节能视角下的泡沫混凝土外墙厚度选择及分析

邹祖绪， 李元林

(武汉轻工大学土建学院，湖北 武汉420023)

随着我国建筑节能事业的实施和推进，新型墙体材料在不断的被研发，泡沫混凝土作为一种无机轻质材料得到了人们广泛的关注，它具有轻质、保温隔热性能好、隔音耐火性能好以及防水能力强等特性[1]，与国内应用较多的有机保温材料和无机保温材料相比具有明显的建筑保温优势，是未来建筑节能重要的保温材料发展方向[2]，由于其保温隔热、节约能源，保护屋面、防止渗漏，节约造价、施工快捷等优点已大量应用于屋面保温隔热层，是我国村镇住宅屋面保温隔热材料的首选材料[3，4].近年来，泡沫混凝土作为保温材料已经开始从屋面保温隔热层转移到保温墙体的应用上来，泡沫混凝土作为自保温外墙材料，降低了建筑物的自重，省去外保温处理，使建筑保温造价降低，与建筑同寿命.赵华等提出了用生命周期成本分析的模型，分析了泡沫混凝土自保温墙体材料的成本与效益，从而得出泡沫混凝土砌块在夏热冬冷地区使用具有较强的经济效益[5]，目前，国内对泡沫混凝土作为外墙保温材料的研究相对较少，特别是最佳经济厚度的研究，该文以武汉某住宅建筑为例，利用DeST-h软件模拟计算泡沫混凝土作为外墙自保温墙体材料的节能效果，借助minitab16的曲线拟合功能确定了其最佳的经济厚度，为泡沫混凝土作为建筑节能墙体材料进一步发展提供经济性的意见.

1 建筑模型

该文研究的建筑模型为一栋六层两单元的住宅，层高3 m，总建筑空调面积2 154.24 m2.正南北朝向，楼梯间不采暖，采暖期为75 d，空调期为105 d，建筑体形系数为0.307，外墙总面积为1 417.32 m2，该建筑平面图如图1所示，泡沫混凝土为自保温墙体材料，与建筑同寿命，计算期为50 a，为比较泡沫混凝土节能材料对建筑能耗的影响效果，以该住宅建筑未采取保温隔热措施时的外墙结构作为基准模型，基准模型的建筑围护结构做法及其传热系数如表1所示.

2 能耗模拟与结果分析

图1 建筑平面图Fig.1 Building plans

表1 基准建筑围护结构主体部分参数Tab.1 Benchmark building enclosure body parameters

Dest是由清华大学建筑技术科学系开发的建筑环境模拟分析软件，该软件已通过傅立叶变换方法对建筑热过程模拟具有较强的可靠性[6]，可完成建筑物能耗预测、空调方案模拟等，对提高设计质量、保证设计可靠性、保证建筑环境质量具有重要的指导作用.因此，该文借助DeST-h住宅建筑热环境模拟工具包，在建筑描述、室外气象条件、室内热扰量及室温设定值确定的情况下，对该住宅的全年动态负荷进行了计算，在模拟计算时，除外墙的厚度不同，其它条件均相同，按以下条件进行模拟计算:

1)室外全年计算气象参数采用武汉市典型气象年;

2)采暖季开始日期:11月15日，采暖季结束日期:次年的2月1日，空调日开始日期:6月1日，空调日结束日期:9月15日;

3)卫生间和厨房不控温，通风只设定房间与外界的通风，选定的是通风范围定义，作息制度、室内家具系数按软件默认值设定;

4)采暖、空调是变频空调器，空调采用间歇运行方式，室温上下限分别为26℃和18℃，容忍温度上下限分别为29℃和16℃，湿度上下限分别为80%和20%;

2.1 净现值指标

净现值(NPV)[7]是指按照一定的基准收益率，把整个计算期内每年所发生的净现金流量折算到期初的现值之和，它是工程评价中的动态评价指标之一，它反映了投资方案在其计算期内的获利能力，在方案评选过程中，当NPV＞0时，方案的获利能力较强，方案是可行的，当NPV=0时，方案勉强可以通过，当NPV＜0时，方案不能被通过.其计算公式如下所示:

式中A为计算期内每年的节能收益;B为与未保温材料相比，采用保温材料所增加的投资;n为计算期;I*为基准收益率;

其中式中的基准收益率的计算公式为:

当g＞I时

当g＜I时

式中，I*为折现率，3.14%;g为通货膨胀率，取3.3%;I为银行贷款利率，取6.55%.

2.2 方案经济厚度分析

该文利用DeST-h模拟软件模拟了墙体厚度从200～330 mm变化的全年能耗以及未做保温处理的基准外墙的全年能耗，从表2和表3分析可知，采用泡沫混凝作为自保温外墙的各组不同方案的净现值均＞0，各方案均是可行的，同时，热负荷指标有了明显的减小，冷负荷指标也有所降低，降低的幅度相对较平缓，以泡沫混凝土作为墙体材料具有较好的保温效果，随着泡沫混凝土保温墙体厚度的增加，能耗降低的越多，当墙体厚度为330 mm时，节能率达到了57.83%，当墙体厚度为290 mm时，净现值最大为569.45元/m2，是所选方案下的经济厚度，随着墙体厚度的增加，保温成本也在不断增加，虽然能耗在不断降低，但是降低的幅度趋于平缓，所以净现值出现了降低的趋势，由此可以得出并不是保温层的厚度越大所取得的经济效果就越好，而是当净现值达到最大值时才是最佳的自保温墙体厚度.

表2 基准外墙模型冷热负荷指标Tab.2 Benchmark external model coolingand heating load index

表3 泡沫混凝土自保温墙体材料不同厚度经济性分析Tab.3 Foam concrete insulation wall material different thickness economic analysis

2.3 方案经济厚度计算

由于方案所选取的自保温墙体的厚度是不连续的，从表2中分析得出的经济厚度只是一个接近值，因此，该文借用minitab16对所得到的数据进行曲线拟合，选取不同墙体厚度 200，210，220，230，240，250，260，270，280，290，300，310，320，330 以及对应的净现值561.27，563.34，564.67，566.45，567.33，567.6，568.48，568.91，569.18，569.45，569.13，568.05，567.28，566.65 作为拟合的基本数据，可以得到拟合曲线如图2所示，得到的拟合函数为f(x)=477+0.654x －0.00116x2，对该拟合函数进行数学求导可以得到最佳保温墙体经济厚度281.89 mm自保温外墙具有较好的节能效果，其节能率为50%～60%，在其寿命期内，具有较好的经济效果，通过minitab16的数据拟合功能，分析出了泡沫混凝土作为自保温外墙时的最佳经济厚度，在该文所选方案中的最佳经济厚度为281.89 mm.目前，将泡沫混凝土应用在外墙保温相对较少，因此，本文为进一步促进泡沫混凝土自保温外墙在夏热冬冷地区的发展提供了指导性的意见.

图2 净现值拟合曲线Fig.2 The net present value fitting curve

3 结论

泡沫混凝土作为一种无机轻质且自保温材料，可作为节能材料的首选，该文借助DeST-h能耗模拟软件，以武汉某住宅为实例，验证了泡沫混凝土作为

[1] 唐 虹.泡沫混凝土在现代建筑中的应用[J].贵州工业大学学报(自然科学版)，2005，3 4(3):115-117.

[2] 吴兆春.泡沫混凝土——未来建筑节能重要的保温材料发展方向[J].砖瓦，2012，(1)[Microsoft2]:58-60.

[3] 李大鸣，罗秋苑，王小刚.整体现浇式泡沫混凝土在屋面保温偏热层中的应用[J].广东建材，2003，(2):43-44.

[4] 王宝民，苗慧民，李靖.屋面保温隔热材料在我国村镇住宅中的应用研究[J].建筑技术与应用，2010，(1):7-10.

[5] 赵 华，梁 洋.泡沫混凝土砌块墙体全生命周期成本和效益分析[J].建筑科技，2011，(13):65-67.

[6] 钟 春，潘 阳.南昌地区几种外墙的能耗比较及经济性分析[J].华东交通大学学报，2008，25(3):56-57.

[7] 熊 欢，刘建军.建筑外墙外保温厚度选择及其经济性分析[J].施工技术，2013，42(3):19-22.