPS）＞聚苯板（EPS）＞巖棉板，從而說明這五種保溫材料的保溫性能依次是：Stp超薄絕熱板＞聚氨酯泡沫塑料＞擠塑板（XPS）＞聚苯板（EPS）＞巖棉板。

圖10 冬季人體熱舒適值PMV

通過對增設墻體保溫材料后的人體熱舒適度研究，發(fā)現(xiàn)夏季PMV值均降低，冬季PMV值均增大，由此說明保溫材料為室內人員帶來良好的居住環(huán)境。

2.3 節(jié)能分析

室內添加分體式空調一臺，制冷功率1.1 kW，制熱功率2.0 kW，設置冬季室內采暖維持室溫18℃，夏季制冷維持室溫24℃，設置空調全天開啟，分別計算冬夏季典型計算日增設保溫材料前后能耗使用情況，如表4所示。

表4 冬夏典型計算日空調電耗

由上表數(shù)據(jù)可知，增設保溫材料后冬夏季空調電耗均降低，保溫隔熱性能相對較差的巖棉板也達到了7.03%的節(jié)能效果，其他材料節(jié)能均大于10%。而Stp超薄絕熱板最高節(jié)能約15.01%，可見建筑保溫材料對節(jié)能意義重大。

3 結語

本文基于EnergyPlus軟件，通過研究墻體結構層增設不同的保溫材料對室內環(huán)境溫度、人體熱舒適度及空調能耗的影響，得出結論如下：

(1)相比較于墻體結構無保溫層時，增設保溫材料后冬季典型計算日室內溫度均不同程度的提高，PMV值增大，人體熱舒適感增強，采暖能耗降低；夏季典型計算日室內溫度均不同程度降低，PMV值減小，人體熱舒適感增強，制冷能耗降低。

（2）最終通過節(jié)能分析得出五種保溫材料的保溫隔熱性能依次是：Stp超薄絕熱板＞擠塑板（XPS）＞聚苯板（EPS）＞聚氨酯泡沫塑料＞巖棉板，保溫材料的保溫隔熱性能越好，室內環(huán)境舒適感越強，建筑全生命周期內運營成本就更低。

因此，在既有建筑的節(jié)能改造中，應科學合理的選擇保溫材料，從而達到提高室內舒適度。