小議無機保溫砂漿對建筑能耗的作用

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建筑模型的建立及各地區(qū)氣候情況

1建筑模型的建立

目前，人們居住的建筑主要有兩種形式，一是城市商品房，另外就是農(nóng)村兩層房。故本論文采取兩種形式的建筑建立模型，利用這兩種模型進行建筑能耗模擬，以期望能夠獲得對兩種不同建筑提出科學的保溫方式，選擇合理的保溫層厚度。圖1為農(nóng)村兩層房的模型，為了使其與實際生活中的建筑一致，該模型采用了表1的建筑參數(shù)。由于DeST軟件只能顯示出建筑物的1層，故這里只是1層房的平面圖，并顯示了通風標志，每間房屋都保持了良好的通風。圖2為本論文中商品房模型，該模型是6層樓房，并考慮到商品房的熱橋問題，商品房的一段墻設(shè)定為鋼筋混凝土，以期望達到與實際中熱橋相符合的目的。為了獲得良好的居住環(huán)境，各房屋都保持了良好的通風條件，各臥室均有窗戶。其建筑參數(shù)如表2所示，基本上材料與農(nóng)村2層房一致。但外墻與農(nóng)村2層房不同，因為目前城市已經(jīng)禁止使用黏土磚，故用混凝土多孔磚代替。因為一般無機保溫砂漿的導熱系數(shù)都在0.07～0.085W/(m•K)，為了便于模擬建筑能耗情況，保溫材料均設(shè)定為導熱系數(shù)0.073W/(m•K)的無機保溫砂漿。

2各地區(qū)氣候情況

本文選取了廣州、北京、哈爾濱和上海這4個地區(qū)進行建筑能耗模擬。廣州位于夏熱冬暖地區(qū)，北京位于寒冷地區(qū)，哈爾濱位于嚴寒地區(qū)，而上海則位于夏熱冬冷地區(qū)。由圖3可知，在可容忍溫度為15～29℃時，北京適合居住的時間占全年總時間的39.4%，而需要采暖或者制冷的時間為60.6%，其中大部分時間需要采暖。因此，北京的建筑采暖能耗比較高，空調(diào)制冷能耗就相對比較低。哈爾濱屬于嚴寒地區(qū)，由圖4可知，在可容忍溫度為15～29℃時，哈爾濱適宜居住的時間為36%，而68.4%的時間是需要采暖制冷的。其中全年時間的77.1%是需要采暖的。因此，哈爾濱采暖能耗自然非常高。廣州位于夏熱冬暖地區(qū)，冬季暖和，夏季酷熱，故其建筑能耗主要是空調(diào)制冷能耗。由圖5可知，在可容忍溫度為15～29℃時，廣州適宜居住時間為68.2%，需要采暖或制冷的時間僅為38%。上海處于夏熱冬冷地區(qū)，故其采暖與制冷能耗差異不會很大。由圖6可知，在可容忍溫度為15～29℃時，上海適宜居住時間為50%。而由全年溫度分布圖可以得出，上海建筑能耗應(yīng)以采暖能耗與空調(diào)制冷能耗兩方面決定。通過上述各地區(qū)全年溫度分布統(tǒng)計圖可以看出，各個地區(qū)的氣候均有不同，哈爾濱地區(qū)屬于嚴寒地區(qū)，適宜居住的時間很短；北京地區(qū)處于寒冷地區(qū)，適宜居住的時間也較短，但相對于哈爾濱地區(qū)較長；其次是上海地區(qū)；最適宜居住的是廣州地區(qū)。從而，在沒有或相同保溫措施的情況下，建筑能耗應(yīng)該是哈爾濱＞北京＞上海＞廣州。

建筑能耗模擬

1北京地區(qū)建筑能耗模擬

由表3可知，北京農(nóng)村2層房空調(diào)制冷能耗在保溫層變化時變化不大，都在4kW•h/(m2•a)左右；而采暖能耗在有保溫層的情況下，相比于沒有保溫層時降低明顯，但總體而言，采暖能耗還是比較高，這是由北京的寒冷氣候決定的。北京應(yīng)該選取保溫層厚度為50mm，這樣既能達到良好的節(jié)能效果，又能比較經(jīng)濟。商品房制冷能耗變化不明顯，這與農(nóng)村2層房變化趨勢一樣。但采暖能耗與農(nóng)村2層房相比，有明顯的下降趨勢。兩種建筑在沒有保溫層的情況下，商品房的采暖能耗僅89kW•h/(m2•a)，而農(nóng)村2層房采暖能耗則高達110.9kW•h/(m2•a)。這主要是因為商品房建筑更加集中，內(nèi)墻相對比例更大，同時，相鄰的房間溫度比室外溫度高，散熱相對比較緩慢一些，從而采暖能耗有明顯的降低。從表3可以看出，采暖能耗隨著保溫層厚度的變大而不斷降低，但下降趨勢越來越平緩。從經(jīng)濟節(jié)約和節(jié)能兩方面考慮，應(yīng)該選取40mm的保溫層厚度。

2哈爾濱地區(qū)建筑能耗模擬

由表4可知，哈爾濱農(nóng)村2層房采暖能耗相當高，這主要是由哈爾濱處于嚴寒地區(qū)的氣候決定的。隨著保溫層厚度的不斷增加，采暖能耗不斷降低，哈爾濱農(nóng)村2層房應(yīng)該選取60mm的保溫層厚度，一是在該保溫層厚度下，建筑能耗變化趨勢減緩，二是保溫層也不至于太厚。哈爾濱商品房采暖能耗相比于農(nóng)村2層房，在不采取保溫的措施下，其采暖能耗降低了約50kW•h/(m2•a)。在采取保溫層的情況下，商品房的建筑能耗與農(nóng)村2層房相比，還是低。隨著保溫層厚度的增加，采暖能耗逐漸降低，變化越來越小，故從經(jīng)濟方面考慮，商品房保溫層厚度應(yīng)該選擇為60mm。

3廣州地區(qū)建筑能耗模擬

由表5可以看出，廣州農(nóng)村2層房和商品房的建筑能耗均以空調(diào)制冷能耗為主，少部分為采暖能耗。空調(diào)制冷和采暖能耗均隨著保溫層厚度的增大而不斷降低，但降低幅度不是很明顯。由表5可知，采取30mm保溫層厚度比較適合，因為厚度增加對能耗影響不大。在相同保溫層厚度調(diào)節(jié)下，廣州商品房與農(nóng)村2層房建筑能耗差異不大。從經(jīng)濟方面考慮，保溫層厚度應(yīng)該選擇30mm，此時總能耗18.42kW•h/(m2•a)，相比無保溫層時節(jié)能3.36kW•h/(m2•a)，節(jié)能15.4%，但保溫節(jié)能效果也不是特別的明顯。由此可見，廣州并不十分適合建筑保溫，應(yīng)該另辟蹊徑。

4上海地區(qū)建筑能耗模擬

由表6可知，上海農(nóng)村2層房采暖與制冷能耗均隨著保溫層厚度的增加而不斷降低，但變化趨勢卻越來越小。由于在保溫層厚度為30mm時，采暖與制冷能耗已經(jīng)變化非常小。從經(jīng)濟方面考慮，保溫層厚度應(yīng)該選擇為30mm。上海商品房采暖與制冷能耗均隨著保溫層厚度的增加而不斷降低，變化趨勢與農(nóng)村2層房一致。在保溫層厚度為30mm時，采暖與制冷能耗已經(jīng)變化非常小。從經(jīng)濟方面考慮，保溫層厚度應(yīng)該選擇為30mm。

5不同地區(qū)建筑能耗對比

不同地區(qū)的建筑能耗情況如表7所示，在有保溫措施時，哈爾濱、北京節(jié)能效果顯著，上海也有不錯的節(jié)能效果，廣州則不是很明顯。在無保溫措施或者相同保溫措施時，各城市商品房建筑能耗均低于農(nóng)村2層房，哈爾濱等地更是顯著。因此，從建筑節(jié)能方面考慮，應(yīng)當鼓勵商品房的發(fā)展。同時，不同地區(qū)應(yīng)根據(jù)當?shù)貧夂蛱攸c選擇適宜的保溫措施。

6不同保溫材料建筑能耗對比

目前，大部分建筑采用的保溫材料都是有機材料，如聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料等[8]，也有EPS保溫砂漿[9]。這些材料保溫性能良好，但耐火性均不是很理想。無機保溫砂漿能耐1000℃高溫，但保溫性能相對差一些[10-12]。因此，為了對比不同保溫材料的保溫效果，選擇了表8中的保溫材料及參數(shù)對北京農(nóng)村2層房進行模擬。由圖7可知，在保溫層厚度均為30mm時，保溫效果：聚氨酯＞聚苯乙烯＞EPS保溫砂漿＞無機保溫砂漿。同時，也可以看出，保溫材料對空調(diào)制冷能耗影響不大，有保溫層與無保溫層時，空調(diào)制冷能耗沒有明顯差異，而采暖能耗則降低得十分明顯。在保溫層厚度為30mm時，無機保溫砂漿相比于聚氨酯，建筑能耗高178kW•h/(m2•a)。表9為不同保溫材料在傳熱系數(shù)相同時的相關(guān)參數(shù)，可以看出，在傳熱系數(shù)相同時，導熱系數(shù)低的保溫材料，厚度小；導熱系數(shù)高的保溫材料，厚度大。由圖8可知，采用不同的保溫材料，使用不同的保溫層厚度，一樣可以達到相同的保溫效果。導熱系數(shù)高的無機保溫砂漿，保溫層厚度比較大；導熱系數(shù)低的聚氨酯，保溫層厚度相對比較小。無機保溫砂漿雖然導熱系數(shù)相對較高，但可以通過增加保溫層厚度來達到與有機保溫材料相同的保溫效果，實現(xiàn)降低建筑能耗的目的。可能會導致建筑成本增加，但為了人們的生命財產(chǎn)安全，也是值得的。

結(jié)語

(1)同一地區(qū)，相同保溫層厚度下，農(nóng)村2層房建筑能耗比商品房高，這主要是因為商品房屬于集中建筑，與外界接觸面積相對較小，從而保溫效果較好。因此，為了建筑節(jié)能需要，應(yīng)當鼓勵商品房發(fā)展。(2)不同地區(qū)，相同建筑，相同保溫層厚度下，建筑能耗排序為哈爾濱＞北京＞上海＞廣州，這主要是由當?shù)貧夂驔Q定的，即建筑能耗：嚴寒地區(qū)＞寒冷地區(qū)＞夏熱冬冷地區(qū)＞夏熱冬暖地區(qū)。采用本文采用導熱系數(shù)為0.073W/(m•K)的無機保溫砂漿時，哈爾濱應(yīng)選擇保溫層厚度為60mm；北京商品房為40mm，農(nóng)村2層房為50mm；上海與廣州均為30mm。(3)嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)建筑能耗主要是由采暖能耗構(gòu)成，夏熱冬冷地區(qū)建筑能耗則主要是由采暖能耗和空調(diào)制冷能耗兩部分組成，而夏熱冬暖地區(qū)建筑能耗主要是由空調(diào)制冷能耗組成。采用保溫措施后，哈爾濱、北京建筑能耗降低顯著，上海建筑能耗降低較為明顯，而廣州則變化不是很大。采取保溫措施后，空調(diào)制冷能耗變化均不明顯，主要影響的是采暖能耗。因此，保溫材料主要作用還是保溫，而不是隔熱。(4)有機保溫材料導熱系數(shù)低于無機保溫材料，在相同保溫層厚度時，建筑能耗明顯低于無機保溫材料，但是無機保溫砂漿可以通過增加厚度來彌補這一缺陷。（本文作者：張訓 單位：廣東省建筑材料研究院）