1 绪论
1. 1 课题的提出
改革开放至今，中国的社会经济组成发生改变，而我国的社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。这是因为当代中国正面临着高速发展的时代。这使得市场对建筑的需求量大幅度的增加，而经济的发展使得人们对空间的要求由原来的只需要遮风挡雨逐渐的提高至对小区的环境，房子的朝向，房屋的功能等都有了更多的需求，这样的原因使得建筑业增速迅猛。但是在带给居住者更舒适又宽阔的空间的同时，对地球能源的消耗也在飞速的增加。在我国，能源消费的主要领域是建筑行业、交通运输和工业生产[1]，其中建筑物本身及建筑产品总能耗在我国总耗能中的占比正在逐年直线上升。
据联合国可持续发展委员会 2014 年以后公布的一些能耗方面的数据来看，建筑能耗的消耗量巨大，且在近年来不断成指数倍增加，建筑能耗的增长幅度也是所有的耗能产业中占比最大的，而在建筑产品生产跟建筑施工的过程中会产生大量的二氧化碳排放，从而导致了全球变暖的一个重要的原因[2] ，与此同时，能源节约和能否充分利用问题在世界能源领域引起了激烈的讨论。清华建筑节能研究中心[3]建立了通过能耗强度和数量进行自下而上的计算方法、并由统计数据进行宏观验证的中国常用的建筑能耗模型。应用该模型，得出 2006 年我国建筑总商品能源消耗为 5.63 亿 tce（标准煤发电煤耗法），占当年社会总能消的 23.1%。2012 年建筑总商品能源消耗为 7 亿 tce（标准煤发电煤耗法），占当年全社会一次能源消耗的 25%[4]。而预计于 2020 年建筑能耗将会达到 11 亿标准煤，早在 2015年，随着我国经济的发展以及城市化进程的迅猛，我国的能源生产已经跃居为世界第三，能源消费已经跃居为世界第二，特别是建筑行业，每年的新建建筑面积已经跃居世界第一，而建筑生产的过程当中，其能源消耗占据全部能源消耗的51%。建筑运行产生的能耗所占比重最大约为 60%[5]，这样的能耗比是建筑在建造的过程中和建造完成之后暖通设备正常运转时所消耗的能源比例，若是再加上建设时所需的建材生产和运输时所需要的能源，即全周期建筑能耗将达到社会总能耗的 47.24%，在意味着建筑能耗在社会总能耗中位居首位。近年来我国建筑业的快速发展，对能源需求大幅度增加，尤其是在采暖和空调的消耗上[6] 。因此建筑保温性能直接的影响到建筑物的能耗。
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1.2 课题研究的目的和意义
1.2.1 研究的目的
在 1980 年以后，建筑发展迅速，建筑节能成为了迫在眉睫的需求，与先进国家相比，我国对墙体的保温性能研究 1970 年左右才开始起步、科研技术跟基础薄弱，再节能发展的这条路上我们还有很多需要解决的问题。而对保温材料的节能型研究以及量化保温性能就十分必要，本文对节能墙体的研究目的主要体现在以下的三个方面[10]：
（1）学习发达国家对材料的设计与制造。早在 1980 年左右的时候，我国只有不到 5%的节能墙体保温材料，截止在新的节能政策出台之前，我国现有建筑的外保温墙有 90%以上是节能墙体材料，能够成熟的自主设计并生产制造节能墙体保温材料，但是与发达国家相比，无论是从建筑材料的生产方式，生产过程，还是后期的建筑施工技术都依然有着在短期内无法赶超的距离。所以研究墙体保温性能，做好前期的材料研究工作显得有为重要。
（2）减小建筑能耗。目前为止，我国是全球第二大能源消费国，在 2009年至 2013 年短短的四年时间里，我国的能源消耗的年增速达到了 12% ，建筑能耗占全球总能耗的 13.2%[11]，而当建筑节能被提出来之后建筑能耗节能率达到3.55%[12]。到 2016 年我国能源年消耗量是 9.19 亿吨标准煤，环比增长了 3.8%。全球能耗消耗统计报告显示我国的能源物资相对使用情况来讲相当匮乏[13]，我国今年的能源消耗量达到了并超出了地球能源的储存量与全球消耗量平均水平。人均消耗值高而人均占有率低的矛盾成为了我国当前亟待解决的节能问题。其中我国建筑能耗量已经被 80 年代时耗能量最大的工业和交通运输业赶超，建筑成为耗能最大的行业。随着我国经济的快速稳定发展，使得人们对空间的要求由原来的只需要遮风挡雨逐渐的提高，对小区的环境，房子的朝向，房屋的功能等都有了更多的需求。若依然使用传统的墙体保温材料，能耗量将会持续不断的呈现出增加的趋势，因此对于国家发展而言，必须发展节能建筑。对于居住建筑而言，要想降低建筑物的整体能耗，就要从占围护结构比例中最大外墙围护结构的保温性能方面做文章。
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2 关中地区建筑外保温现状及问题
2.1 关中地理位置与气候特征
关中平原，又称渭河平原，渭河盆地、关中盆地，属于河流冲积平原和盆地地形共同作用下形成的以渭河、泾河等河流相互交织下的富饶土地。
2.1.1 地理位置
西安市位于关中的核心地带占据了关中盆地总面积的大部分区域，因此关中所处的背景区域，其整体特征与西安地区有相似性，其他四个城市的气候环境与西安地区环境并无太大差异。关中地区向北是陕北的干旱少雨黄土高原，往南是八百里秦川，植被丰富。海拔在海平面上 400m 左右，受南边大面积秦岭山脉的影响，北边高纬度地区的寒冷气流与南边的热气流都被高耸入云的秦岭山脉阻隔在外，使得关中地区四季分明，夏季有东亚季风区出来的暖湿气流而炎热，冬季受西伯利亚冷风区影响而干燥寒冷。春秋时昼夜温差增加而使得气温温和舒适。这样四季分明的气温带来的空气湿度亦四季均衡，夏季多雨空气湿润，冬季干燥寒冷，春秋体感适度宜人，在我国北方地区中显得湿度舒适温润[57]。
2.1.2 气候特征
关中地区年平均温度 6~13°C，湿度 70%左右，全年盛行东北风。冬季受西伯利亚寒流影响而干燥寒冷，最低温度月一般出现在 1 月，平均温度仅有-5°C左右;夏季有东亚季风区出来的暖湿气流而炎热且有伏旱，总体呈夏季高温多雨，冬季干燥温和的特点。夏季最高温度月出现在 7 月份，月平均温度高达 35～42°C 左右。降雨常出现夏涝冬旱的局面，全年降水多集中在夏季的 6～9 月之间，
多阵雨，降水量 200～450mm，占全年总降水量的 60%。
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2. 2 关中居住建筑的特点及现状研究
关中地区建筑的特点及现状可以为实验采集基本数据，并真实的了解关中地区建筑大多采用的形式，这样的实验及分析才具有现实意义。
2.2.1 居住建筑围护结构特点及现状
对关中市区既有居住建筑进行了走访调查，主要调查的方式为对现有的已建成的居住建筑进行图纸查询、现状的音像资料和建设数据的整理，对关中既有居住建筑的现状进行了解分析以及进行分类及特征总结。调查结果显示，现有的关中住宅的建造时间参差不齐，时间跨度大，更有甚者还有解放初期苏联援建的住宅楼至今仍在使用，而这些来自于不同年代的建筑在建造时所参照的节能标准也不尽相同，调查统计结果显示，23.3%的建筑是 60-80 年代建造的，这些建筑的保温材料过度老化冬冷夏热，木质门窗的导热系数极高使得冷热桥现象严重，填充墙体为以砖块与混凝土为主，保温性能极差。55.2%的建筑是 80-21 世纪建造，
在此期间，改革开放开始，中国经济快速发展，对房屋的需求量大幅增加，大批的商品房出现，但是当时的规范不完善，节能要求定义模糊，建材市场鱼龙混杂，
现在看来现存的该时期住宅的各项指标良莠不齐。2000 年以来经济进入到平稳发展的阶段，建造的住宅占比为 21.5%，大部分住宅都能参照节能标准建造，人民生活水平的提高对建筑的要求也在不断的更新换代，很多开发商顺应市场需求增大阳台光照面积而采用露天阳台，只不过这样一来建筑冬季能耗就要增加。通过调查，对西安市既有居住建筑现状如下：
1）建筑多为南北朝向。西安地区空气温度特征为：夏季炎热，月平均温度值在 35°C 以上。冬季寒冷，月平均温度均低于 5°C；夏季气温值与夏热冬冷地区具有同等水平，南北朝向的窗户有利于夏季的及时通风形成穿堂风，对夏季的通风防霉很有帮助，在冬季时南向的窗户也能保证充足的日照，在调查过程中住宅多为南北朝向，几乎未见到东西向建造的住宅。
2）采暖方式多为集体供暖。此次走访共调查小区 158 个，其中只有 12 个小区未使用集体供暖，这是上世纪 60 年代时还未普及集体供暖时建造的房屋。这些没有集体供暖的小区居住者为了在冬季采暖只能自己配置采暖设施，这些设施由于年代久远多为旧型铁质暖气片，体积大、散热快、能耗高，采暖效果差，冬季室内温度达不到集中供暖室内温度标准。90 年代后期的住宅多为市政集中供暖，取暖效果好但是热量流失快，能耗大。在近 2000 年以后的新建住宅开始逐步地使用地暖来代替传统的壁挂式暖气片，保温效果得到明显的提升。
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3 关中地区建筑墙体保温材料的性能比选...........................31
3.1 保温材料性能分析.........................................31
3.1.1 保温材料物理性质.....................................31
3.1.2 保温材料的热工性能..................................35
4 外墙保温性能测试...........................................42
4.1 标定热箱法测试平台的原理及装置构成.........................................42
4.1.1 测试平台的原理....................................42
4.1.2 测试平台的构成............................43
5、保温层厚度优化分析.......................................54
5.1 关中保温墙体能耗分析.........................................54
5.1.1 De ST 软件模拟能耗影响.........................................54
5.1.2 墙体能耗模拟结果及节能率分析...........................58
5、保温层厚度优化分析
5.1 关中保温墙体能耗分析
本节将依托实验平台，利用标定热箱法测得墙体的传热系数，通过能耗模拟软件（De ST-h）对寒冷地区西安市比较常见的墙体类型的建筑物负荷量的大小进行能耗模拟数据分析，分析不同墙体在国家新标准下的得分情况。
5.1.1 De ST 软件模拟能耗影响
“De ST-h”全名为住宅建筑热环境模拟工具包，是国家自然科学基金重点项目“住区微气候工程热物理问题研究”的子课题。该课题是清华大学建筑环境与设备研究所和建筑技术科学系共同研发的一款专门面向住宅类建筑的性能预测、设计及评估并集成于 AutoCAD R14 上的辅助设计计算软件。
这款软件的主要功能是可以对建筑物热特性指标的数据模拟进行计算、住宅室空间温度计算、对住宅建筑的热特性指标的数据模拟计算、末端设备系统经济性分析等领域。该软件依托求解不稳定传热方程组，并且通过该数据模拟动态的热特性，以模拟建筑物的热能耗。该软件可以模拟的数据量达到了 1 兆字节，依托强大的数据运算，模拟描述中等复杂度的建筑物热环境平均只需一人一天的时间，提高了能耗模拟的效率。
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6 结论与展望
本文首先对关中建筑保温材料进行了大致分类，总结出了几种常见的建筑外墙保温材料的性能特点，对比分析了外保温材料各自特性及优点缺点之后，通过实验室不同的实验平台上构建各种类型的墙体结构，利用标定热箱法的测量方法对实验中的各种不同类型的墙体进行数据测定，通过软件模拟（De ST-h）模拟各种实验墙体的建筑物总负荷之间的关系；利用测量出的导热系数对比《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015 中的外墙传热系数限制条件；分析墙体“绿标”的分值；提炼出计算经济保温层厚度的计算公式，并且根据关中地区的特点进行优化，得到以下结论：
（1）相比较传统的无保温措施的黏土多孔砖墙体，采用一定厚度（10mm）的挤塑保温板的墙体所构成的建筑物总负荷相比较之前下降了 38%。这当中保温层厚度由 10mm 增加到 90mm 的过程中，累计总负荷由 917109.15 KW·h 减小到 644107.36KW·h，其中每增加 10cm 厚度，节能率分别为 11.2%、9%、6.3%、3.21%、2.2%、1.3%、0.9%、0.4%，表明当厚度增加到 30cm 以后，建筑总负荷减少的作用也逐渐降低。在《绿色建筑评价标准》中都可得 5 分得标准的墙体类型有 50mm 厚发泡型聚苯乙烯泡沫做墙体保温材料的加气混凝土型墙体组合与 60mm 厚发泡型聚苯乙烯泡沫做墙体保温材料的黏土多孔砖型墙体，但是从软件数据模拟的结果来看，对于同种建筑墙体结构，从材料传热系数角度可能满足“绿标”中相关评价标准，而从建筑物总体能耗角度则可能满足不了相关要求，应从两方面综合考虑和比较。
（2）在最常用的围护结构加气混凝土墙中的经济保温层分别是 50mm 厚EPS、40mm 厚 XPS、30mm 厚 GF、5mm 厚 AB、50mm 厚 PU，其对应的投资费用分别是 181.6 元、172.2 元、203.7 元、223.4 元、405 元。
（3）经济保温层的厚度能最大限度的节约成本，实验对比分析了岩棉板、气凝胶毡、XPS 板、EPS 板、PU 板、五种保温材料各自性能特点，通过实验得出气凝胶粘具有最高的保温性能，但从性价比的角度来看聚苯乙烯塑保温板具有较高的性价比。不必要的增加厚度，既不能显著提高保温效果，同时还将会造成建筑总成本的增加。本文通过实验计算出相对适合关中地区典型墙体的经济保温层厚度，为关中地区的节能墙体的选取提供了有益的帮助。
参考文献（略）