基于Ladybug+ Honeybee的外墙保温材料性能比较及研究

杨瑛 罗涛 蒋一诺 林伟

摘要：基于Ladybug及Honeybee参数化软件，通过分析在工程施工中常用的六种外墙保温隔热材料对人体热舒适度及室内热环境的影响，从而得出不同保温材料的优劣性排序为：Stp超薄绝热板、挤塑聚苯乙烯保温板（XPS）、聚氨酯泡沫塑料保温板、复合硅酸盐保温板、发泡聚苯乙烯板（EPS）、岩棉板。

关键词：老旧小区； 保温材料； 室内热环境； Ladybug； Honeybee

中图分类号：TU111.19文献标志码：A

0引言

进入新世纪以来，我国已经步入"住宅高龄化"的阶段。在新的城市更新浪潮中，单纯的拆迁与重建已变得不可取，人们开始更多的采取修复、改造等方式来提高居民的生活质量［1］。由于住宅建筑受制于建造时的材料和技术以及后期维护和管理，出现了如外墙脱落等问题［2］。在对外墙进行设计改造时，无目地的选择保温材料会增加建筑全生命周期内的运营成本，导致资源浪费［3］。同时研究表明：外围护结构以极少的经济投入就可以带来极高的节能效益［4］。夏热冬冷区存在着显著的季节性变动，室内热环境不佳，且缺乏节能设计［5］。所以如何降低建筑能耗问题仍亟待解决。

目前，大部分学者对长沙地区的能耗研究对象为空调等设备，而缺少不同的保温材料对室内热环境的相关性研究。经调研发现长沙常用的外墙保温的材料有：发泡聚苯乙烯板（EPS板）、挤塑聚苯乙烯保温板（XPS板）、聚氨酯薄膜塑料保温板、岩棉板、复合硅酸盐板、STP超薄绝热板。由于不同的保温材料有着不同的优缺点，所以选择良好的外墙保温材料不仅能科学降低建筑能量损失，高效降低建筑内外空间的热交换，而且可以降低经济成本，创造更宜居的环境［6］。

综上，本文基于Ladybug及Honeybee的参数化模拟技术，通过对不同保温隔热材料对室内温度及人体热舒适度进行了比较，从而得出目前市场上常见的保温隔热材料的优劣性，可以给予具体施工一定的指导性。此外，住房和城乡建设部也大力倡导城市更新中对老旧小区的改造，在老旧小区外墙改造中，科学选用保温隔热材料也是一大亮点［7］。

1建筑物理模型及其参数设置

1.1建筑物理模型

本文以长沙市20世纪90年代建成的小区——涂新社区标准户型的主卧室为研究对象（户型图如图1），该卧室尺寸的开间为3.6 m，进深为4.8 m，层高3.3 m；在南侧设置有一扇长为1.8 m，高为1.5 m的窗户；东北方向设有宽0.9 m，高1.8 m的木门，建筑朝向为坐北朝南。

1.2建筑Rhino模型

根据户型图主卧的标准尺寸在Rhino中建立的内部可视化三维模型（图2），确定模型中各尺寸无误后，利用Honeybee中的createHBsrfs插件分别识取三维模型中的内墙、外墙、门窗、屋顶及楼地面，然后将材质构造赋予到各个不同的结构中形成一个封闭的HBZone能量模型并对房间名称进行命名，最后用Energy Simulation插件进行仿真模拟并用Ladybug中的部分插件进行结果图表化显示。

1.3维护结构的物理参数设定

本文的目的是为了研究不同保温隔热材料对室内热环境的影响，所以在利用Honeybee软件进行计算时需考虑的主要参数有：墙体保温材料（EPS板、XPS板、聚氨酯薄膜塑料保温板、岩棉板、STP超薄绝热板）、楼地面及屋顶的结构构造、墙体结构构造等。

通过调研和分析施工图可得知该建筑的内外墙，门窗及楼地面屋顶的基本构造参数如表1所示。

按照Honeybee的要求，對各类材料的物理特性进行了设定，包括材质粗糙度、导热系数、比热容、密度等物理属性，具体参数如表2所示。

2数据仿真模拟

在夏热冬冷地区长沙的一年中，夏季和秋季的室外气温一般在18～26 ℃之间，均属于宜居温度，因此，我们选取一年中气候条件最为恶劣的两个标准周来进行仿真分析，即夏至日所属周6月20日至6月26日以及冬至日所属周即12月19日至12月25日。

建筑设备与建筑材料杨瑛， 罗涛， 蒋一诺， 等： 基于Ladybug+ Honeybee的外墙保温材料性能比较及研究

2.1外墙无保温层时的室内热环境

在比较分析保温材料之前，本文先对墙体无外保温材料时的室内温度进行分析而作为参照对象，即墙体结构仅由10 mm水泥砂浆、240 mm砖墙、10 mm饰面层组成，在此条件下计算冬夏两个典型周在维护结构未设置保温隔热材料时的室内热环境和人体的热舒适度。

2.1.1外墙无保温层时的室内温度

首先，利用 Honeybee软件，对长沙地区的自然室温进行了数值模拟计算，分析在无保温隔热层时室内气温的变化情况。为了对室内和室外的温差进行比较，本文分别模拟了冬季和夏季典型周的室外气温的变化情况。在夏季典型周中（即6月20日至6月26日），室内和室外的各小时平均气温变化如图3所示，在冬季典型周中（即12月19日至12月5日）的室内外各小时平均气温变化如图4所示。

在未安装维护结构保温层的状况下，分析图3可得，夏季典型周的平均温度在早上8：00达到最低的为26.4 ℃，而在夜间20：00的时候，室内的温度最高为34.5 ℃。根据GB 50736-2016《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》可知夏季制冷温度标准为16～24 ℃，冬季采暖温度标准为22～28 ℃。一般而言，夏季室内气温高于28 ℃时，须采取一定的主动降温措施，避免中暑；因此，为了满足标准居住条件，一天中大部分时间都必须开启空调以降低室内温度。而从图4可以看出，在布置了相同的墙体的情况下，冬季典型周各小时室内平均气温在凌晨1：00达到最低为8.1 ℃，晚上19：00达到最高为13.8 ℃；全天的时间内都是达不到冬季采暖的最低标准（16 ℃），同样需要采取主动措施来提高室内温度。

2.1.2外墙无保温层时的人体热舒适度

人体热舒适度（PMV）评价体系是基于人体热舒适方程为基础而建立的，综合了影响人体热舒适的空间温度、空气湿度、衣服热阻等六项指标［8］，其中，“空气温度”是评估系统的主要内容。因此，在保温材料的性能研究中，本文引入了PMV指数。根据Ladybug中的PMV Comfort Calculator插件并置入室内温度、相对湿度、风速、着衣情况等相关数据后，最后输出可得到PMV值、人不满意度比值、平衡温度等结果（计算过程如图5所示）。夏季典型周平均每日的PMV值的计算结果如图6所示，冬季计算结果如图7所示。

根据PMV评价体系的规定，当PMV为正值时，人体产生热感，相反则会产生冷感。而国际组织对PMV的推荐值为±0.5之间，在此区间内人体感觉最舒适。从图6夏季典型周的计算结果可以看出，在墙体未置入保温层时，只有上午5：00—10：00 PMV值处于1.5以下，下午15：00—20：00，PMV值都达到了极值为3，此时间段人体会感觉极度炎热；同理，分析图7可得，PMV最高值出现在下午17：00，为-2;夜晚23：00—5：00 PMV值为-3，此段时间内人体感觉极度寒冷。

小结：从室内温度和人体热舒适度的分析可得，在没有保温隔热层情况下，冬季和夏季的典型周计算出室内的温度和舒适度都很差，因此需要设置保温隔热层来改变室内热环境并使建筑能耗降低。

2.2外墙添加保温层后的室内热环境

外墙结构增设保温层，根据市场调研分析统一将保温材料厚度设为40 mm，即外墙结构组成为：水泥砂浆（10 mm）、砖墙（240 mm）、保温材料（40 mm）、饰面（10 mm）。利用Honeybee的模拟仿真技术，将六种保温隔热材料分别设置好需要计算的物理参数并通过EPOpaqueMat插件创建好材质后加到添加到原来的无保温的外墙结构层形成一个新的EPConstruction。最后再通过EnergySimulation插件分别计算不同保温隔热材料对人体热舒适度和室内气温的变化情况。（过程如图8）6种保温材料的属性如表3所示。

2.2.1外墙增设保温层后的自然室温

2.2.1.1夏季典型周自然室温

在夏季增加保温隔热层，是为了防止室外的热空气进入室内，根据上文模拟得出夏季典型周平均每1 h的室内环境温度如图9。

由图可知，墙体结构未设置保温层时，昼夜温差最大，且温度远远高于其他结构。分别置入六种不同材料后室内环境温度都有较为明显的降低。在六种材料中，Stp超薄隔热板的测算结果中全天的室内温度都低于夏季制冷标准温度的最大值（28 ℃），性能表现为最好，是夏季隔热材料的首选；而岩棉板表现出的隔热性能最差，昼夜温差较大且全天内几近一半的时间温度都处在28 ℃以上；而其余四种材料比较中，挤塑板（XPS）无论是隔热性能还是温差都稍好于聚氨酯泡沫保温板且都好于聚苯板（EPS）和复合硅酸盐保温板，而聚苯板（EPS）隔热性能稍差于复合硅酸盐保温板。因此可以得出六种材料的隔热性能由优至劣的排序为：Stp超薄绝热板、挤塑聚苯乙烯保温板（XPS）、聚氨酯泡沫保温板、复合硅酸盐保温板、发泡聚苯乙烯板（EPS）、岩棉板。

2.2.1.2冬季典型周自然室温计算

在冬季增加保温隔热层，是为了防止室外的冷气流进入室内，根据上文模拟得出夏季典型周平均各个小时的室内环境温度如图10。

从图可知，在未设置外墙保温材料的情况下，室内温度最低为11.3 ℃，需利用加热设备来改善室内气度。墙体增加不同的保温层后室内温度都得到了不同程度的明显的提升，且在白天中大部分时间的室内温度都超过冬季制冷温度的最低标准值（16 ℃），不需要采取主動措施，因此能大量降低能耗。Stp超薄绝热板在下午18：00时保温效果最为明显，其室内温度相比无保温层室温提高了4.6 ℃；虽然其在23：00—6：00的保温强度不如挤塑板（XPS）与聚氨酯泡沫保温板，但在其它时间内Stp超薄绝热板的保温能力都强于其它材料。由此计算结果可得，6种材料的保温性能优劣排序为：Stp超薄绝热板、聚氨酯泡沫塑料保温板、挤塑聚苯乙烯保温板、复合硅酸盐保温板、发泡聚苯乙烯板、岩棉板，而在上文已经得出隔热性能，可发现材料的隔热性能与保温性能较为相似，材料的两种属性成正相关，即材料的夏季隔热性能越好，冬季保温性能也就越好，节能效果就越好。

2.2.2外墙增设保温层后的人体热舒适度

人体的热舒适度与室内温度息息相关，它能较好地体现出各种保温隔热材料对人体的舒适度的影响，因此必须对六种保温隔热材料对人体的热舒适度进行综合评价。为了数据的精确性与可视化，本次研究将选取典型周内平均每日每3 h为一组数据，共计八组数据。得出不同保温材料夏季人体热舒适值如图11所示，冬季人体热舒适值如图12所示。

2.2.2.1夏季典型周PMV值

从夏季典型周不同材料的人体热舒适度可以看出，无保温层时只有6：00—12：00中的部分时间段的PMV值小于部分保温材料，是由于是此时的室外气温较为舒适，而保温层反而阻碍了室内外温度的传递，其它时间内设置了保温材料的热舒适度均优于无保温层。隔热性能最好的Stp超薄隔热板，在6：00—12：00时间段内的PMV值均在0.5以下，此环境下人体感觉最为舒适；通过数据分析可得即使是隔热性能最差的岩棉板平均每天PMV值也降低了0.5，可见保温材料对室内热环境的影响之大。而由计算结果可知六种材料的PMV值由小到大为：Stp超薄隔热板、挤塑板（XPS）、聚氨酯泡沫保温板、复合硅酸盐保温板、发泡聚苯乙烯板（EPS）、岩棉板。同样说明保温隔热性能的排序也是如此。

2.2.2.2冬季典型周PMV值

由图12可知，除了Stp超薄隔热板外在15：00—21：00 PMV的值高于-1以外，其它时间内所有材料的PMV值均低于-1，人体冷感强烈。当无保温层时，一天中大部分时间内都达到了PMV的最小值-3，人体极不舒适，虽加入保温层后并未到达PMV值的最佳范围，但该值均有增大，由此可以看出，保温材料对室内热环境的改善的显著的。

3结束语

本文基于Ladybug及Honeybee的参数化模拟技术，通过对不同保温隔热材料对人体热舒适度及室内温度进行了比较，得出结论：

（1）对比于无保温隔热层的墙体时，增加保温隔热层后夏季典型周日均室内气温得到不同程度的降低，人体热舒适值也减少，人体热舒适感增强；冬季典型周日均室内气温得到不同程度的增高，人体热舒适值也增加，人体热舒适感增强。

（2）通过模拟后的数据对比分析得出不同保温材料的优劣性排序为：Stp超薄绝热板、挤塑聚苯乙烯保温板（XPS）、聚氨酯泡沫塑料保温板、复合硅酸盐保温板、发泡聚苯乙烯板（EPS）、岩棉板，该结果为夏热冬冷地区的老旧小区的外墙改造提供了一定科学依据。

（3）本研究中仍存在一些不足，如在具体工程中，材料造价是一个必须要考虑的重要问题，而本文并未比较材料的造价问题而指导具体施工，这是一个需要继续改进的方向。

参考文献

［1］郭丹青. 城市旧住宅外立面改造研究［D］.重庆：重庆大学，2010.

［2］陸蕾. 城市既有住区更新设计研究［D］.南京：南京工业大学，2018.

［3］闫静茹. 保温材料在外墙外保温中全寿命周期经济评价［D］.西安：西安建筑科技大学，2013.

［4］李清洋. 德国既有居住建筑改造中的绿色技术研究及借鉴意义［D］.郑州：郑州大学，2017.

［5］陈朝阳. 夏热冬冷地区典型城市居住建筑能耗实测及负荷特性研究［D］.重庆：重庆大学， 2021.

［6］陈立东.保温隔热材料在建筑外墙外保温中的应用［J］.城市建筑，2020，17（33）：115-117.

［7］刘中勇，霍海娥，徐嘉茂.既有建筑节能改造保温材料性能比较及研究［J］.安阳工学院学报，2021，20（6）：62-66+70.

［8］欧聪颖，刘何清，张强，等.预计平均热感觉指数PMV的简化计算法［J］.建筑节能，2018，46（7）：13-16.

［作者简介］杨瑛（1964—），男，博士，教授级高级工程师，研究方向为建筑设计及其理论；蒋一诺（1999—），男，在读硕士，研究方向为建筑设计及其理论；林伟（1998—），男，在读硕士，研究方向为建筑设计及其理论。

［通信作者］罗涛（1999—），男，在读硕士，研究方向为建筑设计及其理论。