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(xué)工學(xué)院，成都 610101；2.西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，成都610039）

0 引言

目前，許多建設(shè)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(shè)計匱乏，致使夏冬季空調(diào)使用頻率較高，從而進一步增加建筑能耗負(fù)擔(dān)[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?jǐn)?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(jīng)濟投入，發(fā)現(xiàn)：外圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造以3%～6%的經(jīng)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(fù)荷量，也決定室內(nèi)環(huán)境溫度的升降速率，特別是在冬夏兩季，室內(nèi)溫度直接影響居民使用空調(diào)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(guān)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(dǎo)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(guān)學(xué)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(diào)查，分析得到不同降溫方式與室外溫度的相關(guān)性[10]，研究的對象主要是空調(diào)、風(fēng)扇等制冷設(shè)備，而缺乏不同建筑保溫材料對節(jié)能減排和室內(nèi)外溫度的相關(guān)性研究。經(jīng)調(diào)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(jié)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(fēng)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(dǎo)致變形率大，易結(jié)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(shù)，對比分析不同保溫材料對室內(nèi)溫度、人體熱舒適度和空調(diào)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(dǎo)并支持既有建筑綠化改造，科學(xué)選擇保溫材料也是當(dāng)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(shè)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(shè)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(jīng)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(nèi)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(nèi)外墻、門窗，對房間進行Thermal zone命名后導(dǎo)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(nèi)部可視化圖

1.3 結(jié)構(gòu)物理參數(shù)

本文主要研究圍護結(jié)構(gòu)中不同保溫材料對室內(nèi)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(jié)構(gòu)構(gòu)造、室內(nèi)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(jié)構(gòu)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(gòu)造參數(shù)如表1所示。

表1 圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)

根據(jù)Energyplus軟件要求設(shè)置各材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、材質(zhì)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(nèi)環(huán)境

作為參照對象，本文首先研究無保溫層的室內(nèi)環(huán)境，即墻體結(jié)構(gòu)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(nèi)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(shè)置任何保溫材料的工況下室內(nèi)溫度的變化趨勢。同時，為有效對比室內(nèi)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(nèi)外溫度變化如圖3所示，冬季典型計算日（即1月5日）室內(nèi)外溫度變化如圖4所示。

從圖3可以看出，在墻體未設(shè)置任何保溫材料的情況下，夏季典型計算日上午9點室內(nèi)溫度最低27.3℃，而晚上20點室內(nèi)溫度最高為34.8℃。根據(jù)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T18883-2002中第4.2條表1《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[14]規(guī)定：冬季采暖溫度標(biāo)準(zhǔn)為16℃～24℃，夏季制冷溫度標(biāo)準(zhǔn)值為22℃～28℃。通常情況下，夏季室內(nèi)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(nèi)環(huán)境溫度，否則容易導(dǎo)致中暑；因此為了使室內(nèi)達到標(biāo)準(zhǔn)居住條件，在夏季典型計算日必須全天開啟空調(diào)維持室溫。同理，從圖4可以看出，在同等墻體結(jié)構(gòu)布置下，冬季典型計算日室內(nèi)溫度在上午10點達到最低，為8℃，室內(nèi)溫度在晚上19點達到最高，為10.8℃；室內(nèi)環(huán)境溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于冬季采暖最低標(biāo)準(zhǔn)（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(nèi)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(biāo)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(biāo)體系，“空氣溫度”在PMV評定指標(biāo)中占主導(dǎo)地位，因此，本文將PMV納入材料保溫性能評價體系中。基于EnergyPlus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(jié)果如圖5所示，冬季典型計算日的結(jié)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(chǎn)生熱感，負(fù)值人體產(chǎn)生冷感。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO標(biāo)準(zhǔn)7730對PMV的推薦值是-0.5～+0.5，在這個PMV值區(qū)間內(nèi)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(yīng)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(yīng)極劇寒冷。

小結(jié)：通過分析室內(nèi)人體熱舒適度可知，在墻體結(jié)構(gòu)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(nèi)溫度和熱舒適度均較差，由此說明保溫材料對于維持室內(nèi)舒適環(huán)境和建筑節(jié)能的重要性。

2.2 圍護結(jié)構(gòu)添加保溫層

圍護結(jié)構(gòu)增設(shè)保溫層，即圍護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)層，分別計算和分析使用不同保溫材料時室內(nèi)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(shè)保溫材料的自然室溫

基于EnergyPlus仿真技術(shù)，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(jié)構(gòu)中，設(shè)置對應(yīng)材料的物理參數(shù)，研究不同保溫材料的室內(nèi)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(shè)保溫材料主要是防止室外高溫氣體傳入室內(nèi)，本文基于EnergyPlus仿真計算，得到夏季典型計算日室內(nèi)環(huán)境溫度如圖7所示。

圖7 夏季室內(nèi)溫度

從圖中可以看出，墻體結(jié)構(gòu)沒有設(shè)置保溫材料時，室內(nèi)溫度最高，且早晚溫差最大。外墻增設(shè)保溫層后，室內(nèi)環(huán)境溫度明顯低于無保溫層結(jié)構(gòu)，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(nèi)早晚溫差波動較大，間接說明室內(nèi)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(nèi)環(huán)境溫度全天都低于夏季制冷溫度標(biāo)準(zhǔn)值（22℃～28℃）最大值，理想狀態(tài)下在不開啟空調(diào)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(nèi)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(shè)保溫材料主要是防止室內(nèi)暖氣流出室外，基于EnergyPlus仿真技術(shù)，得到冬季典型計算日室內(nèi)環(huán)境溫度如圖8所示。

圖8 冬季室內(nèi)溫度

由圖可知，墻體結(jié)構(gòu)無保溫材料時，室內(nèi)溫度最低至9.31℃，冷感極其強烈，需采取主動措施提高室內(nèi)溫度。墻體增設(shè)保溫層后室內(nèi)溫度雖未達到冬季制冷溫度標(biāo)準(zhǔn)值（16℃～24℃），但室內(nèi)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(nèi)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(nèi)擠塑板（XPS）、聚苯板（EPS）略優(yōu)于聚氨酯泡沫。由實驗結(jié)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(guān)。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(shè)保溫材料后的室內(nèi)溫度變化情況可以看出，冬季室內(nèi)溫度明顯上升，夏季室內(nèi)說明保溫材料節(jié)能明顯。

2.2.2 增設(shè)保溫材料的人體熱舒適度

人體熱舒適度與室內(nèi)環(huán)境溫度存在密切的聯(lián)動關(guān)系，且人體熱舒適度更加直觀的反應(yīng)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(jié)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(jié)構(gòu)未設(shè)置保溫層時，僅上午10點～12點在最適PMV值內(nèi)，其余時間均不在舒適值內(nèi)，即全天87.5%的時間都不在舒適范圍內(nèi)。墻體結(jié)構(gòu)增設(shè)保溫材料后，全天87.5%的時間內(nèi)PMV值均明顯低于未設(shè)置保溫層結(jié)構(gòu)。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(nèi)，而隔熱性能最差的巖棉板相比未設(shè)置保溫材料結(jié)構(gòu)，全天PMV值約平均降低1.5，可見保溫材料對室內(nèi)熱舒適環(huán)境影響較大。上午10點～12點未增設(shè)保溫層時的PMV略優(yōu)于增設(shè)保溫層結(jié)構(gòu)，是由于該時間段內(nèi)室外環(huán)境溫度適宜，保溫材料一定程度上阻止了室內(nèi)外溫度的傳遞，但在其余時間段內(nèi)墻體增設(shè)保溫材料后的PMV值明顯低于墻體未設(shè)置保溫材料。由仿真結(jié)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(nèi)，人體熱舒適值均不在最適值內(nèi)，且均低于-1.25，人體冷感強烈。增設(shè)保溫材料后PMV值雖達不到最佳值域內(nèi)，但PMV值均增大，從而體現(xiàn)出保溫材料對室內(nèi)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(shè)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(nèi)人員帶來良好的居住環(huán)境。

2.3 節(jié)能分析

室內(nèi)添加分體式空調(diào)一臺，制冷功率1.1 kW，制熱功率2.0 kW，設(shè)置冬季室內(nèi)采暖維持室溫18℃，夏季制冷維持室溫24℃，設(shè)置空調(diào)全天開啟，分別計算冬夏季典型計算日增設(shè)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(diào)電耗

由上表數(shù)據(jù)可知，增設(shè)保溫材料后冬夏季空調(diào)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(jié)語

本文基于EnergyPlus軟件，通過研究墻體結(jié)構(gòu)層增設(shè)不同的保溫材料對室內(nèi)環(huán)境溫度、人體熱舒適度及空調(diào)能耗的影響，得出結(jié)論如下：

(1)相比較于墻體結(jié)構(gòu)無保溫層時，增設(shè)保溫材料后冬季典型計算日室內(nèi)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(nèi)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(nèi)環(huán)境舒適感越強，建筑全生命周期內(nèi)運營成本就更低。

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