膨胀聚苯和岩棉外保温系统对建筑能耗的对比分析

黎 瑶，龚先政

(北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124)

膨胀聚苯和岩棉外保温系统对建筑能耗的对比分析

黎 瑶，龚先政

(北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124)

采用生命周期分析方法，对比不同外墙保温系统设计对北京学生宿舍建筑生命周期能耗的影响.研究结果表明：建筑采用岩棉外保温系统与膨胀聚苯外保温系统相比，材料消耗量更大，产生能耗高出7.7%; 砖混结构建筑中，粘土砖、混凝土和水泥砂浆的消耗量占总材料消耗的95%以上，其中混凝土对能耗的贡献最大；随着传热系数增加，材料生产阶段的能耗线性减小，建筑运行阶段的能耗逐渐增加，生命周期能耗存在最优值；当传热系数为0.3 W·m-2·K-1，全生命周期总能耗最小，此时对应不同的外保温系统，膨胀聚苯板厚127 mm，岩棉板厚151 mm.

膨胀聚苯板; 岩棉板; 生命周期评价; 建筑能耗

0 引言

建材行业是我国六大高耗能产业之一，也是建筑业的物质基础和重要的支撑产业.随着城镇化进程的不断推进，我国建筑行业已成为与工业、交通运输并驾齐驱的三大耗能大户之一，建筑行业每年消耗超过40%的全球能源，产生的温室气体占全球温室气体排放总量的30%[1]，建筑节能势在必行.围护结构是建筑业的基础，其热损耗较大[2].采用外墙外保温技术是提高建筑舒适度和减少建筑运行能耗的良好手段，但同时会增加建筑材料生产过程和建筑废弃处置的能耗.因此,外墙外保温系统对建筑全生命周期能耗的影响及不同外保温系统设计的影响对比,需要进行全面系统的研究.

外墙外保温系统是复合于建筑外墙外表面的非承重保温构造，其材料构成多种多样.国内外对保温材料及建筑生命周期的能耗和碳排放情况开展了较丰富的研究[3-5]，但对保温材料在建筑上的应用方面研究还相对较少.Amaryllis Audenaert[6]用生态指标法(eco-indicator 99)对比不同保温材料对比利时19层低能耗建筑的生态指数；Leif Gustavsson等[7]和Scheuer等[8]分别对瑞典和美国典型建筑的生命周期能耗进行研究，发现建筑生产和运行能耗总和达到生命周期总能耗的95%以上；阴世超[9]建立建筑生命周期评价模型，对典型建筑的碳排放总量加以计算，发现运行碳排放占全生命周期总碳排放的80%以上；洪竞科[10]针对目前国内外研究现状，对生命周期评价三种主要模型(过程生命周期评价模型、投入-产出生命周期评价模型、混合生命周期评价模型)在建筑材料与部品和整体建筑产品的应用进行了回顾和总结；梁爽[11]对比传热系数相同时不同建筑外墙构造体系的环境影响，为外墙外保温构造体系选择提供新的选取角度和依据.上述国内外研究，大多停留在评价建筑使用阶段的能耗或碳排放问题，少数从生命周期的角度分析现有建筑物的能耗和碳排放问题，但主要集中在对既有建筑物的个案分析.外保温系统对建筑运行阶段的能耗影响很大，但现有的研究并没有对比不同外保温系统对建筑能耗的影响.本研究针对北京某高校学生宿舍建筑，采用生命周期分析方法，从设计阶段就考虑不同的外保温系统设计方案(不同外保温材料、不同保温厚度、不同维护方案)对建筑材料生产能耗、建筑运行能耗及建筑生命周期总能耗的影响，选择最佳建筑外保温设计方案，为绿色建筑设计和外墙外保温设计提供方法.

1 模型与方法

1.1 建筑物模型与参数

图1 模拟建筑的信息(单位：mm)Fig.1 The information of simulative building(unit：mm)

选取北京某高校典型学生宿舍建筑为研究对象.该建筑是80年代建筑，砖混结构，窗户选用60系列塑钢窗，门全部为木门，楼层高度为3.2 m，共五层，建筑面积为1 128 m2，体型系数为0.33.围护结构参数按照北京市地方标准[12]，建筑的体量信息如图1所示.

该学生宿舍建筑的外墙和屋顶采用外保温系统，外墙结构由基层墙体、粘结层、保温层、薄抹灰防护层、连接件和饰面层组成，基层墙体为240 mm砖墙.目前，膨胀聚苯板(EPS板)和岩棉板是应用较为广泛的薄抹外墙外保温材料，EPS板因其质地轻、导热系数低、抗裂性好而深受人们喜爱；岩棉板因其无毒不燃成为外墙外保温材料中能够达到A 级标准的最佳材料.为对比不同保温系统对建筑生命周期能耗的影响，选择最优的外墙外保温设计方案，本研究分别分析了EPS板和岩棉板作为保温材料对建筑能耗的影响.根据北京地区居住建筑节能标准对墙体围护结构热工设计的要求[12]，北京建筑外墙传热系数为0.40 W·m-2·K-1，对应的两种保温系统的外墙构造信息如表1所示.

表1 建筑外墙构造信息Tab.1 The structure information of building external wall

1.2 研究方法

采用生命周期评价方法，研究建筑生命周期各阶段能耗与保温系统设计之间的关系.生命周期评价是一种评价产品、工艺从原材料开采到产品生产、使用回收和废弃整个生命周期过程中能量和物质消耗及对环境损害的方法.建筑的LCA主要包括：建筑材料生产、运输、建筑物施工建造、运营维护、拆除和废弃材料的回收或处置.本研究的系统边界包含建筑所需要的主要建材的生产过程及其运输到施工地的运输过程、与生产建材和运输相关的能源生产过程，以及建筑的建造、运营维护过程和建筑废弃阶段.

1.2.1 建筑材料生产

对建筑材料而言，其LCA包括从原材料开采、运输、能源生产到材料使用、废弃的各个环节对环境负荷进行全面的定量分析.建材生产阶段消耗大量的自然资源和能源，同时排放大量的污染物，其环境影响约占建筑总环境影响的10%～30%[7-10]，是建筑物环境影响的重要组成部分.本研究按照ISO 14040标准进行材料的LCA分析[13]，涉及的主要建材包括：水泥砂浆、粘土砖、木门、塑钢窗(60系列)、钢筋混凝土、水泥、保温材料等，所有材料的研究系统边界均包括：原材料、辅料的开采或生产、能源生产、运输、建筑材料生产等“从摇篮到大门”的生命周期过程[14-16].

1.2.2 建筑运行维护

建筑运行阶段采用清华大学开发的DeST®*Designer’s simulation toolkits (DeST-h).Beijing:Tsinghua University,2004.工具进行动态仿真.通过DeST系统设置建筑的结构信息及使用期间的作息，实现对建筑全年采暖、空调负荷的逐时动态模拟，再根据建筑物生命周期使用年限和建筑总面积，计算得到建筑运行阶段的能耗.

建筑物动态仿真模型的主要参数设置包括：① 房间温度设定.冬季(11月15日到次年3月15日)采用暖气24 h连续供暖，温度不低于18 ℃，夏季(6月1日到8月31日)参考学生宿舍真实作息情况采用空调制冷，温度不高于26 ℃.② 房间湿度设定.冬季大于等于44%，夏季小于等于61%.③ 内扰设定.最多人数为6人，人均发热量为60 W ，灯光的最大功率为 6.7 W·m-2，设备的最大功率为5 W·m-2.④ 通风设定.参照模拟建筑实际情况，该类型房间与外界逐时通风换气次数取0.5次·h-1.为了对比分析不同外墙外保温系统对建筑能耗的影响，在研究外保温系统对建筑能耗的影响时，保持建筑以上设定的参数不改变.

建筑材料或部品的性能在使用过程中会随着使用时间的推移逐渐降低直至最终丧失，需要进行定时维护或更新，本研究主要考虑保温材料的使用寿命，针对外保温系统的不同维护方案，即基于建筑使用寿命(50 a)和保温材料使用寿命的替换维护方案，研究其对建筑能耗的影响.

1.2.3 建筑废弃

由于研究的建筑尚处于使用阶段，无法获得建筑拆除及废弃的能耗数据，并且建筑废弃与拆除阶段情况复杂且能耗较小，分别只占建筑生命周期总能耗的0.2%和1%，故忽略该部分对能耗的影响.

1.2.4 不同外保温系统设计对比

研究不同外保温节能设计方案对建筑生命周期能耗的影响，主要体现在保温材料种类及保温厚度的变化，而建筑生命周期能耗计算主要考虑建材生产阶段、建筑运行阶段和外保温系统维护阶段.研究选取的保温材料为EPS板和岩棉板，根据建筑热工分区及建筑节能规范[17]，我国寒冷地区的外墙传热系数K不大于0.6 W·m-2·K-1，故设定研究对象的K的范围在0.2～0.6 W·m-2·K-1之间，根据不同的传热系数K，由下式计算出保温材料对应的厚度，从而计算出不同外保温系统的材料使用量及建筑运行情况，得到不同外保温系统设计对建筑生命周期能耗的影响.

式中：αn为内表面换热系数，W·m-2·K-1，取αn=8.7；αw为外表面换热系数，W·m-2·K-1，取αw=23；d为各材料层的厚度，m；λ为各材料层的导热系数计算参数，W·m-2·K-1，根据材料性能确定；β为导热系数的修正系数.对于EPS板：λ取0.039 W·m-2·K-1，β取1.05，密度18.0～22.0 kg·m-3；对于岩棉板：λ取0.040 W·m-2·K-1，β取1.10，密度120～180 kg·m-3.

2 结果与讨论

2.1 建筑材料生产能耗分析

根据建筑模型，分别收集EPS外保温系统和岩棉外保温系统的建筑中各类材料或部品的用量，并根据所确定的系统边界，对各类材料或部品生产各阶段使用LCA分析工具SimaPro7.2.2®*PRÉ CONSULTANTS.2013.Simapro 7.2.2.Amersfoort,the Netherlands:PRé Consultants.进行建模分析，计算对应的能源输入及污染物排放数据，得到建筑材料生产阶段的环境负荷清单，以传热系数K为0.4 W·m-2·K-1，对应的EPS板厚88 mm(或岩棉板厚105 mm)的保温系统为例，计算建筑生产过程中的材料消耗量及相关环境信息，见表2.

表2 建筑的材料消耗量及相关环境信息Tab.2 Materials consumption and relative environmental information for the building

由表2可知：当建筑采用岩棉外保温系统时，材料消耗量比采用EPS外保温系统更大，保温材料岩棉板使用量约为EPS板的9倍，水泥砂浆及水泥的使用量也分别增加12.9%和8.9%，这与表1的外墙结构信息一致.材料消耗量的增加导致材料生产过程中的能源消耗增加，因此采用岩棉板保温的建筑，其总能耗(2.52×106MJ)比采用EPS板保温的建筑的总能耗(2.34×106MJ)增加7.7%，由此产生的间接影响是，CO2排放增加7.7%，CO和NOx分别增加2.4%和1.7%；但SO2排放减小了6.7%，这是因为EPS板是石油化工产品，其生产过程中的原油开采和加工过程排放了大量的SO2.

图2 不同保温系统下各类材料消耗及能耗贡献比例Fig.2 Contribution analysis of material consumption and energy consumption for different external insulation systems

为对比建筑材料生产过程中各类材料的消耗比例及其生产过程对能耗的贡献大小，研究将EPS外保温系统建筑的材料消耗量(MEPS)及其生产过程对能耗的贡献(EEPS)与岩棉外保温系统建筑的材料消耗量(MRW)及其生产过程对能耗的贡献(ERW)进行对比，见图2所示.

由图2可知，采用不同材料的外保温系统，各类材料的消耗比例及对能耗的贡献比例大小大体一致，该学生宿舍建筑材料消耗最大的为粘土砖、混凝土和水泥砂浆，其消耗总量占材料消耗总量的95%以上；对能耗贡献大小依次为混凝土、钢筋、保温板、水泥砂浆、粘土砖、塑钢窗和木门；钢筋的消耗量虽然很小，只占材料消耗总量的1.5%左右，但其对能耗的贡献仅次于混凝土，约为22%.虽然单位平米岩棉外保温系统的生产能耗约为EPS外保温系统的两倍[5]，但由于保温材料的消耗量只占整个建筑材料消耗量的2%，因此不同外保温系统对整个建筑能耗的影响只有7.7%(表2).

2.2 建筑运行冷热负荷分析

建筑使用周期长,造成建筑运行维护阶段的能耗巨大，建筑运行过程中的采暖、空调、通风、照明等均会耗能，约占建筑生命周期总能耗的60%～90%[7-10]，是最主要的耗能阶段.表3给出不同外保温系统下传热系数对建筑负荷的影响.研究表明：在节能设计规定的K值范围内，传热系数越大，保温层厚度越小，保温性能越差，则热负荷指标及全年累计总负荷越高；围护结构的保温性能对冷负荷影响不明显，这是因为影响冷负荷较明显的因素是室内发热量和从外窗进入的太阳辐射量，涉及到隔热和散热的问题，还与通风有关，而并非单一的由围护结构的保温性能决定.表3还表明：对于同一建筑保温要求(同一传热系数)，不同保温系统的保温层厚度不同，岩棉外保温系统的保温层比EPS外保温系统的保温层更厚，但建筑的全年累计冷热负荷及总负荷并无明显差异.例如，当建筑外墙传热系数为0.4 W·m-2·K-1时，对应的EPS板厚88 mm，而对应的岩棉板厚105 mm，但同一传热系数下不同保温材料对应的建筑全年累计冷负荷、热负荷和总负荷都十分接近.因此建筑的传热系数对运行阶段的负荷有决定性的影响.

表3 不同保温系统的建筑全年累计冷热负荷Tab.3 Annual accumulative cooling/heating load for different external insulation systems

2.3 建筑生命周期总能耗分析

根据建筑全年累计冷热负荷，按照空调额定能效比2.3，采暖额定能效比1.9，计算得到建筑材料生产能耗、运行能耗及生命周期(50 a)总能耗与外墙传热系数的关系，见图3.可以看出：对于EPS和岩棉外保温系统，建筑能耗随传热系数的变化趋势一致，建筑材料生产能耗随着传热系数的增大而线性减小，占生命周期能耗的10.1%～18.8%，建筑运行能耗和总能耗随传热系数增大而增大，运行阶段约占全生命周期总能耗的80.7%～88.9%，建筑废弃阶段可以忽略不计.因此，建材生产和建筑运行阶段对建筑节能都很重要，而运行阶段的影响更大，建筑节能主要体现在建筑运行阶段.

图3 建筑能耗与保温系统的关系Fig.3 The relationship between building energy consumption and external insulation systems

岩棉外保温系统的建筑材料生产能耗比EPS外保温系统的建筑材料生产能耗高7.7%(表2)，但运行能耗并无明显差异(表3).由于建筑运行阶段的能耗占生命周期总能耗的80%以上，因此，虽然岩棉外保温系统的建筑生命周期能耗比EPS外保温系统的建筑生命周期能耗更高(0.90%)，但差异并不明显.影响建筑生命周期能耗较大的因素是建筑外墙传热系数，而不同外保温材料的影响较小.

2.4 保温系统设计与维护对建筑生命周期能耗的影响

为确定最优保温系统设计参数，进一步研究了建筑生命周期能耗与外保温系统维护模式(保温系统使用寿命)的关系.如果不考虑保温材料的使用年限，建筑生命周期能耗随传热系数增加而增加(图3).但在实际应用中，外保温系统随着使用时间的推移，其保温性能降低直至最终丧失，需要进行定时维护或更新，对外保温系统，一般需要进行整体替换.假设建筑使用寿命为50 a，而保温板的使用寿命分别为10、20、30和50 a，则对应保温板替换次数分别为4、2、1和0 次，将替换材料的生产能耗及其施工能耗纳入建筑生命周期能耗，计算得到建筑生命周期总能耗变化，见图4.

图4 不同保温材料更换周期下的建筑生命周期能耗变化情况Fig.4 Life cycle energy consumption of building at different insulation material replacement cycle

图4表明：对于不同外保温材料、不同的使用年限，建筑全生命周期能耗与传热系数之间的关系存在明显拐点，即存在一个最优的保温层厚度，原因在于传热系数减小导致保温层厚度增大，保温材料生产能耗增加抵消了保温系统性能提升而减少的运行能耗.不同的保温系统使用寿命，影响到保温系统全生命周期能耗和最优保温系统的传热系数的大小.当保温板使用寿命为10 a时，采用EPS板和岩棉板保温的建筑生命周期总能耗最低分别出现在传热系数为0.35和0.4 W·m-2·K-1时，对应的保温层厚度均为105 mm；当保温板使用寿命为20 a时，采用EPS板和岩棉板保温的建筑生命周期总能耗最低出现在传热系数为0.3 W·m-2·K-1时，对应的保温层厚度为127和151 mm；当保温板使用寿命为30 a时，采用EPS板和岩棉板保温的建筑生命周期总能耗最低分别出现在传热系数为0.25和0.3 W·m-2·K-1时，对应的保温层厚度分别为157和151 mm.通常，实际保温板的使用寿命一般为15～20 a (需要替换2次)，建筑外墙传热系数为0.3 W·m-2·K-1时，建筑全生命周期能耗最少，即当建筑外保温要求达到0.3 W·m-2·K-1，对于EPS保温系统，最佳EPS保温板厚度为127 mm能满足传热要求，当超过127 mm时，虽然可以满足传热要求，但是生命周期能耗将增加，不利于建筑节能；当小于127 mm时，虽然能耗减少，但不能达到建筑设计的传热要求，不能实现建筑保温功能.而对于岩棉保温系统，这一最佳保温板厚度为151 mm.

对比不同保温材料，岩棉板在材料生产过程中的能耗劣势在替换次数增多时逐渐暴露，其劣势在大的保温层厚度下表现更为明显.原因是大的保温厚度对应更大的保温板消耗，当保温板需要多次替换时，其材料生产能耗也将逐渐增大.当保温板使用寿命为10 a，需替换4次时，岩棉外保温系统建筑的生命周期总能耗比EPS外保温系统建筑的生命周期总能耗高5%，即保温板使用寿命越短，其替换次数越多，EPS外保温系统建筑的生命周期能耗比岩棉保温系统建筑越有优势，此时选择EPS板作为保温材料，其建筑生命周期能耗更低.

3 结语

本研究针对北京某高校学生宿舍建筑，采用生命周期评价方法，研究不同的外保温设计方案对建筑生命周期能耗的影响，为绿色建筑设计和外墙外保温设计提供方法.研究结果适用于北京地区及北方其他与北京严寒气候特征相同的地区.主要结论如下：

1)建筑采用岩棉外保温系统与采用EPS外保温系统相比，材料生产能耗高出7.7%，但运行能耗无明显差异，由于建筑运行能耗占生命周期总能耗的80%以上.因此，两种不同的保温材料对建筑全生命周期能耗无明显影响，但当保温板需要多次替换时，选择EPS板作为保温材料的建筑生命周期能耗更低.

2)采用不同材料的外保温系统，各类材料的消耗比例及对能耗的贡献比例大小大体一致，对于砖混结构的建筑，粘土砖、混凝土和水泥砂浆占材料消耗总量的95%以上，其中混凝土对能耗的贡献最大，钢筋消耗量只占材料消耗总量的1.5%，但对能耗的贡献仅次于混凝土.

3)建筑运行能耗占建筑总能耗的80.7%～88.9%，建筑材料生产阶段占10.1%～18.8%，建筑废弃阶段可以忽略不计，岩棉外保温系统建筑的材料生产阶段能耗所占总能耗比例比EPS外保温系统的建筑更大，建筑外墙传热系数对建筑能耗有重要影响.

4)保温系统设计厚度和保温系统维护模式，对建筑生命周期能耗、保温性能之间存在最优匹配关系.无论采用何种保温材料，保温板使用寿命为20 a，当传热系数为0.3 W·m-2·K-1时，建筑全生命周期能耗最小.此时对应不同的外保温系统，EPS板厚127 mm，岩棉板厚151 mm.

[1] CHEN G Q,CHEN H,CHEN Z M,etal.Low-carbon building assessment and multi-scale input-output analysis[J].Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation,2011,16(1):583-595.

[2] 钱伯章,朱建芳.建筑节能保温材料技术进展[J].建筑节能,2009(2):56-60.

[3] 肖君,赵平,刘睿.建筑保温板生命周期环境影响研究[J].安全与环境学报,2013(1):138-141.

[4] 马丽萍,蒋荃,赵平,等.我国典型建筑保温材料生产生命周期评价研究[J].新型建筑材料,2013,40(10):41-44.

[5] 李朱.两种不同材料外墙外保温系统生命周期评价[D].北京:北京工业大学,2014.

[6] AUDENAERT A,DE CLEYN S H,BUYLE M.LCA of low-energy flats using the eco-indicator 99 method:impact of insulation materials[J].Energy and Buildings,2012,47:68-73.

[7] LEIF G,ANNA J,ROGER S.Life cycle primary energy use and carbon emission of an eight-storey wood-framed apartment building[J].Energy and Buildings,2010(42):230-242.

[8] SCHEUER C,KEOLEIAN G,REPPE P.Life cycle energy and environmental performance of a new university building:modeling challenges and design implications[J].Energy and Buildings,2003,35(10):1 049-1 064.

[9] 阴世超.建筑全生命周期碳排放核算分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2012.

[10] 洪竞科,王要武,常远.生命周期评价理论及在建筑领域中的应用综述[J].工程管理学报,2012,26(1):17-22.

[11] 梁爽,王亚丽,刘加平,等.基于全生命周期评价(LCA)的居住建筑外墙构造体系优化分析[J].建筑科学,2010,26(12):97-101.

[12] 北京市规划委员会.居住建筑节能设计标准:DB11/891-2012[S].北京:北京市建筑设计研究院,2012.

[13] ISO Environmental Management.Life cycle assessment - principles and framework:ISO 14040[S].Geneva：[s.n.],2006.

[14] 房明慧.典型墙体材料的生命周期评价[D].北京:北京工业大学,2013.

[15] 王淑萍.几种典型建筑玻璃窗的生命周期分析[D].北京:北京工业大学,2014.

[16] 赵明楠.普通居民住宅混凝土结构构件的生命周期评价[D].北京:北京工业大学,2013.

[17] 戎卫国.民用建筑热工设计应用图说[M].济南:山东科学技术出版社,2015:35-104.

(责任编辑：沈芸)

The comparative research of expandable polystyrene and rock wood insulation system on building energy consumption

LI Yao,GONG Xianzheng

(School of Materials Science and Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

This study is conducted based on life cycle assessment method to analyze the life cycle energy consumption impact of different external wall insulation system design on Beijing student dormitory.The results show:compared rock wool insulation system with EPS insulation system,the energy consumption of materials production is higher by 7.7% due to the larger materials consumption,for brick-concrete structure building,the consumption of clay brick,concrete and cement mortar account for 95% of the total materials consumption,where concrete contributes most to energy consumption.With the increase of heat transfer coefficient,energy consumption decreases linearly in the material production phase,increases in building operation phase,and has an optimization value in the building life cycle,which reaches the minimum when the heat transfer coefficient is 0.3 W·m-2·K-1equivalent to the EPS insulation thickness is 127 mm or the rock wool board insulation thickness is 151 mm.

expandable polystyrene board; rock wool board; life cycle assessment(LCA); building energy consumption

10.7631/issn.1000-2243.2017.02.0231

1000-2243(2017)02-0231-07

2016-01-19

龚先政(1967-)，博士，教授，主要从事生命周期分析相关研究，gongxianzheng@bjut.edu.cn

国家863计划资助项目(2013AA031602)；国家支撑计划资助项目(2011BAJ04B06)；北京市自然科学基金重点资助项目(2141001)

TU551.2; TU111.195

A