保温隔热材料在建筑外墙外保温中的应用研究

刘磊，李晓虹，王林，周练（.西华大学 建筑与土木工程学院，四川 成都　60039；.四川海聚环保科技有限责任公司，四川 广元　68033）

保温隔热材料在建筑外墙外保温中的应用研究

刘磊1，李晓虹1，王林2，周练1
（1.西华大学 建筑与土木工程学院，四川 成都610039；2.四川海聚环保科技有限责任公司，四川 广元628033）

运用DesignBuilder软件，选用建筑工程中常用的3种外墙外保温隔热材料，对建筑进行能耗模拟，研究不同保温隔热材料在我国不同气候区域的建筑外墙中应用对建筑节能产生的影响。结果表明：各气候地区的建筑在应用3种外墙保温隔热材料时，建筑热负荷均随着材料厚度的增加而逐渐减小；建筑冷负荷在夏热冬暖地区随材料厚度增加而逐渐降低，在严寒地区随材料厚度增加而增加；但对于夏热冬冷和寒冷地区建筑，在应用3种材料时，均出现夏季反节能现象，即随着材料厚度增加出现建筑冷负荷峰值。

DesignBuilder；建筑节能；外墙外保温；保温隔热材料；经济性厚度

建筑外墙在没有保温隔热措施时，由外墙传热产生的建筑能耗约占建筑总能耗的15%～20%［1］，根据国家对不同气候地区新建及既有建筑的节能设计和改造的要求，外墙传热性能对整栋建筑的节能性起重要作用［2-3］。因此，建筑外围护结构节能设计或改造是建筑节能考虑的重点［4］。外墙的保温隔热措施多采用保温隔热材料（包括保温隔热涂料）和设计不同结构形式的外墙。外墙保温隔热材料的有效利用，对改善建筑节能性、建造绿色建筑提供了正确方向。本文主要以广州、成都、郑州、呼和浩特及哈尔滨五大气候区代表城市为例［2，5］，结合建筑能耗分析软件DesignBuilder，对保温隔热材料在五大城市建筑外墙外保温隔热中应用的节能性、建筑环境舒适性进行研究，重点以膨胀聚苯板（EPS）、挤塑型聚苯板（XPS）及硬质泡沫聚氨酯板（PUR）3种目前最常用的保温隔热材料作为研究对象［6］，分析并提出相应的应用改善措施。

1　建筑模型及围护结构热工性能

1.1建筑模型

建筑能耗模拟对象为某行政办公建筑，建筑面积约5313 m2，南北朝向。南向窗墙比0.28，北向窗墙比0.25，体形系数0.16。使用区域主要为办公室、客房及会议室，共6层。其中1～5层为办公区域，6层为会议室。建筑层高：首层层高4.8 m，顶层层高3.6 m，其余层高3.3 m。以第2层为例建筑模型平面如图1所示。

图1　建筑模型平面

根据GB 50198—2015《公共建筑节能设计标准》［2］，建筑围护结构热工性能参数必须满足所在气候区域的要求。为方便比较保温隔热材料在各气候区建筑中应用的节能性差异，各气候区均采用此建筑模型，以增加保温隔热材料应用性能对比分析的可行度与说服力。

1.2围护结构热工性能参数

GB 50198—2015规定的不同气候区域建筑外墙热工性能参数见表1。

表1　建筑外墙热工性能参数

另外，屋面材料为水泥膨胀珍珠岩，传热系数0.187 W/ （m2·K）；内隔墙为水泥砂浆砖墙，传热系数1.901 W/（m2·K）；楼板材料为钢筋混凝土，传热系数0.508 W/（m2·K）；外窗材料为PVC框+Low-E中空玻璃，传热系数2.444 W/（m2·K）；外门为节能外门，传热系数3.020 W/（m2·K）；内门为木框夹板门，传热系数2.504 W/（m2·K）。以上参数均参照GB 50198—2015及建筑图纸说明进行设定。

1.3外墙外保温隔热材料设定

通过DesignBuilder软件，设定外墙外保温隔热材料分别为EPS、XPS及PUR，具体保温隔热材料厚度设定值及相应外墙总传热热阻（以EPS为例）见图2。

图2　外墙构造及总传热热阻

2　计算输入参数设定及说明

分别选定广州（夏热冬暖地区）、成都（夏热冬冷地区）、郑州（寒冷地区）、呼和浩特（严寒C区）及哈尔滨（严寒A，B区）气象参数［2］为建筑逐时负荷计算室外参数。室内设计参数设定结合规范及文献［2，7-8］，具体见表2。

表2　室内空气设计参数

另外，新风量以办公室、客房为主，均取最小新风量30 m3/（h·p）［9］。由于该建筑为行政办公建筑，工作时间为周一至周五9:00-17:00，照明开关时间参照GB50198—2015要求。为便于建筑节能性对比分析，制冷月与采暖月统一设定：制冷为6月至9月，采暖为12月至次年2月。采用热泵型风机盘管加新风系统，兼顾夏季制冷与冬季供暖，其运行与工作时间一致。

3　模拟结果与分析

3.1同一气候区不同保温隔热材料对建筑能耗的影响

统计并整理建筑全年能耗数据，计算出各城市气候条件下建筑全年能耗总节能率（外墙设置外保温隔热材料后相对于无保温隔热措施时的建筑节能率）。结果显示，3种材料的节能性随气候区及保温层厚度变化的趋势相同，以成都、郑州为例，具体见图3。

图3　不同城市建筑全年总节能率

从图3可以看出，成都及郑州的建筑全年总节能率随着3种保温隔热材料厚度的增加而逐渐增大。其它3城市的变化趋势与成都、郑州一样，3种材料节能率PUR＞XPS＞EPS。然而，在不同气候区域建筑能耗中，制冷与采暖能耗所占比重不同，而建筑能耗中制冷与采暖能耗所占比例近65%。因此，对比3种材料建筑节能性，应结合建筑夏季冷负荷指标及冬季热负荷指标具体分析。

由模拟数据计算建筑冷热负荷指标，结果见图4（呼和浩特与哈尔滨变化趋势一致，未单独列出）。

图4　不同城市建筑冷热负荷指标

分析3种材料对应的建筑冷、热负荷指标，除广州外，其余3个城市的冷负荷指标均为PUR＞XPS＞EPS，热负荷指标均为PUR＜XPS＜EPS，而广州冷、热负荷指标均为PUR＜XPS＜EPS。对比各城市建筑冷、热负荷大小，参照GB 50198—2015 和GB 50019—2013中制冷采暖的要求，由图4可以看出，广州只考虑制冷，哈尔滨、呼和浩特只考虑采暖，因此，这3个气候区域适合采用PUR作为外墙隔热保温材料，这也正好符合PUR综合节能性相对较优良的特性；然而，对于成都（夏热冬冷地区）、郑州（寒冷地区），夏季制冷时节能性优良的是EPS，而冬季采暖时节能性优良的是PUR，XPS均适中，且均出现了夏季制冷反节能现象，冷负荷最小值对应材料厚度均为10 mm，最大值对应材料厚度见表3。又由图3可知，每种材料随其厚度的增加都会使建筑能耗逐级减小，故而，兼顾考虑建筑投资经济效益问题，方可确定在成都、郑州气候区域的墙体保温隔热材料。

表3　夏季冷负荷最大值时外墙保温隔热材料厚度

3.2同一保温隔热材料在不同气候区对建筑能耗的影响

对于3种材料在各城市建筑中的应用，其对应建筑节能性已从图3分析得出，变化趋势一致。现对比分析3种材料对应的各城市建筑全年总节能率，具体见图5。

由图5可见，EPS和PUR的节能率为呼和哈特＞哈尔滨＞郑州＞成都＞广州；XPS的节能率变化趋势与EPS的相同。根据我国气候特性，北方建筑注重冬季外墙保温，南方建筑注重夏季隔热，中原地带需兼顾二者［5］。由表1及图2可知，各城市外墙墙体均参照规范并相互对比而设定，这也是呼和浩特节能率大于哈尔滨的原因所在。

图5　不同材料建筑保温隔热全年总节能率

由以上分析可知，3种保温隔热材料在我国各气候区条件下，建筑综合节能性变化趋势均由北向南逐渐降低，这体现了文中选取的3种材料冬季保温性能远远优于夏季隔热性能。即相对于夏季隔热而言，3种材料用于严寒及寒冷地区建筑外墙冬季保温更体现节能性，且保温层越厚，节能性越好。3.3保温隔热材料经济厚度分析

由以上分析可知，夏热冬暖和严寒气候地区虽已确定外墙外保温隔热材料为PUR，且从图3分析已知，材料厚度取值越大，建筑节能性越好，但这又有悖于建筑投资的经济性，且节能率增加幅度随着厚度的增加而减小，即非线性关系［10］；而对于夏热冬冷及寒冷地区，由表3可知，还需规避材料夏季反节能厚度区间。参照文献［11-12］，绝热层厚度与绝热材料的单位体积价格和其导热系数有关。因此，建筑外墙外保温隔热材料的选用及厚度的确定，除要考虑建筑节能性外，还应预算工程经济性，即保温隔热材料的经济厚度。

保温层经济性厚度的计算需要考虑诸多因素，在不考虑其在制作、施工、运输、拆除及最后报废等阶段的成本投入的情况下，一般保温层生命周期成本为保温材料在运行阶段的成本投入。因此，墙体保温层在生命周期内的总成本可表示为：

式中：C总——单位面积复合墙体的保温层在生命周期内的总成本，元/m2；

C单位价格——保温材料的单位体积价格，元/m3；

δ——保温层的厚度，m；

C采暖节约能耗、C空调节约能耗——保温层在运行期内单位面积节约的采暖、空调能耗成本现值，元/m2［13］。

结合工程实际预算，采用上式可得出保温隔热材料的经济厚度。

4　结语

根据GB 50019—2013关于建筑热工设计分区及设计要求，夏热冬冷地区建筑保温与隔热同样重要，寒冷地区建筑也需兼顾考虑保温和隔热，严寒地区侧重考虑冬季建筑保温，夏热冬暖地区注重夏季建筑隔热。建筑节能设计及改造中，结合建筑所在的气候区域，权衡夏季制冷和冬季采暖，确定工程中应该选取的几种外墙外保温隔热材料；通过软件进行建筑能耗模拟，选取节能性优良的外墙保温隔热材料，并综合考虑保温隔热材料的经济性，计算出其经济性厚度。通过节能性、经济性设计及改造，使新建及既有建筑在选取和利用外墙外保温隔热材料方面更优化。

［1］钱晓倩.基于间歇式、分室用能特点下建筑耗能的基础研究［J］.土木工程学报，2010，43：392-399.

［2］GB 50189—2015，公共建筑节能设计标准［S］.

［3］JGJ 176—2009，公共建筑节能改造技术规范［S］.

［4］Li Nan，Luo Guozhi，Li Baizhan，et al.Impact of light-weight externalthermalinsulationmaterialsonbuildingsurrounding thermal environment in summer［J］.J.Cent.South Univ，2012，19：1639-1644.

［5］GB 50176—93，民用建筑热工设计规范［S］.

［6］徐艳.外墙外保温材料的选用及施工技术的研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2011.

［7］GB 50019—2003，采暖通风与空气调节设计规范［S］.

［8］马最良，姚杨.民用建筑空调设计［M］.2版.北京：化学工业出版社，2009：21-30.

［9］GB 50736—2012，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范［S］.

［10］杨璐，李兴照，严永红.对重庆商场建筑外墙保温节能设计措施的探讨［J］.重庆建筑大学学报，2007，29（3）：8-11.

［11］屈万英.夏热冬冷地区节能外墙的技术经济分析［J］.西安建筑科技大学学报：自然科学版，2005，37（1）：90-94.

［12］房琳.空调建筑外墙和屋顶经济绝热厚度的计算［J］.太阳能学报，2002，23（6）：711-716.

［13］周淑玲，高辉.天津地区某高校教学楼外墙保温层经济性厚度研究［J］.建筑节能，2014，42（2）：101-107.

Analysis of the application of thermal insulation materials in the construction of exterior insulation

LIU Lei1，LI Xiaohong1，WANG Lin2，ZHOU Lian1
（1.School of Architecture and Civil Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China；2.Sichuan E.A.Environmental Technology Co.Ltd.，Guangyuan 628033，China）

Using the software DesignBuilder，and selecting three commonly used building's exterior insulation materials in construction projects，simulating was carried out on building's energy consumption，to research the effects of different insulation materials applied in building's exterior wall in different climatic zones for the impact of building energy efficiency.The results show：in case of three materials used in different climatic zones of the building，building heat load trends have progressively reduced with the increase of material thickness，in hot summer and warm winter area，building cooling load has progressively decreased with the increase of three insulation materials'thickness，but in severe cold area，building cooling load change has the opposite tendency. Whereas，In hot summer and cold winter and cold regions，there are anti-saving phenomenon in summer，and appearing building cooling load peak with increasing thickness of the material.

DesignBuilder，building energy saving，exterior insulation，insulation materials，economy thickness

TU55+1.2

A

1001-702X（2016）04-0025-04

西华大学研究生创新基金项目（ycjj2015059）

2015-11-18

刘磊，男，1989年生，河南信阳人，硕士研究生。地址：成都市郫县，E-mail：705776367@qq.com。