泡沫混凝土屋面節(jié)能研究與經(jīng)濟(jì)性分析

楊思敏， 鄒祖緒

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023)

泡沫混凝土屋面節(jié)能研究與經(jīng)濟(jì)性分析

楊思敏， 鄒祖緒*

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023)

借助DeST-h能耗模擬軟件，采用倒置式平屋面形式，以武漢某居民住宅為例,模擬共29組不同厚度的聚苯乙烯泡沫保溫板(EPS)與泡沫混凝土作為保溫材料的屋面的住宅能耗，通過(guò)計(jì)算并比較其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，評(píng)估其節(jié)能潛力.模擬結(jié)果得出，相較于EPS保溫屋面，泡沫混凝土保溫屋面在投資成本更低的情況下，其產(chǎn)生的節(jié)能效益更好，凈現(xiàn)值更高，保溫優(yōu)勢(shì)明顯.其次，以普通鋼筋混凝土屋面為基準(zhǔn)，比較泡沫混凝土屋面的幾組不同厚度的能耗，驗(yàn)證其節(jié)能效果；同樣以凈現(xiàn)值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，借助Minitab16軟件對(duì)其進(jìn)行曲線擬合，通過(guò)計(jì)算分析得出了泡沫混凝土屋面的最佳經(jīng)濟(jì)厚度,為泡沫混凝土作為建筑節(jié)能屋面材料的進(jìn)一步發(fā)展提供有力的依據(jù).圖5,表5,參9.

泡沫混凝土；屋面節(jié)能；聚苯乙烯泡沫保溫板；經(jīng)濟(jì)性

我國(guó)目前正處在建筑節(jié)能的重要時(shí)期，每年建成房屋面積高達(dá)16～20億m2.然而，現(xiàn)今既有建筑和新建建筑中95%以上為高耗能建筑，能夠達(dá)到采暖建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的不足21.8億m2，其中僅占全部城鄉(xiāng)建筑面積的0.8%[1].因此建筑節(jié)能是我國(guó)節(jié)能工作的重要內(nèi)容，要實(shí)現(xiàn)在2020年新建建筑節(jié)能65%的目標(biāo)，建筑節(jié)能工作任務(wù)艱巨而繁重[2].在建筑耗能來(lái)看，外墻和屋面處的熱橋耗能占到較大比例，目前對(duì)于其保溫隔熱性能的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，導(dǎo)熱系數(shù)較低的保溫材料被開發(fā)出來(lái)，如聚苯乙烯泡沫保溫板(EPS)、模塑聚苯乙烯保溫板、擠塑聚苯乙烯保溫板等有機(jī)材料.如今，我國(guó)的大部分工程中，應(yīng)用較為普遍的是聚苯烯泡沐保溫板(EPS).

EPS板由于其接縫多，當(dāng)防水層有滲漏時(shí)會(huì)沿著接縫串水，不容易找到滲漏點(diǎn)，不易維修.且其材料本身存在易燃、易老化、強(qiáng)度低、吸水率高等問(wèn)題[3].使得對(duì)屋面采取的節(jié)能措施并沒有達(dá)到預(yù)期的效果.

泡沫混凝土又被稱為發(fā)泡混凝土、發(fā)泡水泥，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)已發(fā)展多年，技術(shù)與市場(chǎng)都相當(dāng)成熟.作為建筑節(jié)能材料發(fā)泡混凝土被廣泛應(yīng)用于：屋頂保溫隔熱、地暖工程、室內(nèi)外墊層、室內(nèi)外保溫、非承重墻體、新型節(jié)能磚、抗震、隔音等建筑工程領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[4].發(fā)泡混凝土被應(yīng)用于屋面保溫的時(shí)間比較早，與其它保溫材料相比有許多技術(shù)優(yōu)勢(shì).即優(yōu)良的保溫隔熱性能、良好的隔聲性能、質(zhì)量輕、強(qiáng)度較高、良好的粘結(jié)性能和耐久性能等[5,6].

國(guó)內(nèi)目前大部分針對(duì)泡沫混凝土的研究都在其構(gòu)造、施工工藝、質(zhì)量、傳熱系數(shù)對(duì)能耗的影響等問(wèn)題上，對(duì)其作為屋面保溫材料經(jīng)濟(jì)厚度的研究較少.該文借助DeST-h能耗模擬軟件，結(jié)合武漢東西湖區(qū)某6層住宅建筑實(shí)例，采用倒置式平屋面形式，通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)M進(jìn)行研究.首先分析并比較EPS屋面與泡沫混凝土屋面的節(jié)能潛力；其次，以普通鋼筋混凝土屋面為基準(zhǔn)，比較泡沫混凝土屋面的幾組不同厚度的能耗，驗(yàn)證其節(jié)能效果，并借助Minitab16軟件得出較經(jīng)濟(jì)的保溫屋面的厚度.為泡沫混凝土作為建筑節(jié)能屋面材料進(jìn)一步發(fā)展提供有力的依據(jù).

1 建筑屋面經(jīng)濟(jì)分析評(píng)價(jià)方法

運(yùn)用凈現(xiàn)值法來(lái)對(duì)住宅屋面厚度經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要用以下5個(gè)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行分析，即節(jié)能投資額、節(jié)能率、節(jié)能效益、方案投資費(fèi)用和凈現(xiàn)值.

1.1 節(jié)能投資額

節(jié)能投資額是指采取隔熱保溫技術(shù)的節(jié)能屋面與沒有使用使用保溫材料的非節(jié)能屋面相比較，節(jié)能屋面在建設(shè)期因采取節(jié)能措施所增加的投資.

ΔS=S1-S0

式中，ΔS為節(jié)能投資額；S1為節(jié)能屋面投資；S0為非節(jié)能屋面投資.

1.2 節(jié)能率

節(jié)能率是反映能源節(jié)約程度的相對(duì)指標(biāo)，是節(jié)能量與相對(duì)應(yīng)的比較期可比能耗量之百分比.

式中，e為節(jié)能率；Ed1非節(jié)能屋面全年累計(jì)冷熱負(fù)荷；Ed2為節(jié)能屋面全年累計(jì)冷熱負(fù)荷.

1.3 年節(jié)能收益

節(jié)能屋面的年節(jié)能收益是通過(guò)建筑在運(yùn)行過(guò)程中所節(jié)約的能耗成本來(lái)確定.武漢屬于夏熱冬冷地區(qū)，主要是依靠電力來(lái)進(jìn)行取暖和制冷，計(jì)算過(guò)程中能耗量通過(guò)DeST-h軟件得出.

因此，節(jié)能建筑年節(jié)能收益現(xiàn)值為：

式中，ΔA為年節(jié)能收益率現(xiàn)值；Cf為地方電價(jià)(武漢地區(qū)電價(jià)為0.6元/(kw·h))；ic為折現(xiàn)率，取2.4%;t為第t年.

1.4 方案投資費(fèi)用

研究各模擬方案投資費(fèi)用以2013版《湖北省建筑工程計(jì)價(jià)定額》、《湖北省建設(shè)工程工程量清單計(jì)價(jià)定額》、《湖北省建筑裝飾工程計(jì)價(jià)定額》、《湖北省安裝工程計(jì)價(jià)定額》為依據(jù)，同時(shí)參考相關(guān)材料的市場(chǎng)定價(jià)，用廣聯(lián)達(dá)計(jì)價(jià)軟件GBQ得出各模擬屋面方案的單方預(yù)算價(jià)格.

1.5 凈現(xiàn)值

凈現(xiàn)值(NPV)是指將方案各期所發(fā)的凈現(xiàn)金流量按既定的折現(xiàn)率(基準(zhǔn)收益率)統(tǒng)一折算為現(xiàn)值(計(jì)算期起點(diǎn)的值)的代數(shù)和.它是工程經(jīng)濟(jì)中反應(yīng)投資方案盈利能力的重要的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)之一.在方案比選過(guò)程中，當(dāng)NPV=0時(shí)，表示該方案的投資可以收獲投資資金且恰好取得既定的收益率，方案勉強(qiáng)可行；當(dāng)NPV>0時(shí)，表明該方案不僅收回了投資而且取得了比既定收益率更高的收益，其超額部分的現(xiàn)值就是NPV值，這時(shí)方案可行；當(dāng)NPV<0時(shí)，表明該方案不能達(dá)定的收益率甚至不能收回投資，方案不可行[7].其計(jì)算表達(dá)式為：

式中，n為建筑屋面設(shè)計(jì)壽命；Res為殘值的折現(xiàn)值(在目前技術(shù)條件下保濕材料還未得到較好的回收利用，取其殘值率為0)；當(dāng)NPV≥0，說(shuō)明節(jié)能屋面具有經(jīng)濟(jì)合理，NPV越大，說(shuō)明節(jié)能屋面經(jīng)濟(jì)凈收益越好，其經(jīng)濟(jì)性越好.

2 建筑模型

研究建筑模型為結(jié)構(gòu)住宅，建筑層數(shù)為6層，層高3 m，共三單元，每單元每層2戶，均為兩室一廳一廚一衛(wèi)帶一存儲(chǔ)間，總建筑空調(diào)面積為3961m2.正南北朝向，樓梯間不采暖，根據(jù)武漢夏熱冬冷氣候條件，設(shè)定其采暖期為75 d(11月15日到次年3月1日)，空調(diào)期為105d(5月15日到次年10月1日)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)圖紙得出建筑體形系數(shù)為0.292，窗墻比南向?yàn)?.345,、北向?yàn)?.239.模型如圖1所示.泡沫混凝土、EPS為自保溫材料，與建筑同壽命，計(jì)算期為50年.因?yàn)樽≌ㄟ^(guò)屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)損失的熱量?jī)H由頂層住戶的屋面承擔(dān)，所以該文只研究頂層住戶全年的能耗模擬情況.

圖1 模擬模型建筑平面圖Fig.1 Building Plans of Analogy Model

為突出泡沫混凝土的節(jié)能效果，筆者先對(duì)比了29組不同厚度泡沫混凝土和EPS板作為屋面保溫材料的建筑能耗情況；再以未添加保溫材料的普通鋼筋混凝土屋面為基準(zhǔn)，模擬不同厚度泡沫混凝土保溫屋面的節(jié)能效果，求出最佳經(jīng)濟(jì)厚度.保證全部對(duì)比模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的做法相同，所選材料及傳熱系數(shù)如表1所示.模型各方案屋面名稱及做法如表2所示.

表1 對(duì)比模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法極其傳熱系數(shù)

表2 各模擬屋面構(gòu)造

注：方案wm01～10為EPS保溫屋面，其保溫材料厚度為70、80、90、100、110、120、130、140、150、160mm.方案wm11～29為泡沫混凝土保溫屋面，其保溫材料厚度為200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、330、340、350、360 mm.模擬中保溫材料的厚度均以10 mm遞加.

3 能耗模擬與結(jié)果分析

3.1 DeST-h介紹以及模型的基本設(shè)置

DeST是由清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系開發(fā)的建筑環(huán)境模擬分析軟件，該軟件已通過(guò)傅立葉變換方法對(duì)建筑熱過(guò)程模擬具有較強(qiáng)的可靠性，可完成建筑物能耗預(yù)測(cè)、空調(diào)方案模擬等，對(duì)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、保證設(shè)計(jì)可靠性、保證建筑環(huán)境質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)作用.因此，該文借助DeST-h住宅建筑熱環(huán)境模擬工具包，在確定建筑描述、室外氣象條件、室內(nèi)熱擾量及室溫設(shè)定值的情況下，對(duì)該住宅的全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算[8].

室外氣象條件是按照DeST的操作方式(如圖2)，因?yàn)椴煌某鞘袝?huì)有不同的氣象條件， 根據(jù)所選城市的不同， DeST 會(huì)調(diào)用氣象數(shù)據(jù)生成程序計(jì)算當(dāng)?shù)氐娜曛饡r(shí)氣象參數(shù). 選擇了模型所在地理區(qū)域城市武漢，并基于軟件隨機(jī)氣象模型功能，使模擬過(guò)程中能較真實(shí)的反應(yīng)當(dāng)?shù)馗鞣N氣象數(shù)據(jù)變化狀況.

武漢屬于夏熱冬冷氣候區(qū)，并且是該氣候區(qū)的典型代表城市.模擬計(jì)算的室外計(jì)算氣象參數(shù)采用武漢市典型氣象年，根據(jù)該項(xiàng)目的地理位置和氣候條件，確定空調(diào)季為139 d，供暖季為107 d，具體設(shè)置見表3. 根據(jù)由衛(wèi)生部、國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局2002年頒布的《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[8]確定室溫參數(shù)設(shè)定值如表4，通過(guò)選擇房間類型確定其室內(nèi)熱擾量設(shè)置.不同房間類型其熱擾量參數(shù)設(shè)定是不同的，即人員的活動(dòng)強(qiáng)度、活動(dòng)時(shí)間，設(shè)備、燈光的發(fā)熱量及其時(shí)間分布不同.不同的內(nèi)擾會(huì)影響房間的自然室溫以及房間負(fù)荷的計(jì)算.該次模擬按照各房間類型默認(rèn)狀態(tài)設(shè)定熱擾量參數(shù)值.圖3(a,b)分別為主臥室、次臥室內(nèi)熱擾量設(shè)置.

圖2 武漢地理位置確定圖Fig.2 Determined of Wuhan geographic location

表3 空調(diào)季和供暖季的開始結(jié)束日期設(shè)置

表4 某建筑房間基本屬性設(shè)置

圖3 (a,b)房間類型定義窗口Fig.3 Room type definition window

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)以上的設(shè)置對(duì)選定建筑模擬表2所示的30種方案的全年冷熱負(fù)荷能耗，并對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，得到表5.如表5可知方案wm01～29凈現(xiàn)值都大于0，表明這些方案可行.經(jīng)計(jì)算其節(jié)能率均在50.79%～60.92%之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了武漢市2005年《地方居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[9]規(guī)定的改變建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)節(jié)能 25%左右的要求，且其中最大節(jié)能率為當(dāng)泡沫混凝土厚度達(dá)到380 mm時(shí)的60.92%，其所產(chǎn)生的年節(jié)能效益也是最大為19.76元/m2.說(shuō)明這些模擬方案的節(jié)能效果是可觀的. 然而，光考慮節(jié)能效果是不夠的，怎么在保證屋面好的節(jié)能效果的情況下實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的成本投資是該文研究的重點(diǎn).

表5 模擬屋面不同厚度經(jīng)濟(jì)性分析

1)經(jīng)濟(jì)性比較.首先比較29組不同保溫材料厚度EPS保溫板屋面和泡沫混凝土屋面的經(jīng)濟(jì)性. 由表5可知，EPS保溫屋面方案投資費(fèi)用普遍高于泡沫混凝土屋面方案投資費(fèi)用，且其中EPS最小方案投資費(fèi)用wm01聚苯板厚度為70 mm的250.37元/m2大于泡沫混凝土屋面最大方案投資費(fèi)用wm29泡沫混凝土為380 mm的247.43元/m2.而在經(jīng)濟(jì)性的比較中，投資費(fèi)用低的泡沫混凝土屋面卻擁有更大的凈現(xiàn)值：方案wm01～10中最大凈現(xiàn)值為wm10(聚苯板160 mm)的656.39元/m2小于方案wm11～29中的最小凈現(xiàn)值706.48元/m2.基于以上數(shù)據(jù)可得出結(jié)論：相較于EPS保溫板，泡沫混凝土作為屋面保溫材料在其投資成本更低的情況下產(chǎn)生了更高的節(jié)能效益，從而得到了更好的凈現(xiàn)值，表現(xiàn)出了更好的經(jīng)濟(jì)性，其節(jié)能效果的優(yōu)勢(shì)顯而易見.結(jié)合前文提到兩種材料在使用性上的對(duì)比可以看出，泡沫混凝土作為屋面保溫材料的使用優(yōu)于EPS聚苯板.

2)方案經(jīng)濟(jì)厚度分析與選擇.其次以無(wú)保溫材料的普通鋼筋混凝土屋面為基準(zhǔn)，比較不同厚度的泡沫混凝土屋面的冷熱負(fù)荷能耗，驗(yàn)證其節(jié)能效果.由表5中方案wm00、wm11～29的全年累計(jì)冷熱負(fù)荷得到圖4.通過(guò)看圖4冷熱負(fù)荷趨勢(shì)表可以看出相較于基準(zhǔn)無(wú)保溫措施屋面泡沫混凝保溫屋面熱負(fù)荷指標(biāo)有明顯降低，冷負(fù)荷的消耗量也有一定程度的減小，并且兩種負(fù)荷的消耗量隨著保溫材料厚度的增加而下降.根據(jù)表5統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，當(dāng)方案厚度達(dá)到350 mm(其初始投資為241.67元/m2)時(shí)凈現(xiàn)值最高，達(dá)到738.10元/m2，是該次模擬實(shí)驗(yàn)中最為經(jīng)濟(jì)的方案.

圖4 全年累計(jì)冷熱負(fù)荷消耗趨勢(shì)圖Fig.4 Annual cumulative cold and hot load consumption trend

然而，通過(guò)研究表5的數(shù)據(jù)可以看出并不是保溫材料厚度越高其凈現(xiàn)值就越高，厚度的增加意味著保溫成本也隨之增加.由于實(shí)驗(yàn)?zāi)M選取的保溫材料厚度的不連續(xù)，表5中的最大經(jīng)濟(jì)厚度只是一個(gè)接近值，故而該文通過(guò)MINITAB16軟件對(duì)不同厚度對(duì)應(yīng)的凈現(xiàn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合(見圖5)，得出二次擬合曲線,對(duì)其求導(dǎo)得出該曲線的最大值即本屋面模擬方案的最佳經(jīng)濟(jì)厚度為349.45 mm，其凈現(xiàn)值為737.40元/m2.

圖5 凈現(xiàn)值擬合曲線Fig.5 The value of net present fitting curve

4 結(jié) 論

運(yùn)用DeST-h能耗模擬軟件，結(jié)合武漢某6層住宅建筑實(shí)例，采用倒置式平屋面形式，首先比較10組常用厚度聚苯乙烯泡沫保溫板(EPS)與泡沫混凝土屋面的節(jié)能潛力，通過(guò)計(jì)算比較其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，模擬結(jié)果得出在泡沫混凝土保溫屋面保溫成本更低的情況下，相較于EPS保溫屋面，其產(chǎn)生的節(jié)能效益更好，凈現(xiàn)值更高，泡沫混凝土屋面保溫優(yōu)勢(shì)明顯;同時(shí)以凈現(xiàn)值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，借助Minitab16得出該次模擬方案中較經(jīng)濟(jì)的保溫屋面的厚度，為349.45 mm.目前，屋面保溫領(lǐng)域在泡沫混凝土的應(yīng)用還不如聚苯板屋面應(yīng)用廣泛，根據(jù)該文模擬得出的結(jié)論，泡沫混凝土相較于EPS屋面不論在投資成本、節(jié)能效益還是使用性能等方面優(yōu)勢(shì)都更明顯.因此，該文為促進(jìn)泡沫混凝土自保溫屋面在夏熱冬冷地區(qū)的發(fā)展提供了有力的依據(jù).

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[9] DB42/301—2005《地方居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 DB42/301—2005《Local residential building energy efficiency design standards》

Biography：Yang Si-min,female,born in 1994, master graduate student,engineering project management.

Research on Energy Saving and Economical Efficiency of Foam Concrete Roof

YANG Si-min, ZOU Zu-xu*

(School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China)

This research was based on DeST-h energy consumption simulation software to simulate the energy consumption of the residence with inverted flat roof form in Wuhan,which contained 29 groups roofs of polystyrene foam insulation board (EPS) and foam concrete as thermal insulation material with different thickness.The economic indicators were calculated and compared to evaluate its energy saving potential.Firstly,the research showed that compared with EPS insulation roof,the foam concrete insulation roof had an obvious advantage on thermal insulation,obtaining better benefits on the energy saving and higher net present value even in a lower investment costs.Secondly,with no insulation wall as the benchmark model,the energy-saving effect was verified by comparing the energy consumption of foam concrete roof with different thickness.At the same time,evaluated by net present value,the optimum economic thickness of foam concrete insulation roof was analyzed and calculated by using the curve fitting function of Minitab16 software,providing a strong basis for the further development of the foam concrete as a building energy-saving roofing material.5figs.,5tabs.,9refs.

foam concrete; energy saving of roof; polystyrene board; economical efficiency

2016-12-29

楊思敏(1994-)，女，江西樟樹人，碩士研究生，研究方向：工程項(xiàng)目管理. *通迅作者,E-mail:402307895@qq.com.

2095-7300(2017)01-037-06

TU502

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