既有建筑节能改造保温材料性能比较及研究

刘中勇，霍海娥，徐嘉茂

（1.四川师范大学工学院，成都 610101；2.西华大学土木建筑与环境学院，成都610039）

0 引言

目前，许多建设单位为节省建造成本，任意使用建筑保温材料，实际上盲目选择保温材料反而会增加建筑全生命周期的运营成本，造成资源的过度消耗和浪费[1]。夏热冬冷地区季节变化明显,建筑节能设计匮乏，致使夏冬季空调使用频率较高，从而进一步增加建筑能耗负担[2]。统计发现，发达国家的平均采暖能耗仅占我国的1/2～1/3[3]。分析国家统计局数据发现，2017年的建筑能耗占年总能耗的33%，并且，我国年新建建筑体量约400多亿m2，高能耗建筑占比高达80%，如何降低建筑能耗仍是一个棘手的问题[4]。研究节能改造经济投入，发现：外围护结构节能改造以3%～6%的经济投入就可带来20%～40%建筑节能收益[5]。保温材料性能的优劣决定房间的热负荷量，也决定室内环境温度的升降速率，特别是在冬夏两季，室内温度直接影响居民使用空调的频率，伴随而来的就是对能源的直接消耗[6-7]。李兆坚等[8]通过LCA理论剖析了保温材料的投资回收期与材料寿命的线性关系。Maatouk K[9]研究了操作温度和含水率对聚苯乙烯保温材料导热系数的综合影响及其对建筑能源性能的影响。目前，相关学者对成都地区夏季不同降温方式的使用时间进行问卷调查，分析得到不同降温方式与室外温度的相关性[10]，研究的对象主要是空调、风扇等制冷设备，而缺乏不同建筑保温材料对节能减排和室内外温度的相关性研究。经调研发现成都市最常用建筑保温材料有：氨酯泡沫塑料[11]，该材料粘结力强，保温隔热性好，防水性、密封性优，不易开裂，但施工工艺要求较高，需人工打磨，环保性能较差；聚苯板（EPS）[11]，该材料保温隔热性能优越，防水性能好，耐久性好，施工方便，性价比高，但强度低，面层易开裂，防火等级低；挤塑板（XPS）[11]，该材料保温隔热性能优越，防水、抗风压、抗冲击性能好，施工方便，性价比高，但材料透气率低，受温湿度导致变形率大，易结露，防火等级低；岩棉板[11]，该材料稳定性好，温度变形小，板缝处不易开裂，但硬度小，平整度难以控制，吸湿性大。Stp超薄绝热板[12]使用广泛度虽不高，但材料本身的低传热率，便捷的安装工艺流程，耐久性强等特点。

综上，本文基于EnergyPlus仿真技术，对比分析不同保温材料对室内温度、人体热舒适度和空调能耗的影响，从而定性分析保温材料的优劣性。目前，国家大力倡导并支持既有建筑绿化改造，科学选择保温材料也是当前既有老旧建筑改造的一大亮点[13]。

1 物理模型及参数设置

1.1 建筑物理模型

本文以夏热冬冷地区中的成都市80年代建筑——抚琴小区某单元卧室为研究对象，该卧室开间3.5米，进深5.0米，层高3.0米，东西方向各有宽高均为1.2米的窗户，东南朝向设有宽0.9米，高1.8米的甲级防火门，建筑朝向南偏东30°。同时，该地区在东经104°2'，北纬30°67'，海拔约506.1米。

1.2 建筑SketchUp模型

根据建筑平面图在SketchUp中建立三维模型（如图1），内部可视化空间如图2所示。确定模型物理尺寸无误后，Match识别内外墙、门窗，对房间进行Thermal zone命名后导出idf格式的文件，并用于EnergyPlus软件进行仿真计算。

图1 SketchUp三维图

图2 SketchUp内部可视化图

1.3 结构物理参数

本文主要研究围护结构中不同保温材料对室内温度的影响，因此，在使用EnergyPlus软件进行仿真模拟时涉及到的主要参数有：墙体结构构造、室内热扰、墙体保温材料（包括：挤塑板、聚苯板、岩棉板、聚氨酯泡沫塑料、stp超薄绝热保温板）等。

根据结构施工图纸可知，该单一建筑区域主要由地面、门、窗、外墙以及屋顶组成，基本构造参数如表1所示。

表1 围护结构构造参数

根据Energyplus软件要求设置各材料的导热系数、比热容、材质粗糙度、密度等，具体物理参数如表2所示。

表2 材料属性及参数

2 .数据仿真及分析

在一年中，春秋两季室外环境温度基本维持在18℃～26℃，均是宜居温度，为最大程度研究保温材料的物理性能，本文选取一年中天气最恶劣的两天做分析，即夏季选取7月21日作为夏季典型计算日，冬季选取1月5日作为冬季典型计算日。

2.1 无保温层的室内环境

作为参照对象，本文首先研究无保温层的室内环境，即墙体结构仅由水泥砂浆（15 mm）、钢筋混凝土（100 mm）、瓷砖（10 mm）组成，分别计算分析冬夏两个典型日在无保温层时室内的温度和人体热舒适度。

2.1.1 无保温层的自然室温

首先基于Energyplus对于自然室温进行仿真计算，分析在没有设置任何保温材料的工况下室内温度的变化趋势。同时，为有效对比室内外温度差异，本文将同时模拟冬、夏典型计算日室外温度的变化趋势。夏季典型计算日（即7月21日）室内外温度变化如图3所示，冬季典型计算日（即1月5日）室内外温度变化如图4所示。

从图3可以看出，在墙体未设置任何保温材料的情况下，夏季典型计算日上午9点室内温度最低27.3℃，而晚上20点室内温度最高为34.8℃。根据《室内空气质量标准》GB/T18883-2002中第4.2条表1《室内空气质量标准》[14]规定：冬季采暖温度标准为16℃～24℃，夏季制冷温度标准值为22℃～28℃。通常情况下，夏季室内温度超过25℃，人体就开始从外界吸收热量，热感逐渐上升；超过28℃就必须通过主动措施降低室内环境温度，否则容易导致中暑；因此为了使室内达到标准居住条件，在夏季典型计算日必须全天开启空调维持室温。同理，从图4可以看出，在同等墙体结构布置下，冬季典型计算日室内温度在上午10点达到最低，为8℃，室内温度在晚上19点达到最高，为10.8℃；室内环境温度远远低于冬季采暖最低标准（16℃），达不到基本的居住环境要求，同样需要采取主动措施提高室内环境温度。

图3 夏季室外环境温度

图4 冬季室外环境温度

2.1.2 无保温层的人体热舒适度

人体热舒适度（PMV）指标是基于热舒适平衡方程，以环境温度、辐射温度、气体流速与湿润度、人体运动量、服装热阻为指标体系，“空气温度”在PMV评定指标中占主导地位，因此，本文将PMV纳入材料保温性能评价体系中。基于EnergyPlus分别计算无保温材料下人体热舒适度值，夏季典型计算日的结果如图5所示，冬季典型计算日的结果如图6所示。

图5 夏季人体热舒适度

图6 冬季人体热舒适度

通常情况下，人体热舒适值（PMV）为正值，人体产生热感，负值人体产生冷感。国际标准化组织ISO标准7730对PMV的推荐值是-0.5～+0.5，在这个PMV值区间内人体热舒适状态最佳，从图6可以看出，在夏季典型计算日中，70%以上的时间段PMV值都在1.0以上，而最高值达到2.75，人体感应极剧燥热；同理，从图7看出，PMV值最高-1.25，最低达到-3.25，人体感应极剧寒冷。

小结：通过分析室内人体热舒适度可知，在墙体结构无保温层时，在无任何主动措施情况下，冬夏典型计算日的室内温度和热舒适度均较差，由此说明保温材料对于维持室内舒适环境和建筑节能的重要性。

2.2 围护结构添加保温层

围护结构增设保温层，即围护结构组成：水泥砂浆（15 mm）、保温材料（视具体材料而定）、钢筋混凝土（100 mm）、瓷砖（10 mm）。将五种保温材料添加到围护结构的结构层，分别计算和分析使用不同保温材料时室内温度和人体热舒适度的变化情况。五种保温材料物理参数如表3所示。

表3 保温材料物理参数

2.2.1 增设保温材料的自然室温

基于EnergyPlus仿真技术，分别将五种保温材料（挤塑板（XPS）、聚苯板（EPS）、岩棉板、聚氨酯泡沫塑料、Stp超薄绝热保温板）添加到围护结构中，设置对应材料的物理参数，研究不同保温材料的室内温度和人体热舒适度的变化情况。

（1）夏季典型计算日自然室温

夏季增设保温材料主要是防止室外高温气体传入室内，本文基于EnergyPlus仿真计算，得到夏季典型计算日室内环境温度如图7所示。

图7 夏季室内温度

从图中可以看出，墙体结构没有设置保温材料时，室内温度最高，且早晚温差最大。外墙增设保温层后，室内环境温度明显低于无保温层结构，同时，从图中数据可以看出，五种材料的隔热性能依次是：Stp超薄绝热板＞挤塑板（XPS）＞聚苯板（EPS）＞聚氨酯泡沫塑料＞岩棉板。岩棉板在本文的五种保温材料中，表现出的隔热性能最差，室内早晚温差波动较大，间接说明室内温度极易受室外天气的影响；Stp超薄绝热板隔热性能极佳，且室内环境温度全天都低于夏季制冷温度标准值（22℃～28℃）最大值，理想状态下在不开启空调也能满足居住环境条件，是墙体保温材料的首选。其余三种保温材料，聚苯板（EPS）和挤塑板（XPS）性能相近，挤塑板隔热性能略优于聚苯板，聚氨酯泡沫塑料隔热性能则低于聚苯板，但同比于聚苯板，全天室内温度差值不超过1度，隔热性能偏中等。

（2）冬季典型计算日自然室温

冬季增设保温材料主要是防止室内暖气流出室外，基于EnergyPlus仿真技术，得到冬季典型计算日室内环境温度如图8所示。

图8 冬季室内温度

由图可知，墙体结构无保温材料时，室内温度最低至9.31℃，冷感极其强烈，需采取主动措施提高室内温度。墙体增设保温层后室内温度虽未达到冬季制冷温度标准值（16℃～24℃），但室内温度均明显提高，聚氨酯泡沫塑料在上午10点最高提升室内温度3.49℃，材料保温效果明显。下午13点之前聚氨酯泡沫塑料的保温性能略优于Stp超薄绝热板，从下午13点～20点之间Stp超薄绝热板保温性能明显优于聚氨酯泡沫塑料，且该时间段内挤塑板（XPS）、聚苯板（EPS）略优于聚氨酯泡沫。由实验结果可知，5种保温材料的保温性能依次是：Stp超薄绝热板＞聚氨酯泡沫塑料＞挤塑板（XPS）＞聚苯板（EPS）＞岩棉板，这和五种材料夏季的隔热性能较相似，即材料的隔热性能好，它的保温性能也好，也由此验证材料的保温性能和隔热性能成正相关。五种保温材料各自的保温性能优劣性基本等同于材料各自的隔热性能。通过对墙体增设保温材料后的室内温度变化情况可以看出，冬季室内温度明显上升，夏季室内说明保温材料节能明显。

2.2.2 增设保温材料的人体热舒适度

人体热舒适度与室内环境温度存在密切的联动关系，且人体热舒适度更加直观的反应了不同保温材料给人带来的热舒适感，研究材料的保温性能归根结底是创造更舒适的宜居环境，因此，还需通过分析五种材料下的热舒适值来客观评价材料的优劣性。

（1）夏季典型计算日PMV

本次研究取每两小时的平均热舒适值做分析，共计12组，统计得出全天PMV值如图9所示。由图可知在夏季典型计算日中，墙体结构未设置保温层时，仅上午10点～12点在最适PMV值内，其余时间均不在舒适值内，即全天87.5%的时间都不在舒适范围内。墙体结构增设保温材料后，全天87.5%的时间内PMV值均明显低于未设置保温层结构。隔热性能最好的Stp超薄绝热板，全天80%的时间都在最舒适PMV值内，而隔热性能最差的岩棉板相比未设置保温材料结构，全天PMV值约平均降低1.5，可见保温材料对室内热舒适环境影响较大。上午10点～12点未增设保温层时的PMV略优于增设保温层结构，是由于该时间段内室外环境温度适宜，保温材料一定程度上阻止了室内外温度的传递，但在其余时间段内墙体增设保温材料后的PMV值明显低于墙体未设置保温材料。由仿真结果可知五种保温材料下的PMV值依次是：Stp超薄绝热板＜挤塑板（XPS）＜聚苯板（EPS）＜聚氨酯泡沫塑料＜岩棉板＜无保温层，同样说明这五组保温材料的隔热性能依次是：Stp超薄绝热板＞挤塑板（XPS）＞聚苯板（EPS）＞聚氨酯泡沫塑料＞岩棉板。

图9 夏季人体热舒适值PMV

（2）冬季典型计算日PMV

在冬季典型计算日中，我们仅对8点～22点的PMV值作分析，其余时间段居民已就寝，被窝中温度均适宜，分析PMV值无实际意义。由图10可知，在8点～22点时间段内，人体热舒适值均不在最适值内，且均低于-1.25，人体冷感强烈。增设保温材料后PMV值虽达不到最佳值域内，但PMV值均增大，从而体现出保温材料对室内环境舒适度改善明显。五种保温材料下的PMV值排序依次是：Stp超薄绝热板＞聚氨酯泡沫塑料＞挤塑板（XPS）＞聚苯板（EPS）＞岩棉板，从而说明这五种保温材料的保温性能依次是：Stp超薄绝热板＞聚氨酯泡沫塑料＞挤塑板（XPS）＞聚苯板（EPS）＞岩棉板。

图10 冬季人体热舒适值PMV

通过对增设墙体保温材料后的人体热舒适度研究，发现夏季PMV值均降低，冬季PMV值均增大，由此说明保温材料为室内人员带来良好的居住环境。

2.3 节能分析

室内添加分体式空调一台，制冷功率1.1 kW，制热功率2.0 kW，设置冬季室内采暖维持室温18℃，夏季制冷维持室温24℃，设置空调全天开启，分别计算冬夏季典型计算日增设保温材料前后能耗使用情况，如表4所示。

表4 冬夏典型计算日空调电耗

由上表数据可知，增设保温材料后冬夏季空调电耗均降低，保温隔热性能相对较差的岩棉板也达到了7.03%的节能效果，其他材料节能均大于10%。而Stp超薄绝热板最高节能约15.01%，可见建筑保温材料对节能意义重大。

3 结语

本文基于EnergyPlus软件，通过研究墙体结构层增设不同的保温材料对室内环境温度、人体热舒适度及空调能耗的影响，得出结论如下：

(1)相比较于墙体结构无保温层时，增设保温材料后冬季典型计算日室内温度均不同程度的提高，PMV值增大，人体热舒适感增强，采暖能耗降低；夏季典型计算日室内温度均不同程度降低，PMV值减小，人体热舒适感增强，制冷能耗降低。

（2）最终通过节能分析得出五种保温材料的保温隔热性能依次是：Stp超薄绝热板＞挤塑板（XPS）＞聚苯板（EPS）＞聚氨酯泡沫塑料＞岩棉板，保温材料的保温隔热性能越好，室内环境舒适感越强，建筑全生命周期内运营成本就更低。

因此，在既有建筑的节能改造中，应科学合理的选择保温材料，从而达到提高室内舒适度。