石墨水泥基復(fù)合保溫系統(tǒng)的全壽命周期綜合評(píng)價(jià)

錢(qián)小龍 王迪

摘 要：目前，建筑外墻使用的外保溫材料多種多樣，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，外保溫材料的防火性能要求越來(lái)越高。石墨水泥基復(fù)合保溫材料是一種新型外墻保溫材料，與目前市場(chǎng)上常用的4種外保溫系統(tǒng)相比，其在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益更加顯著。本文對(duì)其全壽命周期進(jìn)行綜合研究，分析了其建造費(fèi)用、耗熱量計(jì)算方法和運(yùn)行費(fèi)用，并對(duì)建材生產(chǎn)進(jìn)行環(huán)境效益評(píng)價(jià)，以期為該產(chǎn)品在建筑節(jié)能領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：石墨水泥基復(fù)合保溫材料;全壽命周期;評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）02-0095-04

Comprehensive Evaluation of Life Cycle of Graphite Cement-based Composite Insulation System

QIAN Xiaolong1 WANG Di2

（1. Henan Construction Technology Association，Zhengzhou Henan 450000;2. Sunac Property Services Group Co.， Ltd.，

Tianjin 300381）

Abstract： At present， there are many kinds of external insulation materials used in building exterior walls， with the development of science and technology， the fire performance requirements of external insulation materials are getting higher and higher. Graphite cement-based composite insulation material is a new type of external wall insulation material， compared with the four types of external thermal insulation systems commonly used in the market， the economic and environmental benefits produced in the actual application process are more significant. This paper conducted a comprehensive study on its life cycle， analyzed its construction costs， heat consumption calculation methods and operating costs， and evaluated the environmental benefits of building materials production， hoping to provide a reference for the promotion and application of the product in the field of building energy conservation.

Keywords： graphite cement-based composite insulation material;full life cycle;evaluation

隨著河南省居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和防火要求等級(jí)的提升，新型建筑節(jié)能產(chǎn)品的市場(chǎng)需求不斷增加，新型建筑節(jié)能產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，石墨水泥基復(fù)合保溫材料就是其中之一。目前，市場(chǎng)上常用的外墻保溫系統(tǒng)有4種，即EPS板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)、巖棉板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)、石墨水泥基復(fù)合保溫板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)和免拆復(fù)合保溫模板（XPS+石墨板）外保溫系統(tǒng)[1-2]。本文對(duì)比分析了石墨水泥基復(fù)合保溫材料與傳統(tǒng)外墻保溫系統(tǒng)，并進(jìn)行全壽命周期經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，得出石墨水泥基復(fù)合保溫材料性能良好，值得推廣和應(yīng)用。

1 建筑外墻保溫系統(tǒng)全壽命周期經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型

全壽命周期評(píng)價(jià)是對(duì)一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評(píng)價(jià)。建筑全壽命周期評(píng)價(jià)是對(duì)建筑從規(guī)劃、設(shè)計(jì)到建造安裝，再到運(yùn)行維護(hù)，乃至最后拆除處理的全過(guò)程物質(zhì)能量流動(dòng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益的綜合評(píng)價(jià)。建筑全壽命周期成本包括建筑的前期費(fèi)用、初始成本、運(yùn)行維護(hù)成本、替換大修成本以及回收價(jià)值[3]。

通常，不同建筑外墻保溫系統(tǒng)采用不同的保溫材料，其初期建造成本不同。更重要的是，保溫材料的差別異使得外墻保溫系統(tǒng)的建筑能耗不同，導(dǎo)致建筑運(yùn)營(yíng)成本不同。因此，采用全壽命周期成本評(píng)價(jià)方法對(duì)外墻保溫系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)是合理且有效的。為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮周?chē)鷩o(hù)、清潔和環(huán)保成本，不考慮殘值、可回收利用材料價(jià)值以及政府補(bǔ)貼和稅負(fù)減免?；谏鲜鰲l件，建筑外墻保溫系統(tǒng)的全壽命周期成本計(jì)算模型可用式（1）表示。

[LCC=C0q+C1q（P/A，i，N）+C2q（P/F，i，t）]? ? ? ? ?（1）

式中，[C0q]為外保溫系統(tǒng)初始成本;[C1q]為外墻保溫耗能產(chǎn)生的年運(yùn)行成本;[C2q]為外墻保溫系統(tǒng)替換或大修成本。

2 建筑外墻保溫系統(tǒng)的建造費(fèi)用

下面對(duì)EPS板、巖棉板、碳硅板三種外保溫系統(tǒng)的初始建造成本進(jìn)行計(jì)算，并與免拆復(fù)合保溫模板進(jìn)行對(duì)比。其間參照市場(chǎng)價(jià)，對(duì)不同類(lèi)型保溫材料和不同外墻保溫系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)算，得出費(fèi)用。不同保溫材料的單價(jià)如表1所示，不同外墻保溫系統(tǒng)的成本如表2所示。

3 建筑外墻保溫系統(tǒng)的耗熱量計(jì)算和運(yùn)行費(fèi)用

3.1 建模

經(jīng)過(guò)大量調(diào)研，本文選取河南省較為典型的農(nóng)房平面作為分析對(duì)象。模型農(nóng)房共有2層，建筑高度為8.2 m，外墻面積方面，東墻為98.14 m2，南墻為68.68 m2，西墻為98.14 m2，北墻為76.38 m2，外墻總面積為388.56 m2，建筑面積為286 m2，建筑體積為1 089.11 m3，建筑三維模型如圖1所示。外墻構(gòu)造做法如表3所示，不同做法的農(nóng)房分別記為農(nóng)房A、農(nóng)房B、農(nóng)房C和農(nóng)房D，建筑供暖所需的溫度控制范圍滿足《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50824—2013）要求，建筑全年能耗如圖2所示。

由圖2可知，農(nóng)房A、農(nóng)房B、農(nóng)房C和農(nóng)房D的全年能耗呈以下規(guī)律：采暖能耗方面，1—4月逐月降低，10—12月逐月攀升，1月為峰值;制冷能耗方面，4—7月逐月攀升，7—10月逐月降低，7月為峰值。農(nóng)房A、農(nóng)房B、農(nóng)房C和農(nóng)房D的全年冷、熱、總能耗匯總結(jié)果如表4所示。由表4可知，農(nóng)房A的全年總能耗最低，供暖能耗及采暖能耗均最低，因此，四種外墻保溫材料中，免拆復(fù)合保溫模板這種模式的節(jié)能效果最好。

3.2 建筑物外墻保溫系統(tǒng)耗熱量、耗煤量和運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算

建筑物耗熱量計(jì)算根據(jù)《河南省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（寒冷地區(qū)75%）》（DBJ41/T 184—2017），由于僅考慮建筑外墻引起的耗熱量，所以建筑物耗熱量指標(biāo)（[qH]）等于折合到單位建筑面積上單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)外墻的傳熱量（[qHq]），根據(jù)以上建筑模型，得到相關(guān)計(jì)算公式。

[qH=qHT+qINF-qIH]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[qH]為建筑物耗熱量指標(biāo)，W/m2;[qHT]為折合到單位建筑面積上單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量，W/m2;[qINF]為折合到單位建筑面積上單位時(shí)間內(nèi)建筑物空氣滲透耗熱量，W/m2;[qIH]為折合到單位建筑面積上單位時(shí)間內(nèi)的建筑內(nèi)部得熱量，取3.8 W/m2。

[qHq=∑qHqiA0=∑εqiKmqiFqi（tn-te-）A0]? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，[qHq]為折合到單位建筑面積上單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)外墻的傳熱量，W/m2;[tn]為室內(nèi)計(jì)算溫度，取18 ℃;[te]為計(jì)算采暖期室外平均溫度，℃;[εqi]為外墻傳熱系數(shù)的修正系數(shù);[Kmqi]為外墻平均傳熱系數(shù)，W/（m2·K）;[Fqi]為外墻面積，m2;[A0]為建筑面積，m2。

[qINF=（tn-te-）（CpρNV）A0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中，[qINF]為折合到單位建筑面積上單位時(shí)間內(nèi)建筑物空氣換氣耗熱量，W/m2;[Cp]為空氣的比熱容，取0.28 W·h/（kg·K）;[ρ]為空氣的密度，kg/m3，取計(jì)算采暖期室外平均溫度[te]下的值;[N]為換氣次數(shù)，取0.5 h-1;[V]為換氣體積，m3。

鄭州市采暖天數(shù)為98 d，根據(jù)鄭州市采暖要求，計(jì)算采暖耗煤量，相關(guān)公式如下：

[qc=24ZqHHcη1η2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

[q'c=qc?A0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

式中，[qc]為折算到單位建筑面積上的采暖耗煤量，kg/m2;[q'c]為建筑年采暖耗煤總量，kg;[Z]為采暖期天數(shù)，鄭州取98 d;[qH]為建筑物耗熱量指標(biāo)，W/m2，此處取建筑外墻耗熱量指標(biāo);[Hc]為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，取8 140W·h/kg;[η1]為室外管網(wǎng)輸送效率，取0.92;[η2]為鍋爐運(yùn)行效率，取0.7。

計(jì)算年運(yùn)行成本時(shí)，取標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格1 000元/t。年運(yùn)行成本計(jì)算公式如下：

[C1q=qc?p]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中，[C1q]為年運(yùn)行成本;[p]為標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格。

建筑采用四種不同外墻保溫系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)上述公式，分別計(jì)算采暖期外墻耗熱量[qH]以及由此帶來(lái)的采暖耗煤量[qc]和年運(yùn)行成本[C1q]，具體結(jié)果如表5所示。

3.3 不同外墻保溫系統(tǒng)的全壽命周期成本

根據(jù)建筑外墻保溫系統(tǒng)的全壽命周期成本計(jì)算模型，即式（1），分別計(jì)算采用4種不同類(lèi)型外墻保溫系統(tǒng)的全壽命周期成本。外墻保溫系統(tǒng)初始成本[C0q]、外墻耗能產(chǎn)生的年運(yùn)行成本[C1q]、外墻保溫系統(tǒng)修繕成本[C2q]，三者全部折算到單位建筑面積的成本中。計(jì)算不同外墻保溫系統(tǒng)時(shí)，外墻保溫系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)用如表6所示。

外墻保溫系統(tǒng)初始成本[C0q]的計(jì)算公式為：

[C0q=（c0?A）/A0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

式中，[c0]為外保溫系統(tǒng)的單位造價(jià)，元/m2;[A]為建筑的外墻總面積，m2;[A0]為建筑面積，m2。

外墻保溫系統(tǒng)耗能產(chǎn)生的年運(yùn)行成本現(xiàn)值[C1q（P/A，i，N）]的計(jì)算公式為：

[C1q（P/A，i，N）=C1q?1-（1+i）-Ni]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

式中，[C1q]為外墻保溫系統(tǒng)耗能產(chǎn)生的年運(yùn)行成本;[N]為建筑的設(shè)計(jì)使用年限，取50年;[i]為社會(huì)折舊率，取8%。

外墻保溫系統(tǒng)替換和大修成本現(xiàn)值[C2q（P/F，i，t）]的計(jì)算公式為：

[C2q（P/F，i，t）=C2q?（1+i）-t]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（10）

式中，[C2q]為外墻保溫系統(tǒng)替換或大修成本;[i]為社會(huì)折舊率，取8%;[t]為建筑外保溫設(shè)計(jì)使用年限，取25年。

4 建材生產(chǎn)的環(huán)境效益評(píng)價(jià)

燃燒1 t標(biāo)準(zhǔn)煤大約排放2.54 t二氧化碳，寒冷地區(qū)建筑能耗越低，采暖耗煤量越低，由此產(chǎn)生的二氧化碳排放量越少，因此，人們要大力提倡應(yīng)用綠色建材，減少二氧化碳的排放量。2020年8月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、教育部等部門(mén)聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見(jiàn)》（建標(biāo)規(guī)〔2020〕8號(hào)），明確指出要推廣應(yīng)用綠色建材，逐步提高城鎮(zhèn)新型建筑的綠色建材應(yīng)用比例。根據(jù)《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51366—2019）中的要求，分別對(duì)生產(chǎn)EPS板、巖棉板和碳硅板的碳排放量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

[Csc=i=1nMiFi]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

式中，[Csc]為建材生產(chǎn)階段碳排放，[kgCO2e];[Mi]為第[i]種主要建材的消耗量，t;[Fi]為第[i]種主要建材的碳排放因子（[kgCO2e]/t）單位建材數(shù)量。

根據(jù)式（11），分別計(jì)算生產(chǎn)每噸EPS板、巖棉板和碳硅板建材產(chǎn)品的碳排放量，如表7所示。

5 結(jié)論

在石墨水泥基復(fù)合保溫系統(tǒng)的全生命周期綜合評(píng)價(jià)中，生產(chǎn)單位數(shù)量石墨水泥基復(fù)合保溫板排放的二氧化碳比生產(chǎn)同樣數(shù)量EPS板、巖棉板和碳硅板的碳排放量少。石墨水泥基復(fù)合保溫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)突出，每平方米比EPS板系統(tǒng)少28.52元，比巖棉板系統(tǒng)少123.37元。在目前市場(chǎng)上常用的外墻保溫材料中，石墨水泥基復(fù)合保溫板在生產(chǎn)和應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的節(jié)能減排效果，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。

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