石墨水泥基復合保溫系統的全壽命周期綜合評價

錢小龍 王迪

摘 要：目前，建筑外墻使用的外保溫材料多種多樣，隨著科學技術的發展，外保溫材料的防火性能要求越來越高。石墨水泥基復合保溫材料是一種新型外墻保溫材料，與目前市場上常用的4種外保溫系統相比，其在實際應用過程中產生的經濟效益和環境效益更加顯著。本文對其全壽命周期進行綜合研究，分析了其建造費用、耗熱量計算方法和運行費用，并對建材生產進行環境效益評價，以期為該產品在建筑節能領域的推廣和應用提供參考。

關鍵詞：石墨水泥基復合保溫材料;全壽命周期;評價

中圖分類號：TU528文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）02-0095-04

Comprehensive Evaluation of Life Cycle of Graphite Cement-based Composite Insulation System

QIAN Xiaolong1 WANG Di2

（1. Henan Construction Technology Association，Zhengzhou Henan 450000;2. Sunac Property Services Group Co.， Ltd.，

Tianjin 300381）

Abstract： At present， there are many kinds of external insulation materials used in building exterior walls， with the development of science and technology， the fire performance requirements of external insulation materials are getting higher and higher. Graphite cement-based composite insulation material is a new type of external wall insulation material， compared with the four types of external thermal insulation systems commonly used in the market， the economic and environmental benefits produced in the actual application process are more significant. This paper conducted a comprehensive study on its life cycle， analyzed its construction costs， heat consumption calculation methods and operating costs， and evaluated the environmental benefits of building materials production， hoping to provide a reference for the promotion and application of the product in the field of building energy conservation.

Keywords： graphite cement-based composite insulation material;full life cycle;evaluation

隨著河南省居住建筑節能標準和防火要求等級的提升，新型建筑節能產品的市場需求不斷增加，新型建筑節能產品不斷涌現，石墨水泥基復合保溫材料就是其中之一。目前，市場上常用的外墻保溫系統有4種，即EPS板薄抹灰外墻外保溫系統、巖棉板薄抹灰外墻外保溫系統、石墨水泥基復合保溫板薄抹灰外墻外保溫系統和免拆復合保溫模板（XPS+石墨板）外保溫系統[1-2]。本文對比分析了石墨水泥基復合保溫材料與傳統外墻保溫系統，并進行全壽命周期經濟性評價，得出石墨水泥基復合保溫材料性能良好，值得推廣和應用。

1 建筑外墻保溫系統全壽命周期經濟性評價模型

全壽命周期評價是對一個產品系統的生命周期中輸入、輸出及其潛在環境影響的匯編和評價。建筑全壽命周期評價是對建筑從規劃、設計到建造安裝，再到運行維護，乃至最后拆除處理的全過程物質能量流動產生的經濟效益、社會效益和環境效益的綜合評價。建筑全壽命周期成本包括建筑的前期費用、初始成本、運行維護成本、替換大修成本以及回收價值[3]。

通常，不同建筑外墻保溫系統采用不同的保溫材料，其初期建造成本不同。更重要的是，保溫材料的差別異使得外墻保溫系統的建筑能耗不同，導致建筑運營成本不同。因此，采用全壽命周期成本評價方法對外墻保溫系統進行經濟性評價是合理且有效的。為簡化計算，不考慮周圍圍護、清潔和環保成本，不考慮殘值、可回收利用材料價值以及政府補貼和稅負減免。基于上述條件，建筑外墻保溫系統的全壽命周期成本計算模型可用式（1）表示。

[LCC=C0q+C1q（P/A，i，N）+C2q（P/F，i，t）]? ? ? ? ?（1）

式中，[C0q]為外保溫系統初始成本;[C1q]為外墻保溫耗能產生的年運行成本;[C2q]為外墻保溫系統替換或大修成本。

2 建筑外墻保溫系統的建造費用

下面對EPS板、巖棉板、碳硅板三種外保溫系統的初始建造成本進行計算，并與免拆復合保溫模板進行對比。其間參照市場價，對不同類型保溫材料和不同外墻保溫系統進行測算，得出費用。不同保溫材料的單價如表1所示，不同外墻保溫系統的成本如表2所示。

3 建筑外墻保溫系統的耗熱量計算和運行費用

3.1 建模

經過大量調研，本文選取河南省較為典型的農房平面作為分析對象。模型農房共有2層，建筑高度為8.2 m，外墻面積方面，東墻為98.14 m2，南墻為68.68 m2，西墻為98.14 m2，北墻為76.38 m2，外墻總面積為388.56 m2，建筑面積為286 m2，建筑體積為1 089.11 m3，建筑三維模型如圖1所示。外墻構造做法如表3所示，不同做法的農房分別記為農房A、農房B、農房C和農房D，建筑供暖所需的溫度控制范圍滿足《農村居住建筑節能設計標準》（GB/T 50824—2013）要求，建筑全年能耗如圖2所示。

由圖2可知，農房A、農房B、農房C和農房D的全年能耗呈以下規律：采暖能耗方面，1—4月逐月降低，10—12月逐月攀升，1月為峰值;制冷能耗方面，4—7月逐月攀升，7—10月逐月降低，7月為峰值。農房A、農房B、農房C和農房D的全年冷、熱、總能耗匯總結果如表4所示。由表4可知，農房A的全年總能耗最低，供暖能耗及采暖能耗均最低，因此，四種外墻保溫材料中，免拆復合保溫模板這種模式的節能效果最好。

3.2 建筑物外墻保溫系統耗熱量、耗煤量和運行費用的計算

建筑物耗熱量計算根據《河南省居住建筑節能設計標準（寒冷地區75%）》（DBJ41/T 184—2017），由于僅考慮建筑外墻引起的耗熱量，所以建筑物耗熱量指標（[qH]）等于折合到單位建筑面積上單位時間內通過外墻的傳熱量（[qHq]），根據以上建筑模型，得到相關計算公式。

[qH=qHT+qINF-qIH]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[qH]為建筑物耗熱量指標，W/m2;[qHT]為折合到單位建筑面積上單位時間內通過建筑圍護結構的傳熱量，W/m2;[qINF]為折合到單位建筑面積上單位時間內建筑物空氣滲透耗熱量，W/m2;[qIH]為折合到單位建筑面積上單位時間內的建筑內部得熱量，取3.8 W/m2。

[qHq=∑qHqiA0=∑εqiKmqiFqi（tn-te-）A0]? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，[qHq]為折合到單位建筑面積上單位時間內通過外墻的傳熱量，W/m2;[tn]為室內計算溫度，取18 ℃;[te]為計算采暖期室外平均溫度，℃;[εqi]為外墻傳熱系數的修正系數;[Kmqi]為外墻平均傳熱系數，W/（m2·K）;[Fqi]為外墻面積，m2;[A0]為建筑面積，m2。

[qINF=（tn-te-）（CpρNV）A0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中，[qINF]為折合到單位建筑面積上單位時間內建筑物空氣換氣耗熱量，W/m2;[Cp]為空氣的比熱容，取0.28 W·h/（kg·K）;[ρ]為空氣的密度，kg/m3，取計算采暖期室外平均溫度[te]下的值;[N]為換氣次數，取0.5 h-1;[V]為換氣體積，m3。

鄭州市采暖天數為98 d，根據鄭州市采暖要求，計算采暖耗煤量，相關公式如下：

[qc=24ZqHHcη1η2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

[q'c=qc?A0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

式中，[qc]為折算到單位建筑面積上的采暖耗煤量，kg/m2;[q'c]為建筑年采暖耗煤總量，kg;[Z]為采暖期天數，鄭州取98 d;[qH]為建筑物耗熱量指標，W/m2，此處取建筑外墻耗熱量指標;[Hc]為標準煤熱值，取8 140W·h/kg;[η1]為室外管網輸送效率，取0.92;[η2]為鍋爐運行效率，取0.7。

計算年運行成本時，取標準煤價格1 000元/t。年運行成本計算公式如下：

[C1q=qc?p]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中，[C1q]為年運行成本;[p]為標準煤價格。

建筑采用四種不同外墻保溫系統時，根據上述公式，分別計算采暖期外墻耗熱量[qH]以及由此帶來的采暖耗煤量[qc]和年運行成本[C1q]，具體結果如表5所示。

3.3 不同外墻保溫系統的全壽命周期成本

根據建筑外墻保溫系統的全壽命周期成本計算模型，即式（1），分別計算采用4種不同類型外墻保溫系統的全壽命周期成本。外墻保溫系統初始成本[C0q]、外墻耗能產生的年運行成本[C1q]、外墻保溫系統修繕成本[C2q]，三者全部折算到單位建筑面積的成本中。計算不同外墻保溫系統時，外墻保溫系統全壽命周期費用如表6所示。

外墻保溫系統初始成本[C0q]的計算公式為：

[C0q=（c0?A）/A0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

式中，[c0]為外保溫系統的單位造價，元/m2;[A]為建筑的外墻總面積，m2;[A0]為建筑面積，m2。

外墻保溫系統耗能產生的年運行成本現值[C1q（P/A，i，N）]的計算公式為：

[C1q（P/A，i，N）=C1q?1-（1+i）-Ni]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

式中，[C1q]為外墻保溫系統耗能產生的年運行成本;[N]為建筑的設計使用年限，取50年;[i]為社會折舊率，取8%。

外墻保溫系統替換和大修成本現值[C2q（P/F，i，t）]的計算公式為：

[C2q（P/F，i，t）=C2q?（1+i）-t]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（10）

式中，[C2q]為外墻保溫系統替換或大修成本;[i]為社會折舊率，取8%;[t]為建筑外保溫設計使用年限，取25年。

4 建材生產的環境效益評價

燃燒1 t標準煤大約排放2.54 t二氧化碳，寒冷地區建筑能耗越低，采暖耗煤量越低，由此產生的二氧化碳排放量越少，因此，人們要大力提倡應用綠色建材，減少二氧化碳的排放量。2020年8月，住房和城鄉建設部、教育部等部門聯合發布《關于加快新型建筑工業化發展的若干意見》（建標規〔2020〕8號），明確指出要推廣應用綠色建材，逐步提高城鎮新型建筑的綠色建材應用比例。根據《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366—2019）中的要求，分別對生產EPS板、巖棉板和碳硅板的碳排放量進行計算，計算公式如下：

[Csc=i=1nMiFi]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

式中，[Csc]為建材生產階段碳排放，[kgCO2e];[Mi]為第[i]種主要建材的消耗量，t;[Fi]為第[i]種主要建材的碳排放因子（[kgCO2e]/t）單位建材數量。

根據式（11），分別計算生產每噸EPS板、巖棉板和碳硅板建材產品的碳排放量，如表7所示。

5 結論

在石墨水泥基復合保溫系統的全生命周期綜合評價中，生產單位數量石墨水泥基復合保溫板排放的二氧化碳比生產同樣數量EPS板、巖棉板和碳硅板的碳排放量少。石墨水泥基復合保溫系統的經濟性優勢突出，每平方米比EPS板系統少28.52元，比巖棉板系統少123.37元。在目前市場上常用的外墻保溫材料中，石墨水泥基復合保溫板在生產和應用中表現出良好的節能減排效果，具有顯著的經濟效益、環境效益和社會效益。

參考文獻：

[1]張磊蕾，王武祥，廖禮平，等.水料比與發泡混凝土性能和孔結構相關性研究[J].新型墻體，2012（11）：21-23.

[2]劉超，王武祥，張磊蕾，等.水泥基復合保溫板芯層材料的性能研究[J].墻體革新與建筑節能，2013（6）：47-52.

[3]賈冠華.氣凝膠膨脹珍珠巖的制備及其在水泥基材料中的應用研究[D].太原：太原理工大學，2018：22-23.