石墨水泥基复合保温系统的全寿命周期综合评价

钱小龙 王迪

摘 要：目前，建筑外墙使用的外保温材料多种多样，随着科学技术的发展，外保温材料的防火性能要求越来越高。石墨水泥基复合保温材料是一种新型外墙保温材料，与目前市场上常用的4种外保温系统相比，其在实际应用过程中产生的经济效益和环境效益更加显著。本文对其全寿命周期进行综合研究，分析了其建造费用、耗热量计算方法和运行费用，并对建材生产进行环境效益评价，以期为该产品在建筑节能领域的推广和应用提供参考。

关键词：石墨水泥基复合保温材料;全寿命周期;评价

中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）02-0095-04

Comprehensive Evaluation of Life Cycle of Graphite Cement-based Composite Insulation System

QIAN Xiaolong1 WANG Di2

（1. Henan Construction Technology Association，Zhengzhou Henan 450000;2. Sunac Property Services Group Co.， Ltd.，

Tianjin 300381）

Abstract： At present， there are many kinds of external insulation materials used in building exterior walls， with the development of science and technology， the fire performance requirements of external insulation materials are getting higher and higher. Graphite cement-based composite insulation material is a new type of external wall insulation material， compared with the four types of external thermal insulation systems commonly used in the market， the economic and environmental benefits produced in the actual application process are more significant. This paper conducted a comprehensive study on its life cycle， analyzed its construction costs， heat consumption calculation methods and operating costs， and evaluated the environmental benefits of building materials production， hoping to provide a reference for the promotion and application of the product in the field of building energy conservation.

Keywords： graphite cement-based composite insulation material;full life cycle;evaluation

随着河南省居住建筑节能标准和防火要求等级的提升，新型建筑节能产品的市场需求不断增加，新型建筑节能产品不断涌现，石墨水泥基复合保温材料就是其中之一。目前，市场上常用的外墙保温系统有4种，即EPS板薄抹灰外墙外保温系统、岩棉板薄抹灰外墙外保温系统、石墨水泥基复合保温板薄抹灰外墙外保温系统和免拆复合保温模板（XPS+石墨板）外保温系统[1-2]。本文对比分析了石墨水泥基复合保温材料与传统外墙保温系统，并进行全寿命周期经济性评价，得出石墨水泥基复合保温材料性能良好，值得推广和应用。

1 建筑外墙保温系统全寿命周期经济性评价模型

全寿命周期评价是对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价。建筑全寿命周期评价是对建筑从规划、设计到建造安装，再到运行维护，乃至最后拆除处理的全过程物质能量流动产生的经济效益、社会效益和环境效益的综合评价。建筑全寿命周期成本包括建筑的前期费用、初始成本、运行维护成本、替换大修成本以及回收价值[3]。

通常，不同建筑外墻保温系统采用不同的保温材料，其初期建造成本不同。更重要的是，保温材料的差别异使得外墙保温系统的建筑能耗不同，导致建筑运营成本不同。因此，采用全寿命周期成本评价方法对外墙保温系统进行经济性评价是合理且有效的。为简化计算，不考虑周围围护、清洁和环保成本，不考虑残值、可回收利用材料价值以及政府补贴和税负减免。基于上述条件，建筑外墙保温系统的全寿命周期成本计算模型可用式（1）表示。

[LCC=C0q+C1q（P/A，i，N）+C2q（P/F，i，t）]         （1）

式中，[C0q]为外保温系统初始成本;[C1q]为外墙保温耗能产生的年运行成本;[C2q]为外墙保温系统替换或大修成本。

2 建筑外墙保温系统的建造费用

下面对EPS板、岩棉板、碳硅板三种外保温系统的初始建造成本进行计算，并与免拆复合保温模板进行对比。其间参照市场价，对不同类型保温材料和不同外墙保温系统进行测算，得出费用。不同保温材料的单价如表1所示，不同外墙保温系统的成本如表2所示。

3 建筑外墙保温系统的耗热量计算和运行费用

3.1 建模

经过大量调研，本文选取河南省较为典型的农房平面作为分析对象。模型农房共有2层，建筑高度为8.2 m，外墙面积方面，东墙为98.14 m2，南墙为68.68 m2，西墙为98.14 m2，北墙为76.38 m2，外墙总面积为388.56 m2，建筑面积为286 m2，建筑体积为1 089.11 m3，建筑三维模型如图1所示。外墙构造做法如表3所示，不同做法的农房分别记为农房A、农房B、农房C和农房D，建筑供暖所需的温度控制范围满足《农村居住建筑节能设计标准》（GB/T 50824—2013）要求，建筑全年能耗如图2所示。

由图2可知，农房A、农房B、农房C和农房D的全年能耗呈以下规律：采暖能耗方面，1—4月逐月降低，10—12月逐月攀升，1月为峰值;制冷能耗方面，4—7月逐月攀升，7—10月逐月降低，7月為峰值。农房A、农房B、农房C和农房D的全年冷、热、总能耗汇总结果如表4所示。由表4可知，农房A的全年总能耗最低，供暖能耗及采暖能耗均最低，因此，四种外墙保温材料中，免拆复合保温模板这种模式的节能效果最好。

3.2 建筑物外墙保温系统耗热量、耗煤量和运行费用的计算

建筑物耗热量计算根据《河南省居住建筑节能设计标准（寒冷地区75%）》（DBJ41/T 184—2017），由于仅考虑建筑外墙引起的耗热量，所以建筑物耗热量指标（[qH]）等于折合到单位建筑面积上单位时间内通过外墙的传热量（[qHq]），根据以上建筑模型，得到相关计算公式。

[qH=qHT+qINF-qIH]                        （2）

式中，[qH]为建筑物耗热量指标，W/m2;[qHT]为折合到单位建筑面积上单位时间内通过建筑围护结构的传热量，W/m2;[qINF]为折合到单位建筑面积上单位时间内建筑物空气渗透耗热量，W/m2;[qIH]为折合到单位建筑面积上单位时间内的建筑内部得热量，取3.8 W/m2。

[qHq=∑qHqiA0=∑εqiKmqiFqi（tn-te-）A0]                （3）

式中，[qHq]为折合到单位建筑面积上单位时间内通过外墙的传热量，W/m2;[tn]为室内计算温度，取18 ℃;[te]为计算采暖期室外平均温度，℃;[εqi]为外墙传热系数的修正系数;[Kmqi]为外墙平均传热系数，W/（m2·K）;[Fqi]为外墙面积，m2;[A0]为建筑面积，m2。

[qINF=（tn-te-）（CpρNV）A0]                         （4）

式中，[qINF]为折合到单位建筑面积上单位时间内建筑物空气换气耗热量，W/m2;[Cp]为空气的比热容，取0.28 W·h/（kg·K）;[ρ]为空气的密度，kg/m3，取计算采暖期室外平均温度[te]下的值;[N]为换气次数，取0.5 h-1;[V]为换气体积，m3。

郑州市采暖天数为98 d，根据郑州市采暖要求，计算采暖耗煤量，相关公式如下：

[qc=24ZqHHcη1η2]                                （5）

[q'c=qc?A0]                                    （6）

式中，[qc]为折算到单位建筑面积上的采暖耗煤量，kg/m2;[q'c]为建筑年采暖耗煤总量，kg;[Z]为采暖期天数，郑州取98 d;[qH]为建筑物耗热量指标，W/m2，此处取建筑外墙耗热量指标;[Hc]为标准煤热值，取8 140W·h/kg;[η1]为室外管网输送效率，取0.92;[η2]为锅炉运行效率，取0.7。

计算年运行成本时，取标准煤价格1 000元/t。年运行成本计算公式如下：

[C1q=qc?p]                                （7）

式中，[C1q]为年运行成本;[p]为标准煤价格。

建筑采用四种不同外墙保温系统时，根据上述公式，分别计算采暖期外墙耗热量[qH]以及由此带来的采暖耗煤量[qc]和年运行成本[C1q]，具体结果如表5所示。

3.3 不同外墙保温系统的全寿命周期成本

根据建筑外墙保温系统的全寿命周期成本计算模型，即式（1），分别计算采用4种不同类型外墙保温系统的全寿命周期成本。外墙保温系统初始成本[C0q]、外墙耗能产生的年运行成本[C1q]、外墙保温系统修缮成本[C2q]，三者全部折算到单位建筑面积的成本中。计算不同外墙保温系统时，外墙保温系统全寿命周期费用如表6所示。

外墙保温系统初始成本[C0q]的计算公式为：

[C0q=（c0?A）/A0]                               （8）

式中，[c0]为外保温系统的单位造价，元/m2;[A]为建筑的外墙总面积，m2;[A0]为建筑面积，m2。

外墙保温系统耗能产生的年运行成本现值[C1q（P/A，i，N）]的计算公式为：

[C1q（P/A，i，N）=C1q?1-（1+i）-Ni]                    （9）

式中，[C1q]為外墙保温系统耗能产生的年运行成本;[N]为建筑的设计使用年限，取50年;[i]为社会折旧率，取8%。

外墙保温系统替换和大修成本现值[C2q（P/F，i，t）]的计算公式为：

[C2q（P/F，i，t）=C2q?（1+i）-t]                   （10）

式中，[C2q]为外墙保温系统替换或大修成本;[i]为社会折旧率，取8%;[t]为建筑外保温设计使用年限，取25年。

4 建材生产的环境效益评价

燃烧1 t标准煤大约排放2.54 t二氧化碳，寒冷地区建筑能耗越低，采暖耗煤量越低，由此产生的二氧化碳排放量越少，因此，人们要大力提倡应用绿色建材，减少二氧化碳的排放量。2020年8月，住房和城乡建设部、教育部等部门联合发布《关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》（建标规〔2020〕8号），明确指出要推广应用绿色建材，逐步提高城镇新型建筑的绿色建材应用比例。根据《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366—2019）中的要求，分别对生产EPS板、岩棉板和碳硅板的碳排放量进行计算，计算公式如下：

[Csc=i=1nMiFi]                                （11）

式中，[Csc]为建材生产阶段碳排放，[kgCO2e];[Mi]为第[i]种主要建材的消耗量，t;[Fi]为第[i]种主要建材的碳排放因子（[kgCO2e]/t）单位建材数量。

根据式（11），分别计算生产每吨EPS板、岩棉板和碳硅板建材产品的碳排放量，如表7所示。

5 结论

在石墨水泥基复合保温系统的全生命周期综合评价中，生产单位数量石墨水泥基复合保温板排放的二氧化碳比生产同样数量EPS板、岩棉板和碳硅板的碳排放量少。石墨水泥基复合保温系统的经济性优势突出，每平方米比EPS板系统少28.52元，比岩棉板系统少123.37元。在目前市场上常用的外墙保温材料中，石墨水泥基复合保温板在生产和应用中表现出良好的节能减排效果，具有显著的经济效益、环境效益和社会效益。

参考文献：

[1]张磊蕾，王武祥，廖礼平，等.水料比与发泡混凝土性能和孔结构相关性研究[J].新型墙体，2012（11）：21-23.

[2]刘超，王武祥，张磊蕾，等.水泥基复合保温板芯层材料的性能研究[J].墙体革新与建筑节能，2013（6）：47-52.

[3]贾冠华.气凝胶膨胀珍珠岩的制备及其在水泥基材料中的应用研究[D].太原：太原理工大学，2018：22-23.