建筑节能对全国节能具有重要意义，墙体是围护结构的主体，要降低建筑的能耗，重要途径之一是墙体节能即建筑保温。外墙外保温材料作为建筑保温的重要功能材料，种类繁多，其绿色化和生态化是一个不可忽视的重要问题。微观的建筑能耗研究专注于特定或是典型的个体建筑能耗，又分为传统个体建筑热工分析和建筑 “从摇篮到坟墓”生命周期评价(LCA)研究。其中，传统的个体建筑热工分析作为主流研究领域，主要研究建筑在运行阶段的能量消耗^[1]。 随着电脑辅助设计(CAD)技术的不断发展，计算机辅助模拟也逐渐被运用于建筑能耗研究领域。清华大学热能系空调教研组开发了一套集成于CAD之上的建筑热环境分析软件DeST(Designer′S Simulation Toolkits)^[1]，该程序能够在模拟对象特定参数给定的条件下，模拟计算出该建筑全年的基础室内、自然室温、能耗负荷等。生命周期评价理论^{[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]}既是一种评价方法，又是一种环境管理工具，在工业系统的可持续发展起到重要作用。但是，国内近年来有关建筑生命周期评价研究关于建筑运行能源消耗的分析的完整性和精度较低，往往不能代表真正意义上的建筑生命周期能耗研究。利用DeST软件计算建筑生命周运行能耗与LCA研究方法结合起来对建筑保温材料的有关评价鲜见报道。

保温材料种类选择、使用厚度和节能效果参数是目前重要的关注点之一，这是因为保温材料的选择不经关系到节约能源的问题，还关系到后续建筑垃圾造成的环境污染及人类的健康问题，需要综合考虑保温材料的资源能耗情况和生态破坏水平。根据不同地区因地制宜和生命周期原理分析选择合适的建筑外墙保温材料对建筑节能减碳具有重要的意义。李兆坚等^[9]通过LCA理论研究保温材料的能耗回收期与寿命期之间的关系。谷立静等^[10]研究了北京地区住宅的运行能耗和环境负荷与保温厚度之间的关系。马丽萍等^[11]，利用eBalance生命周期分析软件计算出我国典型摆锤法岩棉板功能单位产品的不可再生资源消耗、能源消耗和温室效应影响指标。

2013年1月1日北京市率先全国率先执行节能75%的设计标准，如何指导北京市建筑外墙保温材料健康有序的发展并为其他地区提供借鉴，本文利用DesT-h软件对北京市75%节能居住建筑设计进行建模，并结合LCA评价研究方法对主要建筑外墙保温材料岩棉、XPS、EPS、聚氨酯保温板的生命周期评价、经济效益评价，为北京市外墙保温材料选择、发展和监管提供有益参考。

DeST-h是建筑环境及HVAC系统模拟的软件平台^[12]，主要用于住宅建筑热特性的影响因素分析、住宅建筑热特性指标的计算、住宅建筑的全年动态负荷计算、住宅室温计算、末端设备系统经济性分析等领域。DeST-h软件不仅在冷热负荷的全年累计结果上能够算出令人满意的结果，在逐时动态室温的模拟上，也和其他国外软件计算的结果非常一致。

根据DB11/891—2012《北京居住建筑节能设计标准》建造一栋6层南北向的住宅建筑，建筑层高为2.8m，每层3个房间，每个房间尺寸为8.0m×12.0m，外围护结构总尺寸为24m×12m×16.8m(长×宽×高)，建筑模型如图 1所示。

图1 建筑模型 Fig. 1 Building model

图选项

建筑地理位置模拟地点北京市。室外气象参数选择该建筑模型位于北京市东经116.3度，北纬39.8度，根据建筑热工分区，北京市属于寒冷地区。室外气象计算参数采用了北京地区典型气象年的室外气象参数。所有的气象数据是基于中国国家气象局对 193个城市20a的实测数据通过一套随机算法模拟计算生成。外部气候参数基本信息和室内热环境设计指标分别见表 1和表 2。

表 3给出了模拟建筑的不同朝向的窗墙比和外窗传热系数，其中遮阳系数Sc=0.45，墙体材料参数假设砂浆和粉刷层平均导热系数为：0.151W m^-1 K^-1，密度668kg/m³,钢筋混凝土导热系数为1.547W m^-1 K^-1，密度为2400kg/m³。设计标准Q_h为10.5 W/ m²。

北京采暖季日期为11月15日至次年3月15日，空调季日期为6月1日至8月30日。耗热量指标其它没有注明的数据，均为来源DB11/891—2012《北京居住建筑节能设计标准》或软件默认值。通过DeST 软件计算得到：外墙保温面积与建筑面积比值32.7%，传热系数K值为0.40W m^-2 K^-1。

表 4 给出了按照参考模型(未作外墙保温模型建筑)与75%节能模型(外墙保温传热系数0.40 W m^-2 K^-1模型建筑)的项目采暖和空调负荷统计。75%节能模型与参考模型相比，全年制热耗电量能减少42.96 kW h^-1 m^-2，制冷耗电量能增加了浪费能耗0.65 kW h^-1 m^-2，但全年节约总能耗42.31 kW h^-1 m^-2。而1m²保温板的每年节能高达129.39 kW h^-1 m^-2。根据国家统计局中国环境科学研究院资料(2005年)每节约 1度电，就相应节约0.404kg标准煤，同时减少污染排放0.997kg二氧化碳(CO₂)、0.03kg二氧化硫(SO₂)、0.015kg氮氧化物(NO_x)、0.272kg碳粉尘、0.136kg烟尘。其中烟尘排放价值275.2元/t，NO_x631.6元/t，二氧化硫(SO₂)20000元/t，二氧化碳(CO₂)减排放价值160元/t^[13]。 75%节能模型与参考模型相比，按照建筑面积计算，其能源效益与经济效益比较见表 4。

表 5 给出了几类保温材料投资成本建筑生命周期50a回收周期。从生产成本上考虑 XPS板是最经济的，生产成本大小依次为聚氨酯>岩棉> XPS > EPS。从投资资金回收年限上看，聚氨酯回收年限最长为9.8a，几种保温材料资金回收年限其大小顺序依次为聚氨酯> XPS >EPS >岩棉。而从预期环境效益上看，岩棉环境效益回收年限为2.2a，几种保温材料环境效益回收年限大小依次为聚氨酯> XPS=EPS >岩棉。按照北京75%节能在所计算的保温厚度范围内，保温材料的生产投资成本在3—10a内可回收，而环境负荷要2—6a才能回收。

按照北京市统计局发布的数据，北京市2012年住宅竣工面积为1522.7万m²来进行计算，按照达到75%节能指标计算，仅居住建筑每年可以节约26.02万t/a标煤，减少CO₂排放量为64.24万t/a，减少SO₂排放量1.93万t/a，减少NO_x 排放量0.97万t/a，减少碳粉尘排放量17.5万t/a，减少碳烟尘排放量8.76万t/a，减少民用用电费用3.42亿元/a，潜在环境效益5.58亿元/a，计算结果表明北京地区75%外墙外保温系统节能具有较好的经济效益和环境效益。

本文中建筑物的生命周期总能耗可用下式计算^{[2, 4, 14, 15, 16]}:

式中, E_Tot为建筑物生命周期总能耗(kJ/m² ); E_manu为建材生产阶段总能耗(kJ/m²); E_erect为建造施工阶段总能耗(kJ/m²); E_occup为居住使用阶段总能耗(kJ/m²); E_demo为破坏拆除阶段总能耗(kJ/m²); E_dis为废旧建材处置阶段总能耗(kJ/m²)。

其他材料如钢筋水泥具有一定的不可替代性，而保温材料是节能的主体，为此仅考虑保温材料，并对生命周期模型进行合理简化^{[2, 4]}，简化为3个阶段费用：保温材料生产费用，材料运输费用，采暖空调运行费用。单位面积外墙的总费用由保温材料生产耗费，运输耗费和建筑物采暖空调运行耗费3部分组成。即：

式中，E_manu为保温材料生产阶段能耗(kJ/m²)；包括保温材料直接的能耗和生产所需要的一次能源、开采、运输，以及生产上一级材料的能耗。 E_trans为保温材料运输阶段能耗(kJ/m²)； E_use 为采暖空调运行能耗(kJ/m²)。

保温材料生产阶段能耗E_manu：

如果考虑到建筑生命周期内的保温材料材料生产能耗：

式中，w为在制造过程中保温材料被废弃的比率(%)， ρ为保温材料的密度(kg/m³), δ 为保温材料的厚度(m), E_p为单位建材的生产能耗(kJ/m²)。

保温材料运输阶段的能耗E_trans：

在建筑的整个生命周期当中(参照普通建筑设计标准，50a寿命为准)还应考虑可能更换时的保温材料运输的消耗。

式中，w为在制造过程中保温材料被废弃的比率(%)， ρ为保温材料的密度(kg/m³), δ 为保温材料的厚度(m), D 为保温材料从供应商运到建筑工地的平均距离(km), d为运送保温材料维修所产生的废弃物到建筑垃圾掩埋场的距离(km), T_c 为运输单位保温材料的能耗(kJ kg^-1 km^-1)

建筑运行采暖制冷能耗_Euse，包含有采暖运行能耗和制冷运行能耗，北京地区采暖度日数为3066，而空调度日数为50，在本文中制冷能耗与采暖能耗相比,制冷能耗可以忽略不计。

式中,η_NHD为供热系统运行效率，R_w为除保温层外墙体热阻之和，Y_mat 为保温材料的使用寿命。

保温材料被废弃的比率w取值为5，保温材料当地制造，运输方式为公路运输，保温材料从供应商到建筑工地平均距离D和运送保温材料维修所产生的废弃物到建筑垃圾掩埋场的距离d均取值50km，燃烧为柴油，运输能耗方式T_c为1.84184kJ kg^-1 km^-1[17]，北京市燃气炉热效率η_NHD取值0.85。E_p、β、ρ、δ的取值按照表 6进行取值。表 7给出了几种保温材料各个阶段能耗。按照建筑寿命50a，岩棉无机保温材料使用寿命50a，有机保温材料使用寿命25a计算，全生命周期内生产阶段能耗的大小顺序为聚氨酯> XPS= EPS>岩棉，运输阶段能耗的大小顺为岩棉> XPS >聚氨酯>EPS，采暖运行阶段能耗相同，全生命周期总能耗的大小顺序为聚氨酯>EPS> XPS >岩棉。表 8给出了保温材料在建筑生命周期50a内各个阶段能耗所占周期总能耗比例，对于同一种类保温材料而言，其运行过程中能耗最大，生产阶段能耗次之，运输阶段能耗最少，运输阶段的能耗与运行过程和生产阶段能耗相比可以忽略不计，对于特定的建筑运行能耗为定值的情况下，外墙保温材料在全生命周期的能耗很大程度上取决于保温材料生产阶段的能耗。

常见保温材料的生命周期能耗计算结果表明全生命周期内生产阶段能耗的大小顺序为聚氨酯>XPS=EPS>岩棉，运输阶段能耗的大小顺为岩棉> XPS >聚氨酯>EPS，采暖运行阶段能耗相同，全生命周期总能耗的大小顺序为聚氨酯>EPS> XPS >岩棉。运输能耗和生产能耗及运行能耗相比可以忽略不计，因此，全生命周期能耗可以进一步简化为保温材料的生产能耗和保温材料运行过程中的运行能耗。建筑保温材料的全生命周期能耗可以进一步简化为：

式中,R_energy表示能耗回收周期(a)；E_Yuse表示做保温措施时和未做保温建筑相比单位面积建筑节能量(kJ/m²)。

根据式(10)计算的结果，50a建筑生命周期内实施75%节能时建筑运行能耗为6.23×10⁶ kJ/m²，而通过DeST软件计算的结果是参考模型和75%节能模型50a建筑生命周期内运行能耗为1.758×10⁷ kJ/m²，1.006×10⁷ kJ/m²，那也就意味着50a建筑生命周期内实施75%节能可以节约能耗7.52×10⁶kJ/m²，这与利用式(10)计算的结果有20.7%的偏差，式(10)的计算中略去了建筑制冷能耗。但随着建筑节能指标的提高，制冷能耗反而会有所增加，在某些程度上就不能忽略。

通过以上分析认为，运用DeST软件计算出的建筑运行采暖制冷能耗E_use具有更好的参考作用。建议建筑保温材料的全生命周期评价中对运行阶段的能耗进行修正。75%节能模型在50a建筑生命周期内每年可以节约能耗E_Yuse为1.504×10⁵kJ/m²，这样根据式(12)计算出按照北京75%节能的保温厚度范围，岩棉、EPS、XPS和聚氨酯建筑保温材料的能耗回收期分别为2.09、2.62、2.62和3.52a，结果见表 10。几种建筑外墙保温材料的能耗回收期的大小顺序：聚氨酯>XPS≈EPS>岩棉与保温材料资金回收年限及环境效益回收年限的顺序基本一致。

对建筑保温材料的科学评价仍是一个复杂而又非常值得研究的课题。王波等^[18]提出了“生态建筑材料”的概念，指在满足使用要求的前提下，使得建筑材料的开发、生产和使用过程中的资源和能源消耗少，对生态环境影响小，可以再生循环利用的建筑的建筑材料。国外文献^{[19, 20, 21, 22, 23, 24, 25]}在对保温材料进行LCA分析的同时，还进行经济效益和环境效益评价，显现出LCA与经济分析结合的发展趋势。可持续LCA研究更受到关注，这和传统的LCA研究不同，评价内容包括环境、经济、社会3个方面。环境方面包括并不仅限于能源消耗、地球变暖、人体毒性、光化学臭氧诱导、酸化、富营养化、非生物资源的枯竭、臭氧消耗、生态毒性、PM2.5、PM10等；经济方面包括采掘费、制造费、废弃物处理费、电费、设备费、燃料费、原料费、收入、运输费用、财税政策等；社会方面包括工人收入、女性就业率、非法用工比例、工人健康检查就诊比例、事故率、童工、工人社会福利、差距(行业、收入)等。对建筑保温材料可持续性评价还需要做很多相关研究工作，在保温材料的燃烧等级提高、导热系数降低、保温系统耐候性和耐火性能的提高等技术性问题还有待进一步加大研究。2012年7月国家工业和信息化在能源之星的产品评价实施方案中，要求企业提供基于LCA的产品生态报告。工业和信息化部、发展改革委、环境保护部发布了《关于开展工业产品生态设计的指导意见》工信部联节〔2013〕58号文建议逐步建立产品生态设计基础数据库，试行产品生命周期评价。但是，LCA法开发时间长；成本高；需要用户提供完整的需求，对于需求不确定情况不适应；强调用户的参与，但用户与开发人员的交流不够直接；开发过程较为复杂，不易适应环境的变化。

卓越质量观认为，在可持续发展理念的基础上，将资源节约、环境保护等内容增加到保温材料产品质量的内涵中，环境经济效益评价已经成为衡量建筑保温材料质量和产业发展水平的重要方面之一，其技术参数的保证对于环境经济效益评价、生态城市建设具有决定性作用。于此同时建筑保温材料在不断提升其生态化的同时，也可能会引发建筑保温产品其他质量不确定性的风险，如近年来频发的建筑外保温材料火灾事故和外墙外保温墙体脱落等。根据《环境保护部办公厅文件》环办(2009)121号“关于严格控制新建使用含氢氯氟烃生产设施的通知”中发泡行业禁止新建以含氢氯氟烃为发泡剂的聚氨酯泡沫和挤出聚苯乙烯泡沫生产装置(线)，为建筑外保温材料寻找合适的绿色发泡剂是目前保温材料生产需要解决的任务之一。随着对有机保温材料燃烧性能的级别提高，保温材料对无卤阻燃剂的需求也越来越强烈。新的保温材料阻燃体系，添加以磷系化合物和金属氢氧化物为主无卤无公害阻燃剂或有硅系阻燃剂及氮系等新型阻燃剂，燃烧时发烟量小，不产生有毒、腐蚀性气体。对保温材料燃烧后的性能综合评价等技术指标也会在一定程度上影响保温材料的选择与评价。

图 2 给出了建筑保温材料全生命周期中的过程及相关主体。如何从建筑保温材料的全生命周期过程中科学评价、促进建筑保温材料环境经济效益属性同时兼顾产品其他质量特性，有序推进我国生态化城镇建设，涉及到材料科学、质量管理、生态学、建筑设计及施工管理等多种学科，也同时涉及到产品质量监督部门、工商行政管理部门、建设管理部门、消防管理部门、环保管理部门、规划管理部门等政府管理部门，只有通过官、产、学、研等部门的通力合作才能全面开展建筑保温的循环经济，推行清洁生产，实现整个城市的生态转型，从社会-经济-自然复合生态系统的视角来综合考虑城市的发展^[26]。在我国碳减排的机遇和重要挑战下，政府作为指导者、监督者和推动者，需要通过制定合理的政策将推行绿色建筑的宏观动力真正转化为微观动力。以清洁生产和蓝天计划为前提，以建筑外墙保温材料的深入科学研究为基础，以全生命周期评价为工具，以企业诚信为根本，运用好碳交易市场导向和绿色建筑评价政府政策引导两个指挥棒，通过经济、立法、标准、财税等手段规范和推广绿色生态建筑保温材料，加快推进我国生态、低碳工业化和城镇化的进程。

图2 建筑保温材料生命周期流程及相关主体 Fig. 2 Scheme of building insulation materials life cycle processes and related subject

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