泡沫混凝土屋面节能研究与经济性分析

杨思敏， 邹祖绪

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023)

泡沫混凝土屋面节能研究与经济性分析

杨思敏， 邹祖绪*

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023)

借助DeST-h能耗模拟软件，采用倒置式平屋面形式，以武汉某居民住宅为例,模拟共29组不同厚度的聚苯乙烯泡沫保温板(EPS)与泡沫混凝土作为保温材料的屋面的住宅能耗，通过计算并比较其经济指标，评估其节能潜力.模拟结果得出，相较于EPS保温屋面，泡沫混凝土保温屋面在投资成本更低的情况下，其产生的节能效益更好，净现值更高，保温优势明显.其次，以普通钢筋混凝土屋面为基准，比较泡沫混凝土屋面的几组不同厚度的能耗，验证其节能效果；同样以净现值为评价指标，借助Minitab16软件对其进行曲线拟合，通过计算分析得出了泡沫混凝土屋面的最佳经济厚度,为泡沫混凝土作为建筑节能屋面材料的进一步发展提供有力的依据.图5,表5,参9.

泡沫混凝土；屋面节能；聚苯乙烯泡沫保温板；经济性

我国目前正处在建筑节能的重要时期，每年建成房屋面积高达16～20亿m2.然而，现今既有建筑和新建建筑中95%以上为高耗能建筑，能够达到采暖建筑节能设计标准的不足21.8亿m2，其中仅占全部城乡建筑面积的0.8%[1].因此建筑节能是我国节能工作的重要内容，要实现在2020年新建建筑节能65%的目标，建筑节能工作任务艰巨而繁重[2].在建筑耗能来看，外墙和屋面处的热桥耗能占到较大比例，目前对于其保温隔热性能的研究已经相当成熟，导热系数较低的保温材料被开发出来，如聚苯乙烯泡沫保温板(EPS)、模塑聚苯乙烯保温板、挤塑聚苯乙烯保温板等有机材料.如今，我国的大部分工程中，应用较为普遍的是聚苯烯泡沐保温板(EPS).

EPS板由于其接缝多，当防水层有渗漏时会沿着接缝串水，不容易找到渗漏点，不易维修.且其材料本身存在易燃、易老化、强度低、吸水率高等问题[3].使得对屋面采取的节能措施并没有达到预期的效果.

泡沫混凝土又被称为发泡混凝土、发泡水泥，在国内外市场已发展多年，技术与市场都相当成熟.作为建筑节能材料发泡混凝土被广泛应用于：屋顶保温隔热、地暖工程、室内外垫层、室内外保温、非承重墙体、新型节能砖、抗震、隔音等建筑工程领域，产生了巨大的经济效益和社会效益[4].发泡混凝土被应用于屋面保温的时间比较早，与其它保温材料相比有许多技术优势.即优良的保温隔热性能、良好的隔声性能、质量轻、强度较高、良好的粘结性能和耐久性能等[5,6].

国内目前大部分针对泡沫混凝土的研究都在其构造、施工工艺、质量、传热系数对能耗的影响等问题上，对其作为屋面保温材料经济厚度的研究较少.该文借助DeST-h能耗模拟软件，结合武汉东西湖区某6层住宅建筑实例，采用倒置式平屋面形式，通过两个实验模拟进行研究.首先分析并比较EPS屋面与泡沫混凝土屋面的节能潜力；其次，以普通钢筋混凝土屋面为基准，比较泡沫混凝土屋面的几组不同厚度的能耗，验证其节能效果，并借助Minitab16软件得出较经济的保温屋面的厚度.为泡沫混凝土作为建筑节能屋面材料进一步发展提供有力的依据.

1 建筑屋面经济分析评价方法

运用净现值法来对住宅屋面厚度经济性进行评价，主要用以下5个指标来进行分析，即节能投资额、节能率、节能效益、方案投资费用和净现值.

1.1 节能投资额

节能投资额是指采取隔热保温技术的节能屋面与没有使用使用保温材料的非节能屋面相比较，节能屋面在建设期因采取节能措施所增加的投资.

ΔS=S1-S0

式中，ΔS为节能投资额；S1为节能屋面投资；S0为非节能屋面投资.

1.2 节能率

节能率是反映能源节约程度的相对指标，是节能量与相对应的比较期可比能耗量之百分比.

式中，e为节能率；Ed1非节能屋面全年累计冷热负荷；Ed2为节能屋面全年累计冷热负荷.

1.3 年节能收益

节能屋面的年节能收益是通过建筑在运行过程中所节约的能耗成本来确定.武汉属于夏热冬冷地区，主要是依靠电力来进行取暖和制冷，计算过程中能耗量通过DeST-h软件得出.

因此，节能建筑年节能收益现值为：

式中，ΔA为年节能收益率现值；Cf为地方电价(武汉地区电价为0.6元/(kw·h))；ic为折现率，取2.4%;t为第t年.

1.4 方案投资费用

研究各模拟方案投资费用以2013版《湖北省建筑工程计价定额》、《湖北省建设工程工程量清单计价定额》、《湖北省建筑装饰工程计价定额》、《湖北省安装工程计价定额》为依据，同时参考相关材料的市场定价，用广联达计价软件GBQ得出各模拟屋面方案的单方预算价格.

1.5 净现值

净现值(NPV)是指将方案各期所发的净现金流量按既定的折现率(基准收益率)统一折算为现值(计算期起点的值)的代数和.它是工程经济中反应投资方案盈利能力的重要的动态评价指标之一.在方案比选过程中，当NPV=0时，表示该方案的投资可以收获投资资金且恰好取得既定的收益率，方案勉强可行；当NPV>0时，表明该方案不仅收回了投资而且取得了比既定收益率更高的收益，其超额部分的现值就是NPV值，这时方案可行；当NPV<0时，表明该方案不能达定的收益率甚至不能收回投资，方案不可行[7].其计算表达式为：

式中，n为建筑屋面设计寿命；Res为残值的折现值(在目前技术条件下保湿材料还未得到较好的回收利用，取其残值率为0)；当NPV≥0，说明节能屋面具有经济合理，NPV越大，说明节能屋面经济净收益越好，其经济性越好.

2 建筑模型

研究建筑模型为结构住宅，建筑层数为6层，层高3 m，共三单元，每单元每层2户，均为两室一厅一厨一卫带一存储间，总建筑空调面积为3961m2.正南北朝向，楼梯间不采暖，根据武汉夏热冬冷气候条件，设定其采暖期为75 d(11月15日到次年3月1日)，空调期为105d(5月15日到次年10月1日)，根据其结构图纸得出建筑体形系数为0.292，窗墙比南向为0.345,、北向为0.239.模型如图1所示.泡沫混凝土、EPS为自保温材料，与建筑同寿命，计算期为50年.因为住宅通过屋面围护结构损失的热量仅由顶层住户的屋面承担，所以该文只研究顶层住户全年的能耗模拟情况.

图1 模拟模型建筑平面图Fig.1 Building Plans of Analogy Model

为突出泡沫混凝土的节能效果，笔者先对比了29组不同厚度泡沫混凝土和EPS板作为屋面保温材料的建筑能耗情况；再以未添加保温材料的普通钢筋混凝土屋面为基准，模拟不同厚度泡沫混凝土保温屋面的节能效果，求出最佳经济厚度.保证全部对比模型围护结构的做法相同，所选材料及传热系数如表1所示.模型各方案屋面名称及做法如表2所示.

表1 对比模型围护结构做法极其传热系数

表2 各模拟屋面构造

注：方案wm01～10为EPS保温屋面，其保温材料厚度为70、80、90、100、110、120、130、140、150、160mm.方案wm11～29为泡沫混凝土保温屋面，其保温材料厚度为200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、330、340、350、360 mm.模拟中保温材料的厚度均以10 mm递加.

3 能耗模拟与结果分析

3.1 DeST-h介绍以及模型的基本设置

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，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，在确定建筑描述、室外气象条件、室内热扰量及室温设定值的情况下，对该住宅的全年动态负荷进行了计算[8].

室外气象条件是按照DeST的操作方式(如图2)，因为不同的城市会有不同的气象条件， 根据所选城市的不同， DeST 会调用气象数据生成程序计算当地的全年逐时气象参数. 选择了模型所在地理区域城市武汉，并基于软件随机气象模型功能，使模拟过程中能较真实的反应当地各种气象数据变化状况.

武汉属于夏热冬冷气候区，并且是该气候区的典型代表城市.模拟计算的室外计算气象参数采用武汉市典型气象年，根据该项目的地理位置和气候条件，确定空调季为139 d，供暖季为107 d，具体设置见表3. 根据由卫生部、国家环境保护总局2002年颁布的《室内空气质量标准》[8]确定室温参数设定值如表4，通过选择房间类型确定其室内热扰量设置.不同房间类型其热扰量参数设定是不同的，即人员的活动强度、活动时间，设备、灯光的发热量及其时间分布不同.不同的内扰会影响房间的自然室温以及房间负荷的计算.该次模拟按照各房间类型默认状态设定热扰量参数值.图3(a,b)分别为主卧室、次卧室内热扰量设置.

图2 武汉地理位置确定图Fig.2 Determined of Wuhan geographic location

表3 空调季和供暖季的开始结束日期设置

表4 某建筑房间基本属性设置

图3 (a,b)房间类型定义窗口Fig.3 Room type definition window

3.2 结果分析

根据以上的设置对选定建筑模拟表2所示的30种方案的全年冷热负荷能耗，并对其进行经济分析，得到表5.如表5可知方案wm01～29净现值都大于0，表明这些方案可行.经计算其节能率均在50.79%～60.92%之间，远远超过了武汉市2005年《地方居住建筑节能设计标准》[9]规定的改变建筑围护结构热工参数节能 25%左右的要求，且其中最大节能率为当泡沫混凝土厚度达到380 mm时的60.92%，其所产生的年节能效益也是最大为19.76元/m2.说明这些模拟方案的节能效果是可观的. 然而，光考虑节能效果是不够的，怎么在保证屋面好的节能效果的情况下实现最经济的成本投资是该文研究的重点.

表5 模拟屋面不同厚度经济性分析

1)经济性比较.首先比较29组不同保温材料厚度EPS保温板屋面和泡沫混凝土屋面的经济性. 由表5可知，EPS保温屋面方案投资费用普遍高于泡沫混凝土屋面方案投资费用，且其中EPS最小方案投资费用wm01聚苯板厚度为70 mm的250.37元/m2大于泡沫混凝土屋面最大方案投资费用wm29泡沫混凝土为380 mm的247.43元/m2.而在经济性的比较中，投资费用低的泡沫混凝土屋面却拥有更大的净现值：方案wm01～10中最大净现值为wm10(聚苯板160 mm)的656.39元/m2小于方案wm11～29中的最小净现值706.48元/m2.基于以上数据可得出结论：相较于EPS保温板，泡沫混凝土作为屋面保温材料在其投资成本更低的情况下产生了更高的节能效益，从而得到了更好的净现值，表现出了更好的经济性，其节能效果的优势显而易见.结合前文提到两种材料在使用性上的对比可以看出，泡沫混凝土作为屋面保温材料的使用优于EPS聚苯板.

2)方案经济厚度分析与选择.其次以无保温材料的普通钢筋混凝土屋面为基准，比较不同厚度的泡沫混凝土屋面的冷热负荷能耗，验证其节能效果.由表5中方案wm00、wm11～29的全年累计冷热负荷得到图4.通过看图4冷热负荷趋势表可以看出相较于基准无保温措施屋面泡沫混凝保温屋面热负荷指标有明显降低，冷负荷的消耗量也有一定程度的减小，并且两种负荷的消耗量随着保温材料厚度的增加而下降.根据表5统计结果显示，当方案厚度达到350 mm(其初始投资为241.67元/m2)时净现值最高，达到738.10元/m2，是该次模拟实验中最为经济的方案.

图4 全年累计冷热负荷消耗趋势图Fig.4 Annual cumulative cold and hot load consumption trend

然而，通过研究表5的数据可以看出并不是保温材料厚度越高其净现值就越高，厚度的增加意味着保温成本也随之增加.由于实验模拟选取的保温材料厚度的不连续，表5中的最大经济厚度只是一个接近值，故而该文通过MINITAB16软件对不同厚度对应的净现值数据进行曲线拟合(见图5)，得出二次拟合曲线,对其求导得出该曲线的最大值即本屋面模拟方案的最佳经济厚度为349.45 mm，其净现值为737.40元/m2.

图5 净现值拟合曲线Fig.5 The value of net present fitting curve

4 结 论

运用DeST-h能耗模拟软件，结合武汉某6层住宅建筑实例，采用倒置式平屋面形式，首先比较10组常用厚度聚苯乙烯泡沫保温板(EPS)与泡沫混凝土屋面的节能潜力，通过计算比较其经济指标，模拟结果得出在泡沫混凝土保温屋面保温成本更低的情况下，相较于EPS保温屋面，其产生的节能效益更好，净现值更高，泡沫混凝土屋面保温优势明显;同时以净现值为评价指标，借助Minitab16得出该次模拟方案中较经济的保温屋面的厚度，为349.45 mm.目前，屋面保温领域在泡沫混凝土的应用还不如聚苯板屋面应用广泛，根据该文模拟得出的结论，泡沫混凝土相较于EPS屋面不论在投资成本、节能效益还是使用性能等方面优势都更明显.因此，该文为促进泡沫混凝土自保温屋面在夏热冬冷地区的发展提供了有力的依据.

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[8] [GB/T 18883—2002]《室内空气质量标准》 [GB/T 18883—2002]《Indoor air quality standard》

[9] DB42/301—2005《地方居住建筑节能设计标准》 DB42/301—2005《Local residential building energy efficiency design standards》

Biography：Yang Si-min,female,born in 1994, master graduate student,engineering project management.

Research on Energy Saving and Economical Efficiency of Foam Concrete Roof

YANG Si-min, ZOU Zu-xu*

(School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China)

This research was based on DeST-h energy consumption simulation software to simulate the energy consumption of the residence with inverted flat roof form in Wuhan,which contained 29 groups roofs of polystyrene foam insulation board (EPS) and foam concrete as thermal insulation material with different thickness.The economic indicators were calculated and compared to evaluate its energy saving potential.Firstly,the research showed that compared with EPS insulation roof,the foam concrete insulation roof had an obvious advantage on thermal insulation,obtaining better benefits on the energy saving and higher net present value even in a lower investment costs.Secondly,with no insulation wall as the benchmark model,the energy-saving effect was verified by comparing the energy consumption of foam concrete roof with different thickness.At the same time,evaluated by net present value,the optimum economic thickness of foam concrete insulation roof was analyzed and calculated by using the curve fitting function of Minitab16 software,providing a strong basis for the further development of the foam concrete as a building energy-saving roofing material.5figs.,5tabs.,9refs.

foam concrete; energy saving of roof; polystyrene board; economical efficiency

2016-12-29

杨思敏(1994-)，女，江西樟树人，硕士研究生，研究方向：工程项目管理. *通迅作者,E-mail:402307895@qq.com.

2095-7300(2017)01-037-06

TU502

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