建筑节能设计优化研究

主要分析了EPS保温节能材料的性能，基于EPS板性能，对其厚度和防火安全性进行讨论，指出厚度为40mm的EPS板既能满足建筑节能的要求，而且性价比最高。自20世纪70年代以来，石油危机引起了全世界对能源问题的关注，并被视为人类生存的四大难题之一。随着经济的发展，能源问题逐渐凸显，常规能源日益枯竭。为此，“节能”开始成为应对能源危机的重要对策。在全社会总能耗当中，建筑能耗所占比例可达到11%~30%[1-3]，是能耗比例非常高的行业。20世纪80年代，我国着手对建筑节能设计进行研究，并且备受国内企业和科研单位关注。我国2008年的建筑耗能（6.6亿t标准煤）大约是1996年建筑耗能（2.6亿t标准煤）的2.5倍。

随着我国经济不断发展，城镇建筑面积也不断增加，伴随而来的是建筑能耗的不断增加。1996年我国北方地区建筑面积为23.8亿m2，2002年建筑面积突破50亿m2，并且还在不断增加，而2008年建筑面积已经达到88.2亿m2（此时采暖耗能所占建筑总能耗的比例已达20%以上），仅仅13年间建筑面积扩大了近3倍[3]。因此，建筑节能设计优化已经成为当前我国甚至是全世界重要的课题。目前，实现建筑节能最重要的手段是建筑保温技术，而建筑保温技术最关键的就是保温节能体系的设计、开发、优化以及材料的选用[4-6]。常用的建筑节能材料包括两类：无机保温材料，如岩棉、泡沫陶瓷、泡沫水泥、膨胀珍珠岩等；有机保温材料，聚苯乙烯泡沫（EPS）、挤塑聚苯乙烯泡沫（XPS）、酚醛泡沫（PF）、硬泡聚氨酯（PU）等[7]。由于无机保温材料的导热系数偏大，保温节能效果不理想，达不到建筑节能的要求，因此有机建筑节能保温材料逐渐被应用于建筑中。其中，EPS是我国节能建筑应用最多的有机泡沫类材料。

1EPS板性能分析

EPS板的原材料是聚苯乙烯树脂，加入发泡剂、阻燃剂等添加剂，经过加热预发泡，在模具中加热而制成具有不同表观密度的闭孔结构的硬质EPS板[8-9]。EPS板具有显著的节能保温优点：质轻、导热系数低（保温效果好）、抗潮湿、密度低、易加工、价格便宜、施工性较好、隔声效果良好，环保和可再循环利用等，因此成为目前使用最多的建筑保温材料。

（1）吸水性。EPS特有的内部结构致使其具有较强的抗潮湿能力。研究表明：EPS即使被埋在地下饱水层几年其吸水量也不会超过10%；除汽油外，绝大多数溶剂对EPS影响不大[10]。因此，EPS具有较好的抗老化能力。（2）密度。EPS材料的密度低，具有质量轻的优点，这对于建筑保温节能具有重要意义。EPS的密度一般为18~30kg/m3（表1），其密度大小取决于树脂的膨胀倍数[11]，相比较而言，PF泡沫板、PU硬质泡沫的密度更低。（3）保温隔热性（导热系数）。由于EPS内部空腔结构，使得这种材料具有低的导热系数。研究表明：EPS的导热系数与含水率存在正相关关系，当EPS含水率为1%时，导热系数大约增大5%；当含水率为5%时，导热系数最大可增大75%[12]。但由于EPS吸水率低，具有较好的抗潮湿能力，因此，EPS仍具有较好的保温隔热性。

2建筑节能优化设计

2.1EPS板厚度设计

导热系数K值是指在稳定传热条件下，当墙体内外两侧温差为1℃时，单位时间内通过单位面积所传递的热量值[15]。导热系数和材料密切相关。保温节能材料的厚度变化对墙体导热系数具有差别。不同厚度的保温层EPS对同一个墙体的导热系数K和热惰性指数D值具有一定的影响。据孙海萍[15]研究，随着EPS保温材料厚度的增加，墙体导热系数K值的下降速率减低，见表2和表3[16]。从表2和表3可以看出，随着保温材料厚度的增加，热惰性指数值稳步上升（几乎恒定为0.085），而墙体导热系数值下降速率不断减小。

当保温材料厚度由45mm增加至50mm时，墙体导热系数降幅不到0.05。当保温材料EPS厚度达到一定限值之后，即使厚度继续增加，不仅其表现出的保温效果也不会很明显，而且投资额度将会上升。根据我国建设部发布的《中国建筑技术政策》中关于建筑节能应达到65%的要求，结合上述分析，当EPS保温节能材料厚度为40mm时，墙体导热系数为0.635W/(m2•K)，满足建筑节能的要求，并且节省了保温材料过厚造成的不必要投资。

2.2EPS板防火设计

建筑节能是当前建筑行业关注的热点课题，在节能的同时建筑材料的防火安全性也十分重要。在国内外由于建筑保温节能材料防火安全性问题引发的火灾事件并不在少数。因此，节能与防火安全应该“一手抓”，二者并重。EPS板的阻燃性为B2级，但是综合性能上仍存在一定的安全隐患。发生火灾时火焰从建筑窗口涌出，直接接触保温系统，未直接接触的地方受到热传递，最后内部空气发生膨胀[17]。针对火灾发生时的建筑保温系统的这些状态，提出关于提高建筑保温材料防火性能的优化设计。

（1）从EPS板本体角度，在制备过程中添加阻燃剂，从而提高材料本身的防火安全性，EPS所用阻燃剂有如下种类：卤系阻燃剂，具有强的阻燃能力，种类多样，包括：十溴二苯醚、氯化石蜡、四溴邻苯二甲酰亚胺等等，目前通过一些学者的研究已经取得较好的效果[18]；无机阻燃剂，阻燃效率不高，常常要和其他阻燃剂配合才能达到较好的效果；膨胀阻燃剂，包括三类组成物质：酸源、气源和碳源，郑宝明等[19]研究表明，膨胀阻燃剂具有较好的阻燃效率；黏土类阻燃剂为最近使用的新型阻燃剂，包括：斑脱石、蒙脱石等等层状黏土矿物。这些阻燃剂的添加使得EPS具有较强的阻燃能力，提高了保温系统的防火安全性能。

（2）从保温系统的构造体系角度，通过对保温节能系统进行优化，从而达到提高防火安全的目的。具体采取什么措施取决于火灾时保温节能系统的稳固性和减缓或阻碍火灾扩散的能力。具体可采用的措施：防火隔离带，在墙体外部设置呈条带状的防火构造物，起到阻止火焰扩散的作用；挡火梁，在窗口设置隔火装置，起到将火焰与内部EPS板隔离的效果；采用金属固件固定，起到稳固保温层外的保护层作用。在EPS板的表层涂抹具有良好阻燃性的材料（图1），比如涂抹水泥灰或用石膏板包覆等。RalphMatalon[20]提出用一种具有特殊性质的材料，将其涂抹在EPS上形成隔热甚至到达绝热效果的保护层，从而达到阻燃的效果。与此同时，在EPS板外层涂覆这种特殊性质的材料，能阻碍热量和气流发生交换，进而达到保温节能的效果。有关实验表明：在厚度为120mm的EPS板上涂抹1mm厚的绝热材料后，其被破坏的时间由原先的1min延长至5min，在EPS板表层形成了隔热炭层[21]。

3结语

当前，能源问题日益凸显，节能开始成为应对能源危机的重要对策，而建筑能耗占整个社会总能耗的比例相当高。因此，建筑节能是建筑业持续发展的一个重要环节。建筑保温节能技术和保温材料的发展使得建筑节能效果越来越明显。为进一步提高建筑节能的效率，对EPS板的保温系统进行了优化，当EPS板厚度为40mm时，墙体导热系数为0.635W/(m2•K)，满足建筑节能的要求，此时性价比最高。