外墙保温材料厂家为你解析外墙保温材料的经济性

目前建筑外墙保温材料厂生产的产品种类多样化，EPS、XPS、聚氨酯等有机材料易燃、易老化、耐热性差、燃烧时释放大量热量，并产生有毒气体等缺点；岩棉、玻璃棉等无机材料存在在使用过程中易产生大量粉尘和细小纤维，对人体健康造成严重危害等缺点，限制了常用保温材料在建筑工程领域中的应用，今天外墙保温材料厂家永鹏就来为大家讲解一下5种外墙保温材料的经济性。

1 墙体结构与保温材料参数

1.1 复合墙体构造

夏热冬冷地区常见复合墙体简单构造形式，由内到外构成部分依次为：内抹灰、基层墙体、隔热保温层和外抹灰。常见的复合墙体组合类型及其性能参数见表1，夏热冬冷地区常用的基层墙体主要有混凝土双排空心砌块、空心砌块、钢筋混凝土等基层墙体。

保温材料的热阻占复合墙体总热阻的主要部分。当基层墙体构造相同时，复合墙体的传热系数主要取决于隔热保温材料的性能。对于夏热冬冷地区，当建筑体形系数≤0.4时，在满足夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》以及GB 50176—2015《民用建筑热工设计规范》，外墙传热系数K及热惰性指标D可基于夏热冬冷地区建筑节能50%的目标得出。

1.2 保温材料类型及性能参数

目前常用建筑保温材料主要有XPS、EPS、聚氨酯泡沫、玻璃纤维棉等保温材料，而新型气凝胶保温材料主要包括气凝胶板、气凝胶毡、气凝胶玻璃等，目前国内对气凝胶保温材料的研究处于实验研究阶段，表2为气凝胶保温材料与上述4种保温材料的性能参数对比。

2 保温材料经济厚度的数学模型

2.1 墙体传热模型

对于墙体传热，传热量Q计算公式由式（1）简化计算：

式中：U——复合墙体总传热系数，W/（m2·K）；

Ti——室内基准温度，制冷和供热的设计温度分别为26℃和18℃；

Tmd——日平均温度，℃。

外墙单位面积的热损失量按式（2）计算：

Qan=86 400U·DD（2）

式中：DD——度日，℃·d，分为空调度日数CDD*和采暖度日数HDD*，计算公式如式（3）[10]：

式中：EER、ηh——分别为制冷和采暖系统能效比，HDD*和CDD*可参考上海市典型年气象参数。

年耗能Ean按式（4）计算：

式中：η——系统热损失效率。

添加保温材料复合墙体的总传热系数U按式（5）计算：

式中：Riaf、Roaf、Rw——分别为内、外表面换热热阻及基层墙体热阻，m2·K/W；

Rim——保温材料热阻，m2·K/W，Rim=δim/kim；δim——保温材料的厚度，mm；kim——保温材料的导热系数，W/（m·K）。

因此复合墙体的总传热系数可简化为式（6）：

式中：Rwt——未添加保温材料的外墙总热阻，m2·K/W，为Riaf、Roaf、Rw之和。

由上分析，燃料能源消耗maf按式（7）计算：

式中：μf——燃料能源的热值，根据燃料种类取值，J/kg、J/m3或J/（kW·h）。

2.2 经济厚度的计算

P1-P2法[11]被研究者广泛运用来评价不同外墙保温材料的经济性，全寿命周期能量P1可由贴现系数PWF确定，贴现系数与银行贴现利率、通货膨胀率及材料使用寿命等参数有关，P2为全生命周期支出比率，与材料使用寿命、初投资费用、利率等因素有关。

保温材料的投资费用计算按式（8）计算：

式中：Cim——保温材料的价格，元/m3；

δim——材料厚度，mm。

由此可得出计算隔热保温总投资费用的计算式如式（9）：

式中：i——通货膨胀利率；

d——贴现率；

Ne——材料使用寿命。

因此，根据式（9）可得到保温材料的总投资费用对材料厚度的微分方程，则可得到经济厚度doim的计算公式如式（10）：

因此，根据经济厚度的分析计算，可得出外墙保温材料的投资回收期及经济收益，其中经济收益定义为添加保温材料的总投资费用与没有添加隔热保温材料的总费用的差值。

3 计算结果与讨论

计算参数：以民用居住建筑墙体为例，气凝胶保温材料使用寿命计算时取30年，民用电价取0.67元/（kW·h），通货膨胀利率i=1.4%，市场贴现率d=5%，基体墙体热阻Rwt取值在0.4～0.9 K·m2/W，采暖度日数HDD*和空调度日数CDD*可参考夏热冬冷地区的上海市典型年气象参数得到，根据设计规范可知，夏热冬冷地区墙体内、外表面换热热阻分别为0.11 m2·K/W和0.05 m2·K/W。

3.1 经济厚度、投资费用及经济收益

根据夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准，复合墙体的传热系数和热惰性指标应满足限制范围要求，因此，保温材料需达到一定的保温厚度。

当保温材料的厚度在0～0.04 m内，传热系数随保温材料厚度的增加迅速减小，当保温材料厚度大于0.1 m时，5种外墙保温材料组成的复合墙体的传热系数趋于稳定，这说明当保温材料厚度超过一定值时，继续增加保温材料厚度，传热系数变化不大，隔热保温效果改善不明显，且增加了保温材料的投资费用，因此选择合适的保温材料及厚度能有效减少初始投资。

随着保温材料厚度的增大，能源费用逐渐减小，而材料费用线性增加，且当材料厚度增大到一定值时，能源费用趋于稳定，投资总费用为能源费用与材料费用的总和，先减小后增大，因此，存在使投资总费用最小的最佳保温层厚度即经济厚度，当使用厚度大于或者小于这一保温层厚度时，总投资费用都相应增加。以XPS为例，其经济厚度约为0.063 m。

在相同基层墙体的情况下，材料经济厚度由大到小分别为EPS、XPS、玻璃纤维棉、聚氨酯泡沫、气凝胶保温材料，分别为81、63、54、48及9 mm，气凝胶保温材料的经济厚度明显小于其它几种常用保温材料，且都满足夏热冬冷地区节能设计标准规定的热工性能限制值。而针对同种保温材料，最大经济收益值出现在其经济厚度的位置，说明外墙保温材料使用经济厚度能获得最大经济收益，且气凝胶保温材料在经济厚度时的经济收益明显小于常用保温材料。因此将气凝胶保温材料应用在墙体隔热保温上可有效节省原材料厚度，减少墙体占用面积，但其全寿命投资回收期明显长于常用保温材料的2～3年，高达8.3年，这与气凝胶保温材料目前价格较高有关，因此在一定程度上限制了气凝胶保温材料在建筑工程中的应用。

3.2 温室气体排放量计算与分析

3.2.1 温室气体排放量的计算

墙体隔热保温材料的应用不仅需要考虑原材料价格、投资费用、施工方便等因素，还需考虑隔热保温中燃料能源对大气环境的影响。温室气体CO2和SO2排放量的多少作为衡量大气环境好坏的重要指标，在建筑工程领域中逐渐加大重视。随着保温材料厚度的增加，复合墙体热损失逐渐减小，同时保温材料厚度的增大使消耗的燃料能源有效减小，有利于减少温室气体CO2、SO2的排放，但保温材料厚度的增加使得投资费用增大，因此为达到隔热保温的目的，选择适当的保温材料厚度能有效减少温室气体CO2和SO2的排放，合理减少初始投资费用。

燃料能源燃烧的化学方程式一般计算式[8]：

式（11）中各元素的常数项按平衡方程式确定，其中X、Y、Z可根据氧元素平衡得到，分别为Erdem给出了不同燃料能源种类的分子式的x、y、z、p、q的取值[8]。温室气体CO2、SO2的排放量可按式（12）、式（13）计算：

式中：Mf=12x+y+16z+32q+14p，为燃料分子质量。

3.2.2 温室气体CO2、SO2排放量分析

外墙保温材料厂家建议对于不同保温材料，不同燃料能源所产生的温室气体排放量都随保温材料厚度的增加而减小，且厚度在0～0.01 m时，减小趋势更快，然后趋于稳定；当保温层厚度相同时，燃料能源的温室气体CO2、SO2排放量由多到少分别为EPS、XPS、玻璃纤维棉、聚氨酯泡沫、气凝胶保温材料，而且随着保温材料厚度的增加，使用气凝胶外墙保温材料的燃料能源的温室气体排放量较其它常用保温材料减小趋势快，且产生的温室气体排放量明显小于其它常用保温材料。相同基层墙体结构，且采用相同厚度的保温材料，使用气凝胶外墙保温材料能有效减少CO2和SO2气体的排放量，在一定程度上减少温室效应及酸雨的形成，进一步说明气凝胶外墙保温材料的使用较其它常用保温材料对环境更有利。

3.3 气凝胶材料价格与气凝胶保温材料的经济性

保温材料的价格直接影响其在建筑工程领域的使用和初始投资费用，因此影响外墙保温材料厂家的施工成本。目前，气凝胶保温材料的价格明显高于其它常用保温材料，这是气凝胶保温材料性能好但又未能在建筑工程领域广泛应用的主要原因，随着气凝胶保温材料低成本制备工艺的发展及市场规模的扩大，气凝胶保温材料价格将显著降低。

以天然气燃料能源为例，当气凝胶保温材料价格从15 000元/m3降低到6000元/m3时，经济厚度从0.0033 m增大到0.0093 m，经济收益从22.61元/m2增大到73.3元/m2。而在经济厚度处的投资费用从205.3元/m2降低到154.8元/m2，回收期从15.78年减少到8.93年，CO2排放量从8.97 kg/m2减少到5.67 kg/m2。随着气凝胶保温材料价格的降低，经济厚度和收益随之增大，而投资总费用、投资回收期以及温室气体排放量都随之减小，虽然气凝胶外墙保温材料的经济厚度有所增大，但仍明显小于常用保温材料的经济厚度及实际工程中的使用厚度，方便建筑工程领域施工，表明新型气凝胶外墙保温材料在价格持续降低后的经济和环境效益显著，降低气凝胶材料价格是促进气凝胶保温材料建筑节能应用的重要动力。

另外，当煤作为燃料能源时，与其它燃料能源相比，虽然保温材料经济厚度较小、而投资回收期较长，且SO2气体排放量多，这与煤的热值及效率低等有关，因此考虑环保节能等因素，煤不适合用作为夏热冬冷地区保温材料的燃料能源，应优先选择天然气及液化石油气等燃料能源。

4 结语

（1）墙体隔热保温投资总费用随保温材料厚度的增大先减少后增大，存在使总费用最小的经济厚度。当能源为电时，XPS、EPS、聚氨酯泡沫、玻璃纤维棉常用保温材料和气凝胶保温材料的经济厚度分别为63、81、48、54及9 mm，新型气凝胶保温材料具有最小的经济厚度。

（2）受气凝胶保温材料目前价格高的影响，新型气凝胶保温材料的投资回收期较长，为8.3年。

（3）随着气凝胶保温材料成本的降低，经济厚度和经济收益明显增大，而总投资费用、回收期以及温室气体排放量随之减小，具有显著的的经济和环境效益，因此降低气凝胶保温材料价格是促进气凝胶建筑保温节能应用的重要动力。

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