吳舒暢 武漢光谷資源開發(fā)投資有限公司規(guī)劃設(shè)計(jì)部部長(zhǎng)、工程師

閆 曉 成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司武漢分公司結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一室室主任助理、工程師

1 建筑節(jié)能概述

1.1 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的意義

當(dāng)前，我國(guó)建筑市場(chǎng)處于高速發(fā)展階段，在城鎮(zhèn)化日益深入的今天，國(guó)內(nèi)城市建筑的體量及規(guī)模也實(shí)現(xiàn)了大幅度的跨越式發(fā)展。但是，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以了解到，當(dāng)前國(guó)內(nèi)約97%的建筑物屬于高耗能建筑，同時(shí)在我國(guó)有采暖要求的建筑物外墻保溫的傳熱系數(shù)是同等氣候發(fā)達(dá)國(guó)家的4 倍。為了積極響應(yīng)當(dāng)前國(guó)家所倡導(dǎo)的綠色節(jié)能的現(xiàn)代化建筑發(fā)展方向，目前我國(guó)已將建筑節(jié)能的有關(guān)措施納入優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，同時(shí)國(guó)內(nèi)的相關(guān)部門相繼出臺(tái)多項(xiàng)文件明確現(xiàn)代化建筑一定要貫徹落實(shí)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，大力發(fā)展建筑節(jié)能工程，達(dá)到節(jié)能減排目的。

1.2 建筑節(jié)能材料的分類及應(yīng)用

近年來(lái)，建筑節(jié)能的相關(guān)設(shè)計(jì)已成為建筑設(shè)計(jì)市場(chǎng)的重點(diǎn)研究方向，而與建筑節(jié)能保溫效果具有密切關(guān)系的是建筑保溫材料的選擇。保溫材料的優(yōu)選因素包括其本身具有相對(duì)良好的保溫性能與耐久性能，同時(shí)具備較為便捷的施工性能。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)建筑市場(chǎng)中較為常見的建筑節(jié)能材料有無(wú)機(jī)保溫材料（主要包括巖棉保溫板、膨脹珍珠巖及泡沫水泥等）、有機(jī)保溫材料[主要包括擠塑聚苯板（XPS）、硬泡聚氨酯（PU）以及聚苯乙烯泡沫（EPS）等]。

在工程使用過程中，無(wú)機(jī)保溫材料一般具有較高的傳熱系數(shù)，所以保溫效果相對(duì)較差，在實(shí)際項(xiàng)目當(dāng)中應(yīng)用較少。較之于無(wú)機(jī)保溫材料，有機(jī)保溫材料由于保溫性能較為優(yōu)越、施工性能較為優(yōu)良，在工程建設(shè)當(dāng)中應(yīng)用相對(duì)較為廣泛，其中聚苯乙烯泡沫（EPS）材料作為我國(guó)建筑市場(chǎng)中覆蓋率最為廣泛的有機(jī)泡沫節(jié)能材料，具有穩(wěn)定性、透氣性及低導(dǎo)熱性能等多種優(yōu)勢(shì)。

2 EPS 外墻保溫板技術(shù)性能優(yōu)勢(shì)

在當(dāng)前的建筑節(jié)能保溫材料當(dāng)中，聚苯乙烯泡沫塑料板使用較為廣泛，一般可以劃分為擠塑板（XPS）和模塑板（EPS）2 種類別。二者的成分都是以聚苯乙烯共聚物為主，由于二者在生產(chǎn)過程中采用不同的生產(chǎn)工藝，因此兩種板材之間的分子結(jié)構(gòu)存在一定的差別，這也導(dǎo)致兩者的性能指標(biāo)存在一定偏差。EPS 保溫板是由聚苯乙烯單體材料構(gòu)成的，同時(shí)在其中加入了阻燃劑和發(fā)泡劑等添加劑，通過在模塑當(dāng)中加熱預(yù)發(fā)泡的方式制成具有不同閉孔結(jié)構(gòu)和表觀密度的硬質(zhì)塑料泡沫。我國(guó)對(duì)EPS 保溫板的研究使用起步較晚，與之相對(duì)應(yīng)的是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，在EPS 保溫板的研究使用當(dāng)中已經(jīng)形成了較為完善的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和法律要求，EPS 保溫板在工程實(shí)踐當(dāng)中充分表明其具有較為優(yōu)良的性能。

2.1 較強(qiáng)的黏結(jié)性和柔韌性

由于本身材料和生產(chǎn)工藝的原因，EPS保溫板本身較為粗糙，孔隙率相對(duì)較大，在實(shí)際施工過程中和砂漿黏結(jié)容易被濕潤(rùn)，從而形成具有較強(qiáng)黏結(jié)能力的機(jī)械互鎖。EPS板本身柔韌性較好，具有相對(duì)合適的強(qiáng)度，這也使得材料本身具有較強(qiáng)的適應(yīng)變形能力。經(jīng)過測(cè)算發(fā)現(xiàn)，EPS 板具有良好的自承重及承受風(fēng)壓的強(qiáng)度值，在實(shí)際工程中具有防止開裂、脫落良好的黏結(jié)力和耐久性能。

2.2 密度較小，穩(wěn)定性較好

EPS 保溫板密度數(shù)值與聚苯乙烯單體的膨脹倍數(shù)具有重要關(guān)系，其密度值一般為18～22 kg/m3。相比聚氨酯硬質(zhì)泡沫（PU）和酚醛泡沫板（PF），EPS 保溫板的密度值更小，同時(shí)EPS 保溫板穩(wěn)定性更為優(yōu)良，在受到溫差所導(dǎo)致的外力或者機(jī)械外力的作用下，材料本身的形變量相對(duì)較小，在面層處不會(huì)出現(xiàn)裂縫，由此可以有效避免滲水等因素所導(dǎo)致的保溫層脫落或者保溫效果變差等不良后果。

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)較小，熱穩(wěn)定性較好

EPS 保溫板本身導(dǎo)熱系數(shù)較小，與膨脹珍珠巖和硬泡聚氨酯等材料相比具有更為優(yōu)良的保溫性能。在常溫情況下，EPS 保溫板具有更好的穩(wěn)定性，一般不會(huì)發(fā)生老化現(xiàn)象。在溫度達(dá)到150 ℃時(shí)，EPS 保溫板會(huì)發(fā)生熔解現(xiàn)象。EPS 保溫板處于燃燒過程中，由于其中添加有阻燃劑，所以火焰并不會(huì)發(fā)生明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象，其上部的火焰會(huì)在幾秒內(nèi)自行熄滅，因此EPS 保溫板的燃燒性能可以滿足防火規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定，屬于A 級(jí)防火材料。相比其他類型的保溫材料，EPS 保溫板具有較為簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工藝，而且其生產(chǎn)成本較為低廉，具有可靠的產(chǎn)品性能。由于EPS保溫板環(huán)保性能較為優(yōu)良，所以可以進(jìn)行回收利用，其回收利用途徑主要包括如下：一是通過采用機(jī)械回收的方式將EPS 板重新加工制成XPS 板，或者通過熱熔再生的方式制成新的EPS 板；二是采用化學(xué)的方法進(jìn)行回收使用，如將其制作成具有防水效果的紙箱或建筑涂料等。

3 EPS 外墻保溫體系的保溫性能和節(jié)能效果實(shí)證研究

3.1 案例概況

選取湖北省武漢市某小區(qū)高層住宅為例，對(duì)EPS 保溫板的外墻保溫效果進(jìn)行研究。根據(jù)相關(guān)資料可知，武漢市冬季平均溫度為5.5℃左右，室內(nèi)平均溫度為18.0℃，采暖期天數(shù)約為110d，該小區(qū)的高層住宅建筑面積為8814.87m2，建筑外表面積經(jīng)計(jì)算約為6 735.71m2，建筑總體積為V0=24 631.61m3，換氣體積約為V=0.6V0=14778.97m3，在本工程當(dāng)中分別采用EPS 和XPS 2 種保溫材料。

根據(jù)實(shí)際的市場(chǎng)調(diào)研，EPS 和XPS 2 種保溫材料的施工技術(shù)具有較大差別，由于XPS 保溫板施工過程中需要采用雙面刷界面砂漿的形式，因此，為了滿足施工平整度的相關(guān)要求，需要對(duì)XPS 保溫板進(jìn)行打磨。由于施工難度有所提高，所以XPS 保溫板的價(jià)格約為EPS 保溫板的2 倍。根據(jù)定額綜合分析，50mm 厚度的XPS 保溫板和90mm 的EPS 保溫板的建造成本基本相同。同時(shí)，項(xiàng)目生命周期末期時(shí)2 種材料的拆除成本和回收成本也基本一致。所以，本次項(xiàng)目中為了評(píng)價(jià)EPS 保溫板的保溫效果，將XPS 保溫板作為對(duì)比項(xiàng)，對(duì)相同價(jià)格條件下2 種材料的保溫效果進(jìn)行對(duì)比研究。

3.2 保溫性能評(píng)價(jià)

本次研究是基于建筑物本身的屋面、地面等保溫效果一致的情況下進(jìn)行的，僅考慮外墻保溫材料不同所引起的節(jié)能和保溫效果的差異性。墻體作為建筑物本身的維護(hù)結(jié)構(gòu)，其傳熱系數(shù)的限值和建筑本身的體形系數(shù)具有一定關(guān)系。從建筑節(jié)能角度進(jìn)行分析，建筑本身的形體較為規(guī)整，那么其體形系數(shù)較小，同等體積的建筑物外墻表面積相對(duì)較小，在維護(hù)條件相同的情況下，外墻表面積較小的建筑室內(nèi)熱量損失相對(duì)較小，具有更好的保溫隔熱效果?！睹裼媒ㄖ峁ぴO(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，在建筑物的體形系數(shù)S ≤3 時(shí)，其墻面的傳熱系數(shù)限值為1.16W/（m2·K），當(dāng)體形系數(shù)的數(shù)值S ＞3 時(shí)，墻面的傳熱系數(shù)限值為0.82W/（m2·K）。在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，將建筑墻面的傳熱系數(shù)由1.16W/（m2·K）減小至0.82W/（m2·K），需要增加保溫材料厚度，從而提高整體的工程造價(jià)。綜上所述，在建筑平面設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行合理的布局，盡量減少建筑物的體形系數(shù)。在本次研究當(dāng)中，項(xiàng)目的體形系數(shù)值S=建筑物外表面積/建筑物體積，即S=F0/V0=6735.71/24631.61=0.27。根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，體形系數(shù)值小于0.3，不必進(jìn)行熱工計(jì)算。

在研究過程中采用的EPS 保溫材料厚度為90mm，而采用的XPS 保溫材料厚度為50mm，建筑外墻保溫材料的保溫節(jié)能效果主要通過傳熱系數(shù)、熱阻值和外墻耗熱量進(jìn)行體現(xiàn)。保溫節(jié)能材料相關(guān)系數(shù)如表1 所示。

第一，熱阻值R 計(jì)算公式如下：

式（1）中，R 代表熱阻值，單位為（m2·K）/W；δ 代表所使用保溫材料的厚度，單位為m；λ 代表保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/（m2·K）；μ 代表保溫材料修正系數(shù)。

保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)/[W/（m2·K）]修正系數(shù)EPS 0.042 1.1 XPS 0.031 1.1

通過式（1）計(jì)算2 種保溫材料的熱阻 值 分 別 為REPS=1.994（m2·K）/W，RXPS=1.52（m2·K）/W。

第二，傳熱系數(shù)值K 計(jì)算公式如下：

式（2）中，R 代表材料的熱阻值，單位 為（m2·K）/W；K 代 表 材 料 的 傳 熱 系數(shù)，單位為W/（m2·K）。根據(jù)式（2）計(jì)算這兩種不同厚度材料的傳熱系數(shù)值，分別為KEPS=0.465 W/（m2·K），KXPS=0.60 W/（m2·K）。

第三，外墻消耗熱量值計(jì)算公式如下：

式（3）中，QHq 表示在單位時(shí)間內(nèi)折合到單位建筑面積上的通過外墻的傳熱量；tn 和te 分別表示室內(nèi)和室外的平均溫度值；ξqi 表示的是外墻傳熱系數(shù)的修正系數(shù)；Kmqi 代表的是外墻的平均傳熱系數(shù)，在本次研究中僅考慮外墻保溫材料的平均傳熱系數(shù)，單位為W/（m2·K）；Fqi 代表的是保溫外墻工程的面積；A0代表總建筑面積。

在相同的使用條件下，EPS 保溫板和XPS 保溫板的傳熱系數(shù)、熱阻值和外墻的耗熱量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

由表2 可知，在相同的成本條件下，EPS保溫板的熱阻值較XPS 保溫板更高。由此可知EPS 保溫板具有更小的傳熱系數(shù)，而外墻的耗熱量?jī)H為XPS 保溫板的76%左右，具有更為明顯的保溫效果。結(jié)合兩者的生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析可以得知，EPS 保溫板保溫性能更好的原因是其內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，這就使得其傳熱系數(shù)相對(duì)更小，隔絕熱傳導(dǎo)的能力更強(qiáng)。同時(shí)，由于EPS 保溫板本身的吸水率較低，具有較好的防潮性和抗水性，所以相對(duì)于XPS 保溫板具有更為優(yōu)良的保溫性能。

保溫材料EPS 保溫板XPS 保溫板熱阻值R[（m2·K）/W]1.994 1.52傳熱系數(shù)值K[W/（m2·K）]0.465 0.60外墻耗熱量QHq（W/m2）6.82 8.81

4 結(jié)語(yǔ)

為了在建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)節(jié)能規(guī)劃的相關(guān)目標(biāo)，我國(guó)在建筑行業(yè)大力推行綠色建筑設(shè)計(jì)，倡導(dǎo)使用更為環(huán)保節(jié)能的建筑材料，同時(shí)這也是建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。目前，EPS 保溫板材料在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)有40多年的工程應(yīng)用歷史，其外墻保溫材料與外墻裝飾材料共同形成了集保溫層、黏結(jié)層與飾面層相配套的完整體系。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，EPS 保溫板具有較為優(yōu)良的節(jié)能保溫效果，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，透氣性和黏結(jié)性較為優(yōu)良，而且便于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)打磨加工等，所以EPS 保溫板是目前建筑外墻保溫體系當(dāng)中的首選材料。此外，EPS 保溫板在后期使用過程中具有優(yōu)良的隔聲效果，材料本身較為環(huán)保，可以進(jìn)行循環(huán)利用，所以在國(guó)內(nèi)EPS 保溫板勢(shì)必具有更為廣闊的市場(chǎng)前景。