改性聚苯板外墙外保温系统的隔热性能分析

王华

摘      要：合理的建筑外墙外保温系统可以有效的降低能源消耗、保护环境。基于此，設计了改性聚苯板外墙外保温系统，建立了外墙外保温系统的计算模型，拟定夏季热雨和冬季供暖两种工况，对比分析了改性聚苯板、普通水泥砂浆和玻化微珠混凝土三种不同外墙外保温系统的隔热性能。研究结果表明：改性聚苯板外墙外保温系统的隔热性优于普通水泥砂浆和玻化微珠混凝土外墙外保温系统;在夏天热雨外部温度最高时，改性聚苯板保温层内表面的温度要比玻化微珠混凝土和普通水泥砂浆小约65%，外表面的温度则要高约27%;在同样的冬季室内外温差条件下满足室内供暖标准，改性聚苯板外墙外保温系统的能耗量比玻化微珠保温系统减小73.7%，比普通砂浆保温系统减小77.0%。

关  键  词：外保温系统;改性聚苯板;玻化微珠保温砂浆;普通水泥砂浆

中图分类号：TQ 178       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）08-1690-05

Abstract： Reasonable external thermal insulation system can effectively reduce energy consumption and protect the environment. Based on this， the external thermal insulation system of modified polystyrene board was designed. The calculation model of external thermal insulation system of modified polystyrene board was established. Under two working conditions in summer and winter， the thermal insulation performance of three different external thermal insulation systems of modified polystyrene board， ordinary cement mortar and vitrified beads concrete were compared and analyzed. The results showed that the external thermal insulation system of modified polystyrene board was superior to the external thermal insulation system of ordinary cement mortar and glass bubbles concrete. When the external temperature was the highest in summer， the internal surface temperature of modified polystyrene board insulation layer was about 65% lower than that of vitrified beads concrete and ordinary cement mortar， and the external surface temperature was about 27% higher. In the same winter indoor and outdoor temperature difference conditions to meet the indoor heating standards， modified polystyrene board exterior wall insulation system energy consumption was 73.7% lower than glass beads insulation system， and was 77.0% lower than the ordinary mortar insulation system.

Key words： External thermal insulation system; Modified polystyrene board; Thermal insulation glazed hollow bead mortar; Conventional cement mortar

随着科技的不断进步，能源消耗量逐年增大[1]。目前，能源的粗犷式开发造成了不可再生能源的过度消耗和环境的恶化[2]，发展节能产业可以有效减小能源的消耗和保护环境[3]。建筑节能是节能产业的重要组成部分，我国每年新增建筑面积17～18 亿m3，其中多数为高耗能建筑，其能耗占总能耗的30%以上[4]。

提高建筑围护结构的保温隔热性能是建筑节能的关键之一[5]，在围护结构中，墙体在采暖能耗中约占总能耗的三分之一，所占比例最大，因此改善墙体的保温性能是重中之重[6]。综上所示，本文提出采用改性聚苯板设计外墙外保温系统，建立改性聚苯板外墙外保温系统的热力分析模型，在夏季热雨和冬季供暖两种工况下，对比分析改性聚苯板、普通水泥砂浆和玻化微珠混凝土的保温特性。本文的研究成果可为建筑节能材料选取提供理论基础。

1  改性聚苯板外墙外保温系统

改性聚苯板是指对聚苯板进行无机改性处理之后的复合材料，它具有优良的保温、防火性能。实际工程中一般将其作为保温层附着在墙体基层外表面上，另外为提高保温层的使用寿命或美化建筑装饰，还需在保温层外设计抗裂层（热镀锌钢丝网+抗裂砂浆）和饰面层（粘结砂浆+饰面砖），由此构成了改性聚苯板外墙外保温墙体系统，如图1所示。

2  数值模拟方案设计

2.1  数值模拟模型

根据改性聚苯板外墙外保温系统的墙体构造示意图，本文采用FLAC3D建立改性聚苯板外墻外保温系统的热力分析模型如图2所示。热力分析时，根据实际环境气候条件，对墙体内外表面分别施加不同的温度和热力交换系数。

2.2  模拟工况

（1）不同环境气候条件

根据墙体的日常工作环境条件，本文设计了两种最不利气候条件：

1）夏天热雨条件。墙体内温度设计为恒温25 ℃;墙体外表面温度在上午7点至下午1点由25 ℃逐步提升到75 ℃，下午1点到下午3点为恒温75℃，下午3点到4点遭遇暴雨由75 ℃降至20 ℃，暴雨后至第2天早上7点设计为恒温25 ℃。

2）冬天供暖条件。墙体内温度设计为恒温25 ℃;墙体外温度由凌晨2点至下午2点由-15 ℃逐步提升到-5 ℃，下午2点到第2天凌晨2点由-5 ℃又缓慢降至-15 ℃。

（2）不同保温层材料

为进一步研究改性聚苯板外墙外保温系统的隔热性能，本文对比设计了另外2种墙体构造条件，第1种是将改性聚苯板保温层替换为玻化微珠混凝土，另1种是将改性聚苯板保温层替换为普通水泥砂浆。墙体不同构造层材料的热力参数如表1所示。

Fig.3 Temperature variation curve of each structural layer of modified polystyrene board exterior insulation system under hot rain

上午7点到下午2点这段时间，夏天太阳直照外面饰面层，导致饰面层外表面温度随时间急剧升高。同时，因抗裂层和饰面层导热系数较高，改性聚苯板保温层外表面和抗裂层外表面的温度也随时间与饰面层外表面温度变化保持同步增长。但有一点需要说明的是，这段时间内聚苯板的高度阻热性能起到了非常好的效果，其内表面温度仅升高了3.2 ℃，是其外表面温度变化幅度的7%，有效阻隔了墙体基层的热量传递。当暴雨来临时，抗裂层和饰面层温度急剧下降至20 ℃，而保温层和墙体基层温度下降则相对有个滞后的过程。最终，夜晚来临，墙体各构造层温度则基本都保持在一个稳定的状态。

图4是夏天室内外温度差最大时墙体在不同保温层构造下的温度分布图。当保温层为改性聚苯板材料时，墙体外表面的温度最高而内表面的温度最低，即此时，墙体的内外温差最大。同时，在保温层位置，其墙体的温度集中程度也要远高于玻化微珠混凝土保温层以及普通水泥砂浆情况。结合表2可知，夏天热雨情况下，当保温层为改性聚苯板时，墙体基层内表面的最高温度为28.4 ℃，是玻化微珠保温层情况的67.8%，是普通砂浆保温层情况的63.6%;而饰面层外表面最高温度为72.3 ℃，是玻化微珠保温层情况的119.5%，是普通砂浆保温层情况的123.4%。这意味着夏天热雨最不利情况下，改性聚苯板外墙外保温系统的能耗量要比玻化微珠保温系统减小81.3%，要比普通砂浆保温系统减小83.6%。夏天热雨情况时，不同保温层构造下墙体保温层内外表面的温度变化曲线如图5所示。由图可知，不同保温层构造下保温层内外表面温度随热雨循环时间的变化规律基本都保持一致。但改性聚苯板保温层内表面的温度始终都要小于玻化微珠混凝土和水泥砂浆;而外表面温度则在暴雨前大于玻化微珠混凝土和水泥砂浆，暴雨后反而要小于玻化微珠混凝土和水泥砂。当室外温度最高时，改性聚苯板保温层内表面的温度要比玻化微珠混凝土和普通水泥砂浆小约65%，外表面的温度则要高约27%。

3.2  冬天供暖情况

图6所示为冬天供暖情况下改性聚苯板外墙外保温系统各构造层的温度变化曲线。

可以看出，墙体基层内外表面温度均随供暖时间的增长，其温度逐渐升高并趋于定值;而保温层、抗裂层和饰面层外表面温度则随室外温度变化呈现周期性的同步变化规律。由此可见，改性聚苯板保温层的存在隔绝了冬天外界温度变化对室内温度的影响，起到了良好的隔热保温效果。

图7和表3给出了不同保温层构造下墙体温度的分布和变化情况。同一室内外温差情况下，保温层为改性聚苯板的墙体内外表面温差最大，玻化微珠混凝土次之，普通水泥砂浆最小。当室内外温差最大时，保温层为改性聚苯板的墙体内外表面温度分别为21.4、-13.5 ℃;保温层为玻化微珠混凝土的墙体内外表面温度为13.9、-9.3 ℃;保温层为普通水泥砂浆的墙体内外表面温度则为13.0、-8.5 ℃。此时，改性聚苯板外墙外保温系统的能耗量比玻化微珠保温系统减小73.7%，比普通砂浆保温系统减小77.0%。

冬天供暖情况时，不同保温层构造下墙体保温层内外表面的温度变化曲线如图8所示。当保温层材料为改性聚苯板时，保温层内表面温度则随供暖时间增长而逐渐增大;而当保温层材料为玻化微珠混凝土和普通水泥砂浆时，保温层内表面温度则随室外温度变化出现周期性的起伏变化，但玻化微珠混凝土的变化幅度要略小。对于保温层外表面温度，不同的保温材料，其均出现相同的周期起伏变化规律，但改性聚苯板的变化幅度要大于玻化微珠混凝土，更大于普通水泥砂浆。当室外温度最低时，改性聚苯板保温层内表面的温度要比玻化微珠混凝土和普通水泥砂浆大约18 ℃，外表面的温度则小约7 ℃。可见，改性聚苯板的使用对于提高墙体的隔热保温性能具有重大的作用。

4  结 论

本文提出了采用改性聚苯板设计外墙外保温系统，建立了改性聚苯板外墙外保温系统的热力分析模型，在夏季热雨和冬季供暖两种工况下，对比分析了改性聚苯板、普通水泥砂浆和玻化微珠混凝土的保温特性，主要结论如下：

（1）在夏季热雨工况下，聚苯板的高度阻热性能起到了非常好保温效果，其内表面温度变化仅为其外表面温度变化的7%，有效阻隔了墙体基层的热量传递。

（2）夏天热雨外部温度最高时，改性聚苯板保温层内表面的温度要比玻化微珠混凝土和普通水泥砂浆小约65%，外表面的温度则要高约27%，这表明聚苯板的保温效果优于玻化微珠混凝土和普通水泥砂浆。

（3）在冬季供暖工况下，保温层、抗裂层和饰面层外表面温度则随室外温度变化而同步变化。而墙体基层内外表面温度均随供暖时间的增长而逐渐升高并趋于定值。由此可见，改性聚苯板保温层的存在起到了良好的隔热保温效果。

（4）在同样的冬季室内外温差条件下满足室内供暖标准，改性聚苯板外墙外保温系统的能耗量比玻化微珠保温系统减小73.7%，比普通砂浆保温系统减小77.0%。

参考文献：

[1]郭海涛， 赵婧， 李瑞. 2018年中国能源政策调整方向及重点研判[J]. 国际石油经济， 2018（2）.

[2]牟妍. 低碳环保生活与环境监测的关系探讨[J]. 中国高新技术企业， 2015（2）：100-101.

[3]贾杰林， 储成君， 李新. 环境视角调整能源供应和消费模式研究[J]. 环境科学与管理， 2013， 38（12）：69-73.

[4]李秉仁. “十二五”建筑节能产业的责任和任务[J]. 城市住宅， 2012（1）：36-37.

[5]霍英涛. 保温砂浆与改性聚苯板保温系统耐候性试验研究[D]. 太原： 太原理工大学， 2016.

[6]唐旭军. 建筑外墙外保温材料的研究[J]. 现代装饰（理论）， 2011（10）：96-97.