EPS保温板在建筑节能设计中的保温效果研究

吴舒畅 武汉光谷资源开发投资有限公司规划设计部部长、工程师

闫 晓 成都基准方中建筑设计有限公司武汉分公司结构设计一室室主任助理、工程师

1 建筑节能概述

1.1 建筑节能设计的意义

当前，我国建筑市场处于高速发展阶段，在城镇化日益深入的今天，国内城市建筑的体量及规模也实现了大幅度的跨越式发展。但是，根据相关数据统计结果可以了解到，当前国内约97%的建筑物属于高耗能建筑，同时在我国有采暖要求的建筑物外墙保温的传热系数是同等气候发达国家的4 倍。为了积极响应当前国家所倡导的绿色节能的现代化建筑发展方向，目前我国已将建筑节能的有关措施纳入优先发展领域，同时国内的相关部门相继出台多项文件明确现代化建筑一定要贯彻落实可持续发展战略，大力发展建筑节能工程，达到节能减排目的。

1.2 建筑节能材料的分类及应用

近年来，建筑节能的相关设计已成为建筑设计市场的重点研究方向，而与建筑节能保温效果具有密切关系的是建筑保温材料的选择。保温材料的优选因素包括其本身具有相对良好的保温性能与耐久性能，同时具备较为便捷的施工性能。当前，国内建筑市场中较为常见的建筑节能材料有无机保温材料（主要包括岩棉保温板、膨胀珍珠岩及泡沫水泥等）、有机保温材料[主要包括挤塑聚苯板（XPS）、硬泡聚氨酯（PU）以及聚苯乙烯泡沫（EPS）等]。

在工程使用过程中，无机保温材料一般具有较高的传热系数，所以保温效果相对较差，在实际项目当中应用较少。较之于无机保温材料，有机保温材料由于保温性能较为优越、施工性能较为优良，在工程建设当中应用相对较为广泛，其中聚苯乙烯泡沫（EPS）材料作为我国建筑市场中覆盖率最为广泛的有机泡沫节能材料，具有稳定性、透气性及低导热性能等多种优势。

2 EPS 外墙保温板技术性能优势

在当前的建筑节能保温材料当中，聚苯乙烯泡沫塑料板使用较为广泛，一般可以划分为挤塑板（XPS）和模塑板（EPS）2 种类别。二者的成分都是以聚苯乙烯共聚物为主，由于二者在生产过程中采用不同的生产工艺，因此两种板材之间的分子结构存在一定的差别，这也导致两者的性能指标存在一定偏差。EPS 保温板是由聚苯乙烯单体材料构成的，同时在其中加入了阻燃剂和发泡剂等添加剂，通过在模塑当中加热预发泡的方式制成具有不同闭孔结构和表观密度的硬质塑料泡沫。我国对EPS 保温板的研究使用起步较晚，与之相对应的是欧美等发达国家，在EPS 保温板的研究使用当中已经形成了较为完善的规范标准和法律要求，EPS 保温板在工程实践当中充分表明其具有较为优良的性能。

2.1 较强的黏结性和柔韧性

由于本身材料和生产工艺的原因，EPS保温板本身较为粗糙，孔隙率相对较大，在实际施工过程中和砂浆黏结容易被湿润，从而形成具有较强黏结能力的机械互锁。EPS板本身柔韧性较好，具有相对合适的强度，这也使得材料本身具有较强的适应变形能力。经过测算发现，EPS 板具有良好的自承重及承受风压的强度值，在实际工程中具有防止开裂、脱落良好的黏结力和耐久性能。

2.2 密度较小，稳定性较好

EPS 保温板密度数值与聚苯乙烯单体的膨胀倍数具有重要关系，其密度值一般为18～22 kg/m3。相比聚氨酯硬质泡沫（PU）和酚醛泡沫板（PF），EPS 保温板的密度值更小，同时EPS 保温板稳定性更为优良，在受到温差所导致的外力或者机械外力的作用下，材料本身的形变量相对较小，在面层处不会出现裂缝，由此可以有效避免渗水等因素所导致的保温层脱落或者保温效果变差等不良后果。

2.3 导热系数较小，热稳定性较好

EPS 保温板本身导热系数较小，与膨胀珍珠岩和硬泡聚氨酯等材料相比具有更为优良的保温性能。在常温情况下，EPS 保温板具有更好的稳定性，一般不会发生老化现象。在温度达到150 ℃时，EPS 保温板会发生熔解现象。EPS 保温板处于燃烧过程中，由于其中添加有阻燃剂，所以火焰并不会发生明显的扩散现象，其上部的火焰会在几秒内自行熄灭，因此EPS 保温板的燃烧性能可以满足防火规范中的相关规定，属于A 级防火材料。相比其他类型的保温材料，EPS 保温板具有较为简单的生产工艺，而且其生产成本较为低廉，具有可靠的产品性能。由于EPS保温板环保性能较为优良，所以可以进行回收利用，其回收利用途径主要包括如下：一是通过采用机械回收的方式将EPS 板重新加工制成XPS 板，或者通过热熔再生的方式制成新的EPS 板；二是采用化学的方法进行回收使用，如将其制作成具有防水效果的纸箱或建筑涂料等。

3 EPS 外墙保温体系的保温性能和节能效果实证研究

3.1 案例概况

选取湖北省武汉市某小区高层住宅为例，对EPS 保温板的外墙保温效果进行研究。根据相关资料可知，武汉市冬季平均温度为5.5℃左右，室内平均温度为18.0℃，采暖期天数约为110d，该小区的高层住宅建筑面积为8814.87m2，建筑外表面积经计算约为6 735.71m2，建筑总体积为V0=24 631.61m3，换气体积约为V=0.6V0=14778.97m3，在本工程当中分别采用EPS 和XPS 2 种保温材料。

根据实际的市场调研，EPS 和XPS 2 种保温材料的施工技术具有较大差别，由于XPS 保温板施工过程中需要采用双面刷界面砂浆的形式，因此，为了满足施工平整度的相关要求，需要对XPS 保温板进行打磨。由于施工难度有所提高，所以XPS 保温板的价格约为EPS 保温板的2 倍。根据定额综合分析，50mm 厚度的XPS 保温板和90mm 的EPS 保温板的建造成本基本相同。同时，项目生命周期末期时2 种材料的拆除成本和回收成本也基本一致。所以，本次项目中为了评价EPS 保温板的保温效果，将XPS 保温板作为对比项，对相同价格条件下2 种材料的保温效果进行对比研究。

3.2 保温性能评价

本次研究是基于建筑物本身的屋面、地面等保温效果一致的情况下进行的，仅考虑外墙保温材料不同所引起的节能和保温效果的差异性。墙体作为建筑物本身的维护结构，其传热系数的限值和建筑本身的体形系数具有一定关系。从建筑节能角度进行分析，建筑本身的形体较为规整，那么其体形系数较小，同等体积的建筑物外墙表面积相对较小，在维护条件相同的情况下，外墙表面积较小的建筑室内热量损失相对较小，具有更好的保温隔热效果。《民用建筑热工设计规范》规定，在建筑物的体形系数S ≤3 时，其墙面的传热系数限值为1.16W/（m2·K），当体形系数的数值S ＞3 时，墙面的传热系数限值为0.82W/（m2·K）。在工程实践中发现，将建筑墙面的传热系数由1.16W/（m2·K）减小至0.82W/（m2·K），需要增加保温材料厚度，从而提高整体的工程造价。综上所述，在建筑平面设计中应进行合理的布局，尽量减少建筑物的体形系数。在本次研究当中，项目的体形系数值S=建筑物外表面积/建筑物体积，即S=F0/V0=6735.71/24631.61=0.27。根据《民用建筑热工设计规范》的相关规定，体形系数值小于0.3，不必进行热工计算。

在研究过程中采用的EPS 保温材料厚度为90mm，而采用的XPS 保温材料厚度为50mm，建筑外墙保温材料的保温节能效果主要通过传热系数、热阻值和外墙耗热量进行体现。保温节能材料相关系数如表1 所示。

第一，热阻值R 计算公式如下：

式（1）中，R 代表热阻值，单位为（m2·K）/W；δ 代表所使用保温材料的厚度，单位为m；λ 代表保温材料的导热系数，单位为W/（m2·K）；μ 代表保温材料修正系数。

保温材料导热系数/[W/（m2·K）]修正系数EPS 0.042 1.1 XPS 0.031 1.1

通过式（1）计算2 种保温材料的热阻 值 分 别 为REPS=1.994（m2·K）/W，RXPS=1.52（m2·K）/W。

第二，传热系数值K 计算公式如下：

式（2）中，R 代表材料的热阻值，单位 为（m2·K）/W；K 代 表 材 料 的 传 热 系数，单位为W/（m2·K）。根据式（2）计算这两种不同厚度材料的传热系数值，分别为KEPS=0.465 W/（m2·K），KXPS=0.60 W/（m2·K）。

第三，外墙消耗热量值计算公式如下：

式（3）中，QHq 表示在单位时间内折合到单位建筑面积上的通过外墙的传热量；tn 和te 分别表示室内和室外的平均温度值；ξqi 表示的是外墙传热系数的修正系数；Kmqi 代表的是外墙的平均传热系数，在本次研究中仅考虑外墙保温材料的平均传热系数，单位为W/（m2·K）；Fqi 代表的是保温外墙工程的面积；A0代表总建筑面积。

在相同的使用条件下，EPS 保温板和XPS 保温板的传热系数、热阻值和外墙的耗热量数据统计如表2 所示。

由表2 可知，在相同的成本条件下，EPS保温板的热阻值较XPS 保温板更高。由此可知EPS 保温板具有更小的传热系数，而外墙的耗热量仅为XPS 保温板的76%左右，具有更为明显的保温效果。结合两者的生产工艺进行分析可以得知，EPS 保温板保温性能更好的原因是其内部为空腔结构，这就使得其传热系数相对更小，隔绝热传导的能力更强。同时，由于EPS 保温板本身的吸水率较低，具有较好的防潮性和抗水性，所以相对于XPS 保温板具有更为优良的保温性能。

保温材料EPS 保温板XPS 保温板热阻值R[（m2·K）/W]1.994 1.52传热系数值K[W/（m2·K）]0.465 0.60外墙耗热量QHq（W/m2）6.82 8.81

4 结语

为了在建筑领域实现节能规划的相关目标，我国在建筑行业大力推行绿色建筑设计，倡导使用更为环保节能的建筑材料，同时这也是建筑行业实现可持续发展的重要举措。目前，EPS 保温板材料在发达国家已经有40多年的工程应用历史，其外墙保温材料与外墙装饰材料共同形成了集保温层、黏结层与饰面层相配套的完整体系。根据国内外的相关工程实践经验及数据统计可知，EPS 保温板具有较为优良的节能保温效果，具有较强的经济性，透气性和黏结性较为优良，而且便于进行现场打磨加工等，所以EPS 保温板是目前建筑外墙保温体系当中的首选材料。此外，EPS 保温板在后期使用过程中具有优良的隔声效果，材料本身较为环保，可以进行循环利用，所以在国内EPS 保温板势必具有更为广阔的市场前景。