外墻保溫材料廠家為你解析外墻保溫材料的經濟性

目前建筑外墻保溫材料廠生產的產品種類多樣化，EPS、XPS、聚氨酯等有機材料易燃、易老化、耐熱性差、燃燒時釋放大量熱量，并產生有毒氣體等缺點；巖棉、玻璃棉等無機材料存在在使用過程中易產生大量粉塵和細小纖維，對人體健康造成嚴重危害等缺點，限制了常用保溫材料在建筑工程領域中的應用，今天外墻保溫材料廠家永鵬就來為大家講解一下5種外墻保溫材料的經濟性。

1 墻體結構與保溫材料參數

1.1 復合墻體構造

夏熱冬冷地區常見復合墻體簡單構造形式，由內到外構成部分依次為：內抹灰、基層墻體、隔熱保溫層和外抹灰。常見的復合墻體組合類型及其性能參數見表1，夏熱冬冷地區常用的基層墻體主要有混凝土雙排空心砌塊、空心砌塊、鋼筋混凝土等基層墻體。

保溫材料的熱阻占復合墻體總熱阻的主要部分。當基層墻體構造相同時，復合墻體的傳熱系數主要取決于隔熱保溫材料的性能。對于夏熱冬冷地區，當建筑體形系數≤0.4時，在滿足夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準JGJ 134—2010《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》以及GB 50176—2015《民用建筑熱工設計規范》，外墻傳熱系數K及熱惰性指標D可基于夏熱冬冷地區建筑節能50%的目標得出。

1.2 保溫材料類型及性能參數

目前常用建筑保溫材料主要有XPS、EPS、聚氨酯泡沫、玻璃纖維棉等保溫材料，而新型氣凝膠保溫材料主要包括氣凝膠板、氣凝膠氈、氣凝膠玻璃等，目前國內對氣凝膠保溫材料的研究處于實驗研究階段，表2為氣凝膠保溫材料與上述4種保溫材料的性能參數對比。

2 保溫材料經濟厚度的數學模型

2.1 墻體傳熱模型

對于墻體傳熱，傳熱量Q計算公式由式（1）簡化計算：

式中：U——復合墻體總傳熱系數，W/（m2·K）；

Ti——室內基準溫度，制冷和供熱的設計溫度分別為26℃和18℃；

Tmd——日平均溫度，℃。

外墻單位面積的熱損失量按式（2）計算：

Qan=86 400U·DD（2）

式中：DD——度日，℃·d，分為空調度日數CDD*和采暖度日數HDD*，計算公式如式（3）[10]：

式中：EER、ηh——分別為制冷和采暖系統能效比，HDD*和CDD*可參考上海市典型年氣象參數。

年耗能Ean按式（4）計算：

式中：η——系統熱損失效率。

添加保溫材料復合墻體的總傳熱系數U按式（5）計算：

式中：Riaf、Roaf、Rw——分別為內、外表面換熱熱阻及基層墻體熱阻，m2·K/W；

Rim——保溫材料熱阻，m2·K/W，Rim=δim/kim；δim——保溫材料的厚度，mm；kim——保溫材料的導熱系數，W/（m·K）。

因此復合墻體的總傳熱系數可簡化為式（6）：

式中：Rwt——未添加保溫材料的外墻總熱阻，m2·K/W，為Riaf、Roaf、Rw之和。

由上分析，燃料能源消耗maf按式（7）計算：

式中：μf——燃料能源的熱值，根據燃料種類取值，J/kg、J/m3或J/（kW·h）。

2.2 經濟厚度的計算

P1-P2法[11]被研究者廣泛運用來評價不同外墻保溫材料的經濟性，全壽命周期能量P1可由貼現系數PWF確定，貼現系數與銀行貼現利率、通貨膨脹率及材料使用壽命等參數有關，P2為全生命周期支出比率，與材料使用壽命、初投資費用、利率等因素有關。

保溫材料的投資費用計算按式（8）計算：

式中：Cim——保溫材料的價格，元/m3；

δim——材料厚度，mm。

由此可得出計算隔熱保溫總投資費用的計算式如式（9）：

式中：i——通貨膨脹利率；

d——貼現率；

Ne——材料使用壽命。

因此，根據式（9）可得到保溫材料的總投資費用對材料厚度的微分方程，則可得到經濟厚度doim的計算公式如式（10）：

因此，根據經濟厚度的分析計算，可得出外墻保溫材料的投資回收期及經濟收益，其中經濟收益定義為添加保溫材料的總投資費用與沒有添加隔熱保溫材料的總費用的差值。

3 計算結果與討論

計算參數：以民用居住建筑墻體為例，氣凝膠保溫材料使用壽命計算時取30年，民用電價取0.67元/（kW·h），通貨膨脹利率i=1.4%，市場貼現率d=5%，基體墻體熱阻Rwt取值在0.4～0.9 K·m2/W，采暖度日數HDD*和空調度日數CDD*可參考夏熱冬冷地區的上海市典型年氣象參數得到，根據設計規范可知，夏熱冬冷地區墻體內、外表面換熱熱阻分別為0.11 m2·K/W和0.05 m2·K/W。

3.1 經濟厚度、投資費用及經濟收益

根據夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準，復合墻體的傳熱系數和熱惰性指標應滿足限制范圍要求，因此，保溫材料需達到一定的保溫厚度。

當保溫材料的厚度在0～0.04 m內，傳熱系數隨保溫材料厚度的增加迅速減小，當保溫材料厚度大于0.1 m時，5種外墻保溫材料組成的復合墻體的傳熱系數趨于穩定，這說明當保溫材料厚度超過一定值時，繼續增加保溫材料厚度，傳熱系數變化不大，隔熱保溫效果改善不明顯，且增加了保溫材料的投資費用，因此選擇合適的保溫材料及厚度能有效減少初始投資。

隨著保溫材料厚度的增大，能源費用逐漸減小，而材料費用線性增加，且當材料厚度增大到一定值時，能源費用趨于穩定，投資總費用為能源費用與材料費用的總和，先減小后增大，因此，存在使投資總費用最小的最佳保溫層厚度即經濟厚度，當使用厚度大于或者小于這一保溫層厚度時，總投資費用都相應增加。以XPS為例，其經濟厚度約為0.063 m。

在相同基層墻體的情況下，材料經濟厚度由大到小分別為EPS、XPS、玻璃纖維棉、聚氨酯泡沫、氣凝膠保溫材料，分別為81、63、54、48及9 mm，氣凝膠保溫材料的經濟厚度明顯小于其它幾種常用保溫材料，且都滿足夏熱冬冷地區節能設計標準規定的熱工性能限制值。而針對同種保溫材料，最大經濟收益值出現在其經濟厚度的位置，說明外墻保溫材料使用經濟厚度能獲得最大經濟收益，且氣凝膠保溫材料在經濟厚度時的經濟收益明顯小于常用保溫材料。因此將氣凝膠保溫材料應用在墻體隔熱保溫上可有效節省原材料厚度，減少墻體占用面積，但其全壽命投資回收期明顯長于常用保溫材料的2～3年，高達8.3年，這與氣凝膠保溫材料目前價格較高有關，因此在一定程度上限制了氣凝膠保溫材料在建筑工程中的應用。

3.2 溫室氣體排放量計算與分析

3.2.1 溫室氣體排放量的計算

墻體隔熱保溫材料的應用不僅需要考慮原材料價格、投資費用、施工方便等因素，還需考慮隔熱保溫中燃料能源對大氣環境的影響。溫室氣體CO2和SO2排放量的多少作為衡量大氣環境好壞的重要指標，在建筑工程領域中逐漸加大重視。隨著保溫材料厚度的增加，復合墻體熱損失逐漸減小，同時保溫材料厚度的增大使消耗的燃料能源有效減小，有利于減少溫室氣體CO2、SO2的排放，但保溫材料厚度的增加使得投資費用增大，因此為達到隔熱保溫的目的，選擇適當的保溫材料厚度能有效減少溫室氣體CO2和SO2的排放，合理減少初始投資費用。

燃料能源燃燒的化學方程式一般計算式[8]：

式（11）中各元素的常數項按平衡方程式確定，其中X、Y、Z可根據氧元素平衡得到，分別為Erdem給出了不同燃料能源種類的分子式的x、y、z、p、q的取值[8]。溫室氣體CO2、SO2的排放量可按式（12）、式（13）計算：

式中：Mf=12x+y+16z+32q+14p，為燃料分子質量。

3.2.2 溫室氣體CO2、SO2排放量分析

外墻保溫材料廠家建議對于不同保溫材料，不同燃料能源所產生的溫室氣體排放量都隨保溫材料厚度的增加而減小，且厚度在0～0.01 m時，減小趨勢更快，然后趨于穩定；當保溫層厚度相同時，燃料能源的溫室氣體CO2、SO2排放量由多到少分別為EPS、XPS、玻璃纖維棉、聚氨酯泡沫、氣凝膠保溫材料，而且隨著保溫材料厚度的增加，使用氣凝膠外墻保溫材料的燃料能源的溫室氣體排放量較其它常用保溫材料減小趨勢快，且產生的溫室氣體排放量明顯小于其它常用保溫材料。相同基層墻體結構，且采用相同厚度的保溫材料，使用氣凝膠外墻保溫材料能有效減少CO2和SO2氣體的排放量，在一定程度上減少溫室效應及酸雨的形成，進一步說明氣凝膠外墻保溫材料的使用較其它常用保溫材料對環境更有利。

3.3 氣凝膠材料價格與氣凝膠保溫材料的經濟性

保溫材料的價格直接影響其在建筑工程領域的使用和初始投資費用，因此影響外墻保溫材料廠家的施工成本。目前，氣凝膠保溫材料的價格明顯高于其它常用保溫材料，這是氣凝膠保溫材料性能好但又未能在建筑工程領域廣泛應用的主要原因，隨著氣凝膠保溫材料低成本制備工藝的發展及市場規模的擴大，氣凝膠保溫材料價格將顯著降低。

以天然氣燃料能源為例，當氣凝膠保溫材料價格從15 000元/m3降低到6000元/m3時，經濟厚度從0.0033 m增大到0.0093 m，經濟收益從22.61元/m2增大到73.3元/m2。而在經濟厚度處的投資費用從205.3元/m2降低到154.8元/m2，回收期從15.78年減少到8.93年，CO2排放量從8.97 kg/m2減少到5.67 kg/m2。隨著氣凝膠保溫材料價格的降低，經濟厚度和收益隨之增大，而投資總費用、投資回收期以及溫室氣體排放量都隨之減小，雖然氣凝膠外墻保溫材料的經濟厚度有所增大，但仍明顯小于常用保溫材料的經濟厚度及實際工程中的使用厚度，方便建筑工程領域施工，表明新型氣凝膠外墻保溫材料在價格持續降低后的經濟和環境效益顯著，降低氣凝膠材料價格是促進氣凝膠保溫材料建筑節能應用的重要動力。

另外，當煤作為燃料能源時，與其它燃料能源相比，雖然保溫材料經濟厚度較小、而投資回收期較長，且SO2氣體排放量多，這與煤的熱值及效率低等有關，因此考慮環保節能等因素，煤不適合用作為夏熱冬冷地區保溫材料的燃料能源，應優先選擇天然氣及液化石油氣等燃料能源。

4 結語

（1）墻體隔熱保溫投資總費用隨保溫材料厚度的增大先減少后增大，存在使總費用最小的經濟厚度。當能源為電時，XPS、EPS、聚氨酯泡沫、玻璃纖維棉常用保溫材料和氣凝膠保溫材料的經濟厚度分別為63、81、48、54及9 mm，新型氣凝膠保溫材料具有最小的經濟厚度。

（2）受氣凝膠保溫材料目前價格高的影響，新型氣凝膠保溫材料的投資回收期較長，為8.3年。

（3）隨著氣凝膠保溫材料成本的降低，經濟厚度和經濟收益明顯增大，而總投資費用、回收期以及溫室氣體排放量隨之減小，具有顯著的的經濟和環境效益，因此降低氣凝膠保溫材料價格是促進氣凝膠建筑保溫節能應用的重要動力。

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