基于Ladybug+ Honeybee的外墻保溫材料性能比較及研究

楊瑛 羅濤 蔣一諾 林偉

摘要：基于Ladybug及Honeybee參數(shù)化軟件，通過分析在工程施工中常用的六種外墻保溫隔熱材料對人體熱舒適度及室內(nèi)熱環(huán)境的影響，從而得出不同保溫材料的優(yōu)劣性排序為：Stp超薄絕熱板、擠塑聚苯乙烯保溫板（XPS）、聚氨酯泡沫塑料保溫板、復(fù)合硅酸鹽保溫板、發(fā)泡聚苯乙烯板（EPS）、巖棉板。

關(guān)鍵詞：老舊小區(qū)； 保溫材料； 室內(nèi)熱環(huán)境； Ladybug； Honeybee

中圖分類號：TU111.19文獻標志碼：A

0引言

進入新世紀以來，我國已經(jīng)步入"住宅高齡化"的階段。在新的城市更新浪潮中，單純的拆遷與重建已變得不可取，人們開始更多的采取修復(fù)、改造等方式來提高居民的生活質(zhì)量［1］。由于住宅建筑受制于建造時的材料和技術(shù)以及后期維護和管理，出現(xiàn)了如外墻脫落等問題［2］。在對外墻進行設(shè)計改造時，無目地的選擇保溫材料會增加建筑全生命周期內(nèi)的運營成本，導(dǎo)致資源浪費［3］。同時研究表明：外圍護結(jié)構(gòu)以極少的經(jīng)濟投入就可以帶來極高的節(jié)能效益［4］。夏熱冬冷區(qū)存在著顯著的季節(jié)性變動，室內(nèi)熱環(huán)境不佳，且缺乏節(jié)能設(shè)計［5］。所以如何降低建筑能耗問題仍亟待解決。

目前，大部分學(xué)者對長沙地區(qū)的能耗研究對象為空調(diào)等設(shè)備，而缺少不同的保溫材料對室內(nèi)熱環(huán)境的相關(guān)性研究。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)長沙常用的外墻保溫的材料有：發(fā)泡聚苯乙烯板（EPS板）、擠塑聚苯乙烯保溫板（XPS板）、聚氨酯薄膜塑料保溫板、巖棉板、復(fù)合硅酸鹽板、STP超薄絕熱板。由于不同的保溫材料有著不同的優(yōu)缺點，所以選擇良好的外墻保溫材料不僅能科學(xué)降低建筑能量損失，高效降低建筑內(nèi)外空間的熱交換，而且可以降低經(jīng)濟成本，創(chuàng)造更宜居的環(huán)境［6］。

綜上，本文基于Ladybug及Honeybee的參數(shù)化模擬技術(shù)，通過對不同保溫隔熱材料對室內(nèi)溫度及人體熱舒適度進行了比較，從而得出目前市場上常見的保溫隔熱材料的優(yōu)劣性，可以給予具體施工一定的指導(dǎo)性。此外，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部也大力倡導(dǎo)城市更新中對老舊小區(qū)的改造，在老舊小區(qū)外墻改造中，科學(xué)選用保溫隔熱材料也是一大亮點［7］。

1建筑物理模型及其參數(shù)設(shè)置

1.1建筑物理模型

本文以長沙市20世紀90年代建成的小區(qū)——涂新社區(qū)標準戶型的主臥室為研究對象（戶型圖如圖1），該臥室尺寸的開間為3.6 m，進深為4.8 m，層高3.3 m；在南側(cè)設(shè)置有一扇長為1.8 m，高為1.5 m的窗戶；東北方向設(shè)有寬0.9 m，高1.8 m的木門，建筑朝向為坐北朝南。

1.2建筑Rhino模型

根據(jù)戶型圖主臥的標準尺寸在Rhino中建立的內(nèi)部可視化三維模型（圖2），確定模型中各尺寸無誤后，利用Honeybee中的createHBsrfs插件分別識取三維模型中的內(nèi)墻、外墻、門窗、屋頂及樓地面，然后將材質(zhì)構(gòu)造賦予到各個不同的結(jié)構(gòu)中形成一個封閉的HBZone能量模型并對房間名稱進行命名，最后用Energy Simulation插件進行仿真模擬并用Ladybug中的部分插件進行結(jié)果圖表化顯示。

1.3維護結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)設(shè)定

本文的目的是為了研究不同保溫隔熱材料對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，所以在利用Honeybee軟件進行計算時需考慮的主要參數(shù)有：墻體保溫材料（EPS板、XPS板、聚氨酯薄膜塑料保溫板、巖棉板、STP超薄絕熱板）、樓地面及屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)造、墻體結(jié)構(gòu)構(gòu)造等。

通過調(diào)研和分析施工圖可得知該建筑的內(nèi)外墻，門窗及樓地面屋頂?shù)幕緲?gòu)造參數(shù)如表1所示。

按照Honeybee的要求，對各類材料的物理特性進行了設(shè)定，包括材質(zhì)粗糙度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度等物理屬性，具體參數(shù)如表2所示。

2數(shù)據(jù)仿真模擬

在夏熱冬冷地區(qū)長沙的一年中，夏季和秋季的室外氣溫一般在18～26 ℃之間，均屬于宜居溫度，因此，我們選取一年中氣候條件最為惡劣的兩個標準周來進行仿真分析，即夏至日所屬周6月20日至6月26日以及冬至日所屬周即12月19日至12月25日。

建筑設(shè)備與建筑材料楊瑛， 羅濤， 蔣一諾， 等： 基于Ladybug+ Honeybee的外墻保溫材料性能比較及研究

2.1外墻無保溫層時的室內(nèi)熱環(huán)境

在比較分析保溫材料之前，本文先對墻體無外保溫材料時的室內(nèi)溫度進行分析而作為參照對象，即墻體結(jié)構(gòu)僅由10 mm水泥砂漿、240 mm磚墻、10 mm飾面層組成，在此條件下計算冬夏兩個典型周在維護結(jié)構(gòu)未設(shè)置保溫隔熱材料時的室內(nèi)熱環(huán)境和人體的熱舒適度。

2.1.1外墻無保溫層時的室內(nèi)溫度

首先，利用 Honeybee軟件，對長沙地區(qū)的自然室溫進行了數(shù)值模擬計算，分析在無保溫隔熱層時室內(nèi)氣溫的變化情況。為了對室內(nèi)和室外的溫差進行比較，本文分別模擬了冬季和夏季典型周的室外氣溫的變化情況。在夏季典型周中（即6月20日至6月26日），室內(nèi)和室外的各小時平均氣溫變化如圖3所示，在冬季典型周中（即12月19日至12月5日）的室內(nèi)外各小時平均氣溫變化如圖4所示。

在未安裝維護結(jié)構(gòu)保溫層的狀況下，分析圖3可得，夏季典型周的平均溫度在早上8：00達到最低的為26.4 ℃，而在夜間20：00的時候，室內(nèi)的溫度最高為34.5 ℃。根據(jù)GB 50736-2016《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》可知夏季制冷溫度標準為16～24 ℃，冬季采暖溫度標準為22～28 ℃。一般而言，夏季室內(nèi)氣溫高于28 ℃時，須采取一定的主動降溫措施，避免中暑；因此，為了滿足標準居住條件，一天中大部分時間都必須開啟空調(diào)以降低室內(nèi)溫度。而從圖4可以看出，在布置了相同的墻體的情況下，冬季典型周各小時室內(nèi)平均氣溫在凌晨1：00達到最低為8.1 ℃，晚上19：00達到最高為13.8 ℃；全天的時間內(nèi)都是達不到冬季采暖的最低標準（16 ℃），同樣需要采取主動措施來提高室內(nèi)溫度。

2.1.2外墻無保溫層時的人體熱舒適度

人體熱舒適度（PMV）評價體系是基于人體熱舒適方程為基礎(chǔ)而建立的，綜合了影響人體熱舒適的空間溫度、空氣濕度、衣服熱阻等六項指標［8］，其中，“空氣溫度”是評估系統(tǒng)的主要內(nèi)容。因此，在保溫材料的性能研究中，本文引入了PMV指數(shù)。根據(jù)Ladybug中的PMV Comfort Calculator插件并置入室內(nèi)溫度、相對濕度、風(fēng)速、著衣情況等相關(guān)數(shù)據(jù)后，最后輸出可得到PMV值、人不滿意度比值、平衡溫度等結(jié)果（計算過程如圖5所示）。夏季典型周平均每日的PMV值的計算結(jié)果如圖6所示，冬季計算結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)PMV評價體系的規(guī)定，當(dāng)PMV為正值時，人體產(chǎn)生熱感，相反則會產(chǎn)生冷感。而國際組織對PMV的推薦值為±0.5之間，在此區(qū)間內(nèi)人體感覺最舒適。從圖6夏季典型周的計算結(jié)果可以看出，在墻體未置入保溫層時，只有上午5：00—10：00 PMV值處于1.5以下，下午15：00—20：00，PMV值都達到了極值為3，此時間段人體會感覺極度炎熱；同理，分析圖7可得，PMV最高值出現(xiàn)在下午17：00，為-2;夜晚23：00—5：00 PMV值為-3，此段時間內(nèi)人體感覺極度寒冷。

小結(jié)：從室內(nèi)溫度和人體熱舒適度的分析可得，在沒有保溫隔熱層情況下，冬季和夏季的典型周計算出室內(nèi)的溫度和舒適度都很差，因此需要設(shè)置保溫隔熱層來改變室內(nèi)熱環(huán)境并使建筑能耗降低。

2.2外墻添加保溫層后的室內(nèi)熱環(huán)境

外墻結(jié)構(gòu)增設(shè)保溫層，根據(jù)市場調(diào)研分析統(tǒng)一將保溫材料厚度設(shè)為40 mm，即外墻結(jié)構(gòu)組成為：水泥砂漿（10 mm）、磚墻（240 mm）、保溫材料（40 mm）、飾面（10 mm）。利用Honeybee的模擬仿真技術(shù)，將六種保溫隔熱材料分別設(shè)置好需要計算的物理參數(shù)并通過EPOpaqueMat插件創(chuàng)建好材質(zhì)后加到添加到原來的無保溫的外墻結(jié)構(gòu)層形成一個新的EPConstruction。最后再通過EnergySimulation插件分別計算不同保溫隔熱材料對人體熱舒適度和室內(nèi)氣溫的變化情況。（過程如圖8）6種保溫材料的屬性如表3所示。

2.2.1外墻增設(shè)保溫層后的自然室溫

2.2.1.1夏季典型周自然室溫

在夏季增加保溫隔熱層，是為了防止室外的熱空氣進入室內(nèi)，根據(jù)上文模擬得出夏季典型周平均每1 h的室內(nèi)環(huán)境溫度如圖9。

由圖可知，墻體結(jié)構(gòu)未設(shè)置保溫層時，晝夜溫差最大，且溫度遠遠高于其他結(jié)構(gòu)。分別置入六種不同材料后室內(nèi)環(huán)境溫度都有較為明顯的降低。在六種材料中，Stp超薄隔熱板的測算結(jié)果中全天的室內(nèi)溫度都低于夏季制冷標準溫度的最大值（28 ℃），性能表現(xiàn)為最好，是夏季隔熱材料的首選；而巖棉板表現(xiàn)出的隔熱性能最差，晝夜溫差較大且全天內(nèi)幾近一半的時間溫度都處在28 ℃以上；而其余四種材料比較中，擠塑板（XPS）無論是隔熱性能還是溫差都稍好于聚氨酯泡沫保溫板且都好于聚苯板（EPS）和復(fù)合硅酸鹽保溫板，而聚苯板（EPS）隔熱性能稍差于復(fù)合硅酸鹽保溫板。因此可以得出六種材料的隔熱性能由優(yōu)至劣的排序為：Stp超薄絕熱板、擠塑聚苯乙烯保溫板（XPS）、聚氨酯泡沫保溫板、復(fù)合硅酸鹽保溫板、發(fā)泡聚苯乙烯板（EPS）、巖棉板。

2.2.1.2冬季典型周自然室溫計算

在冬季增加保溫隔熱層，是為了防止室外的冷氣流進入室內(nèi)，根據(jù)上文模擬得出夏季典型周平均各個小時的室內(nèi)環(huán)境溫度如圖10。

從圖可知，在未設(shè)置外墻保溫材料的情況下，室內(nèi)溫度最低為11.3 ℃，需利用加熱設(shè)備來改善室內(nèi)氣度。墻體增加不同的保溫層后室內(nèi)溫度都得到了不同程度的明顯的提升，且在白天中大部分時間的室內(nèi)溫度都超過冬季制冷溫度的最低標準值（16 ℃），不需要采取主動措施，因此能大量降低能耗。Stp超薄絕熱板在下午18：00時保溫效果最為明顯，其室內(nèi)溫度相比無保溫層室溫提高了4.6 ℃；雖然其在23：00—6：00的保溫強度不如擠塑板（XPS）與聚氨酯泡沫保溫板，但在其它時間內(nèi)Stp超薄絕熱板的保溫能力都強于其它材料。由此計算結(jié)果可得，6種材料的保溫性能優(yōu)劣排序為：Stp超薄絕熱板、聚氨酯泡沫塑料保溫板、擠塑聚苯乙烯保溫板、復(fù)合硅酸鹽保溫板、發(fā)泡聚苯乙烯板、巖棉板，而在上文已經(jīng)得出隔熱性能，可發(fā)現(xiàn)材料的隔熱性能與保溫性能較為相似，材料的兩種屬性成正相關(guān)，即材料的夏季隔熱性能越好，冬季保溫性能也就越好，節(jié)能效果就越好。

2.2.2外墻增設(shè)保溫層后的人體熱舒適度

人體的熱舒適度與室內(nèi)溫度息息相關(guān)，它能較好地體現(xiàn)出各種保溫隔熱材料對人體的舒適度的影響，因此必須對六種保溫隔熱材料對人體的熱舒適度進行綜合評價。為了數(shù)據(jù)的精確性與可視化，本次研究將選取典型周內(nèi)平均每日每3 h為一組數(shù)據(jù)，共計八組數(shù)據(jù)。得出不同保溫材料夏季人體熱舒適值如圖11所示，冬季人體熱舒適值如圖12所示。

2.2.2.1夏季典型周PMV值

從夏季典型周不同材料的人體熱舒適度可以看出，無保溫層時只有6：00—12：00中的部分時間段的PMV值小于部分保溫材料，是由于是此時的室外氣溫較為舒適，而保溫層反而阻礙了室內(nèi)外溫度的傳遞，其它時間內(nèi)設(shè)置了保溫材料的熱舒適度均優(yōu)于無保溫層。隔熱性能最好的Stp超薄隔熱板，在6：00—12：00時間段內(nèi)的PMV值均在0.5以下，此環(huán)境下人體感覺最為舒適；通過數(shù)據(jù)分析可得即使是隔熱性能最差的巖棉板平均每天PMV值也降低了0.5，可見保溫材料對室內(nèi)熱環(huán)境的影響之大。而由計算結(jié)果可知六種材料的PMV值由小到大為：Stp超薄隔熱板、擠塑板（XPS）、聚氨酯泡沫保溫板、復(fù)合硅酸鹽保溫板、發(fā)泡聚苯乙烯板（EPS）、巖棉板。同樣說明保溫隔熱性能的排序也是如此。

2.2.2.2冬季典型周PMV值

由圖12可知，除了Stp超薄隔熱板外在15：00—21：00 PMV的值高于-1以外，其它時間內(nèi)所有材料的PMV值均低于-1，人體冷感強烈。當(dāng)無保溫層時，一天中大部分時間內(nèi)都達到了PMV的最小值-3，人體極不舒適，雖加入保溫層后并未到達PMV值的最佳范圍，但該值均有增大，由此可以看出，保溫材料對室內(nèi)熱環(huán)境的改善的顯著的。

3結(jié)束語

本文基于Ladybug及Honeybee的參數(shù)化模擬技術(shù)，通過對不同保溫隔熱材料對人體熱舒適度及室內(nèi)溫度進行了比較，得出結(jié)論：

（1）對比于無保溫隔熱層的墻體時，增加保溫隔熱層后夏季典型周日均室內(nèi)氣溫得到不同程度的降低，人體熱舒適值也減少，人體熱舒適感增強；冬季典型周日均室內(nèi)氣溫得到不同程度的增高，人體熱舒適值也增加，人體熱舒適感增強。

（2）通過模擬后的數(shù)據(jù)對比分析得出不同保溫材料的優(yōu)劣性排序為：Stp超薄絕熱板、擠塑聚苯乙烯保溫板（XPS）、聚氨酯泡沫塑料保溫板、復(fù)合硅酸鹽保溫板、發(fā)泡聚苯乙烯板（EPS）、巖棉板，該結(jié)果為夏熱冬冷地區(qū)的老舊小區(qū)的外墻改造提供了一定科學(xué)依據(jù)。

（3）本研究中仍存在一些不足，如在具體工程中，材料造價是一個必須要考慮的重要問題，而本文并未比較材料的造價問題而指導(dǎo)具體施工，這是一個需要繼續(xù)改進的方向。

參考文獻

［1］郭丹青. 城市舊住宅外立面改造研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2010.

［2］陸蕾. 城市既有住區(qū)更新設(shè)計研究［D］.南京：南京工業(yè)大學(xué)，2018.

［3］閆靜茹. 保溫材料在外墻外保溫中全壽命周期經(jīng)濟評價［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2013.

［4］李清洋. 德國既有居住建筑改造中的綠色技術(shù)研究及借鑒意義［D］.鄭州：鄭州大學(xué)，2017.

［5］陳朝陽. 夏熱冬冷地區(qū)典型城市居住建筑能耗實測及負荷特性研究［D］.重慶：重慶大學(xué)， 2021.

［6］陳立東.保溫隔熱材料在建筑外墻外保溫中的應(yīng)用［J］.城市建筑，2020，17（33）：115-117.

［7］劉中勇，霍海娥，徐嘉茂.既有建筑節(jié)能改造保溫材料性能比較及研究［J］.安陽工學(xué)院學(xué)報，2021，20（6）：62-66+70.

［8］歐聰穎，劉何清，張強，等.預(yù)計平均熱感覺指數(shù)PMV的簡化計算法［J］.建筑節(jié)能，2018，46（7）：13-16.

［作者簡介］楊瑛（1964—），男，博士，教授級高級工程師，研究方向為建筑設(shè)計及其理論；蔣一諾（1999—），男，在讀碩士，研究方向為建筑設(shè)計及其理論；林偉（1998—），男，在讀碩士，研究方向為建筑設(shè)計及其理論。

［通信作者］羅濤（1999—），男，在讀碩士，研究方向為建筑設(shè)計及其理論。