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(duì)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?yàn)椋篠tp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(hào)：TU111.19文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)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(lái)提高居民的生活質(zhì)量［1］。由于住宅建筑受制于建造時(shí)的材料和技術(shù)以及后期維護(hù)和管理，出現(xiàn)了如外墻脫落等問題［2］。在對(duì)外墻進(jìn)行設(shè)計(jì)改造時(shí)，無(wú)目地的選擇保溫材料會(huì)增加建筑全生命周期內(nèi)的運(yùn)營(yíng)成本，導(dǎo)致資源浪費(fèi)［3］。同時(shí)研究表明：外圍護(hù)結(jié)構(gòu)以極少的經(jīng)濟(jì)投入就可以帶來(lái)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(dòng)，室內(nèi)熱環(huán)境不佳，且缺乏節(jié)能設(shè)計(jì)［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(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)的能耗研究對(duì)象為空調(diào)等設(shè)備，而缺少不同的保溫材料對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的相關(guān)性研究。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)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(diǎn)，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(jì)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(duì)不同保溫隔熱材料對(duì)室內(nèi)溫度及人體熱舒適度進(jìn)行了比較，從而得出目前市場(chǎng)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(duì)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(diǎn)［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(zhǎng)沙市20世紀(jì)90年代建成的小區(qū)——涂新社區(qū)標(biāo)準(zhǔn)戶型的主臥室為研究對(duì)象（戶型圖如圖1），該臥室尺寸的開間為3.6 m，進(jìn)深為4.8 m，層高3.3 m；在南側(cè)設(shè)置有一扇長(zhǎng)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?yàn)樽背稀?/p>

1.2建筑Rhino模型

根據(jù)戶型圖主臥的標(biāo)準(zhǔn)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(wú)誤后，利用Honeybee中的createHBsrfs插件分別識(shí)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(gè)不同的結(jié)構(gòu)中形成一個(gè)封閉的HBZone能量模型并對(duì)房間名稱進(jìn)行命名，最后用Energy Simulation插件進(jìn)行仿真模擬并用Ladybug中的部分插件進(jìn)行結(jié)果圖表化顯示。

1.3維護(hù)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(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，所以在利用Honeybee軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)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(duì)各類材料的物理特性進(jìn)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(zhǎng)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)周來(lái)進(jìn)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(wú)保溫層時(shí)的室內(nèi)熱環(huán)境

在比較分析保溫材料之前，本文先對(duì)墻體無(wú)外保溫材料時(shí)的室內(nèi)溫度進(jìn)行分析而作為參照對(duì)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(jì)算冬夏兩個(gè)典型周在維護(hù)結(jié)構(gòu)未設(shè)置保溫隔熱材料時(shí)的室內(nèi)熱環(huán)境和人體的熱舒適度。

2.1.1外墻無(wú)保溫層時(shí)的室內(nèi)溫度

首先，利用 Honeybee軟件，對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)的自然室溫進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分析在無(wú)保溫隔熱層時(shí)室內(nèi)氣溫的變化情況。為了對(duì)室內(nèi)和室外的溫差進(jìn)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(shí)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(shí)平均氣溫變化如圖4所示。

在未安裝維護(hù)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(dá)到最低的為26.4 ℃，而在夜間20：00的時(shí)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(jì)規(guī)范》可知夏季制冷溫度標(biāo)準(zhǔn)為16～24 ℃，冬季采暖溫度標(biāo)準(zhǔn)為22～28 ℃。一般而言，夏季室內(nèi)氣溫高于28 ℃時(shí)，須采取一定的主動(dòng)降溫措施，避免中暑；因此，為了滿足標(biāo)準(zhǔn)居住條件，一天中大部分時(shí)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(shí)室內(nèi)平均氣溫在凌晨1：00達(dá)到最低為8.1 ℃，晚上19：00達(dá)到最高為13.8 ℃；全天的時(shí)間內(nèi)都是達(dá)不到冬季采暖的最低標(biāo)準(zhǔn)（16 ℃），同樣需要采取主動(dòng)措施來(lái)提高室內(nèi)溫度。

2.1.2外墻無(wú)保溫層時(shí)的人體熱舒適度

人體熱舒適度（PMV）評(píng)價(jià)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(xiàng)指標(biāo)［8］，其中，“空氣溫度”是評(píng)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(duì)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(jì)算過程如圖5所示）。夏季典型周平均每日的PMV值的計(jì)算結(jié)果如圖6所示，冬季計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)PMV評(píng)價(jià)體系的規(guī)定，當(dāng)PMV為正值時(shí)，人體產(chǎn)生熱感，相反則會(huì)產(chǎn)生冷感。而國(guó)際組織對(duì)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(jì)算結(jié)果可以看出，在墻體未置入保溫層時(shí)，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(dá)到了極值為3，此時(shí)間段人體會(huì)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(shí)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(jì)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(lái)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(chǎng)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(jì)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(lái)的無(wú)保溫的外墻結(jié)構(gòu)層形成一個(gè)新的EPConstruction。最后再通過EnergySimulation插件分別計(jì)算不同保溫隔熱材料對(duì)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(jìn)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(shí)，晝夜溫差最大，且溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(cè)算結(jié)果中全天的室內(nèi)溫度都低于夏季制冷標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間溫度都處在28 ℃以上；而其余四種材料比較中，擠塑板（XPS）無(wú)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?yàn)椋篠tp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(jì)算

在冬季增加保溫隔熱層，是為了防止室外的冷氣流進(jìn)入室內(nèi)，根據(jù)上文模擬得出夏季典型周平均各個(gè)小時(shí)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(lái)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(shí)間的室內(nèi)溫度都超過冬季制冷溫度的最低標(biāo)準(zhǔn)值（16 ℃），不需要采取主動(dòng)措施，因此能大量降低能耗。Stp超薄絕熱板在下午18：00時(shí)保溫效果最為明顯，其室內(nèi)溫度相比無(wú)保溫層室溫提高了4.6 ℃；雖然其在23：00—6：00的保溫強(qiáng)度不如擠塑板（XPS）與聚氨酯泡沫保溫板，但在其它時(shí)間內(nèi)Stp超薄絕熱板的保溫能力都強(qiáng)于其它材料。由此計(jì)算結(jié)果可得，6種材料的保溫性能優(yōu)劣排序?yàn)椋篠tp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(duì)人體的舒適度的影響，因此必須對(duì)六種保溫隔熱材料對(duì)人體的熱舒適度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。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(jì)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(wú)保溫層時(shí)只有6：00—12：00中的部分時(shí)間段的PMV值小于部分保溫材料，是由于是此時(shí)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(shí)間內(nèi)設(shè)置了保溫材料的熱舒適度均優(yōu)于無(wú)保溫層。隔熱性能最好的Stp超薄隔熱板，在6：00—12：00時(shí)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(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響之大。而由計(jì)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(shí)間內(nèi)所有材料的PMV值均低于-1，人體冷感強(qiáng)烈。當(dāng)無(wú)保溫層時(shí)，一天中大部分時(shí)間內(nèi)都達(dá)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(dá)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(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的改善的顯著的。

3結(jié)束語(yǔ)

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

（1）對(duì)比于無(wú)保溫隔熱層的墻體時(shí)，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(qiáng)；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(qiáng)。

（2）通過模擬后的數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出不同保溫材料的優(yōu)劣性排序?yàn)椋篠tp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(jià)是一個(gè)必須要考慮的重要問題，而本文并未比較材料的造價(jià)問題而指導(dǎo)具體施工，這是一個(gè)需要繼續(xù)改進(jìn)的方向。

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［作者簡(jiǎn)介］楊瑛（1964—），男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)及其理論；蔣一諾（1999—），男，在讀碩士，研究方向?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)及其理論；林偉（1998—），男，在讀碩士，研究方向?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)及其理論。

［通信作者］羅濤（1999—），男，在讀碩士，研究方向?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)及其理論。