基于聚苯乙烯的Ecotect模型在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

高欣怡，黃緯維

（廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西壯族自治區(qū)南寧市 530007）

聚苯乙烯因形貌可控、粒徑均一、絕緣絕熱、比表面積大、隔音等優(yōu)點(diǎn)，在輕工業(yè)、建筑、國防、航運(yùn)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1-3］。聚苯乙烯泡沫塑料是以聚苯乙烯為原料，通過添加發(fā)泡劑，并且加熱使之發(fā)生軟化，得到結(jié)構(gòu)為硬質(zhì)孔洞的高分子輕型材料［4］。聚苯乙烯泡沫塑料為閉孔結(jié)構(gòu)，吸水性能較差，具有極佳的抗水性能；密度較小，為0.015～0.030 g/cm3；具有優(yōu)異的緩沖性能，主要用于緩沖材料［5］；具有極佳的加工性能，可以很好的上色；容易創(chuàng)建模型，使用這種材料制成的建筑可以抵抗一定程度的放射性；可用于土木工程和材料工程等領(lǐng)域，針對建筑中潮濕、保溫和防治凍害等，同時為整體建筑工程提供相應(yīng)的保護(hù)措施［7］。20世紀(jì)60年代，我國對于聚苯乙烯泡沫塑料的研究已經(jīng)初具成效，2017年，聚苯乙烯泡沫塑料的年均消費(fèi)量超過了75 155.4 kt，在建筑方面應(yīng)用約占60%［7］。在建筑領(lǐng)域中所涉及到的聚苯乙烯泡沫塑料材料為節(jié)能復(fù)合墻體，這種墻體在承重和保溫方面具有很大優(yōu)勢［8］。本工作通過構(gòu)建Ecotect模型，對聚苯乙烯在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 Ecotect的主要特點(diǎn)

Ecotect是一種使用較廣泛的節(jié)能模擬分析平臺，在室內(nèi)節(jié)能設(shè)計(jì)各階段可發(fā)揮其優(yōu)勢。Ecotect采用較為直觀、靈活的三維模型操作，對復(fù)雜幾何體的構(gòu)思過程進(jìn)行了簡化［9］。Ecotect軟件在進(jìn)行建模時，以當(dāng)?shù)貙?shí)際的環(huán)境特點(diǎn)和氣候資料作為資料數(shù)據(jù)，同時從建筑內(nèi)部環(huán)境的多個角度分析，包含光、聲、熱和日照等具體環(huán)境，還根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)影響和可視度來進(jìn)行分析研究。

2 聚苯乙烯泡沫塑料的性能

2.1 測試與表征

壓縮性能按ASTM D 6108—2013測試；力學(xué)性能采用蘇州力高檢測設(shè)備有限公司的HF-9005型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試，測試速度為2.2 mm/min；熱導(dǎo)率采用美國Meter公司的TEMPOS型熱特性分析儀測試，試樣為205 mm×205 mm×45 mm的柱體；熱重（TG）分析采用瑞士梅特勒-托利多公司的TGA/DSC2型同步熱分析儀測試，氮?dú)鈿夥?，升溫速率?0.5 ℃/min，溫度為25～805 ℃。

2.2 壓縮性能

從圖1可以看出：聚苯乙烯泡沫塑料的密度從66 kg/m3增加到81 kg/m3時，壓縮強(qiáng)度從357.5 MPa增大到375.0 MPa，增加了4.90%；密度從81 kg/m3增加到96 kg/m3時，壓縮強(qiáng)度變化不明顯；密度從96 kg/m3增加到111 kg/m3時，壓縮強(qiáng)度增大了8.28%；密度從111 kg/m3增加到141 kg/m3時，壓縮強(qiáng)度從392.5 MPa增大到492.0 MPa，增大了25.35%，增幅非常大。這說明聚苯乙烯泡沫塑料的密度在一定情況下可以決定壓縮性能，壓縮強(qiáng)度隨著聚苯乙烯泡沫塑料密度的增加而增大，聚苯乙烯泡沫塑料密度越大，壓縮強(qiáng)度越大。

圖1 聚苯乙烯泡沫塑料的密度與壓縮強(qiáng)度的關(guān)系Fig.1 Density of polystyrene foams as a function of compressive strength

2.3 熱導(dǎo)率

評價材料保溫隔熱性能主要依靠熱導(dǎo)率，從圖2看出：隨聚苯乙烯泡沫塑料密度的增加，熱導(dǎo)率增加。說明聚苯乙烯泡沫塑料的泡沫孔洞結(jié)構(gòu)起到很好的保溫作用，同時泡孔密度也與熱導(dǎo)率有著緊密聯(lián)系，泡孔密度減少時，泡沫孔洞會增大，反之，泡孔密度增大時，泡沫孔洞會減小，而導(dǎo)熱性能也會變差，從而得到極佳的保溫效果［10］。

圖2 聚苯乙烯泡沫塑料的密度與熱導(dǎo)率的關(guān)系Fig.2 Density of polystyrene foams as a function of thermal conductivity

2.4 耐火性能

從表1可以看出：聚苯乙烯泡沫塑料的TG曲線可以分三個階段。第一階段為失水階段，對應(yīng)的溫度為0～370 ℃，在此區(qū)間有輕微質(zhì)量損失發(fā)生，為7.0%～8.5%；第二階段為內(nèi)部裂解階段，溫度為370～505 ℃，而在溫度為422～474 ℃時，熱分解速率非常快，質(zhì)量損失較大，高于71.5%；第三階段為炭化階段，當(dāng)溫度超過505 ℃時，質(zhì)量損失小于7.0%，已達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。聚苯乙烯泡沫塑料在溫度變化過程中，總體上是相對穩(wěn)定的，其所具有的熱解區(qū)間較大，因而在很大程度上會使燃燒過程的放熱速率得到減緩，這樣熱分解過程的熱量積累就得到了延緩，從而可起到有效阻燃作用。

表1 聚苯乙烯泡沫塑料的TG分析Tab.1 TG analysis of polystyrene foams

2.5 吸水率

從圖3可以看出：聚苯乙烯泡沫塑料的熱導(dǎo)率隨吸水率的增加而上升，在4%左右浮動。聚苯乙烯泡沫塑料屬于有機(jī)高分子材料，其保濕保溫性能良好，同時吸水率較低。在施工時，通過對材料防水進(jìn)行有效處理，控制其吸水能力，從而可提升保濕保溫效果。聚苯乙烯泡沫塑料的密度和吸水率關(guān)系比較緊密，通常，聚苯乙烯泡沫塑料中的密度越大，其孔洞結(jié)構(gòu)越緊密，對水的隔絕作用越大，吸水率會大幅降低。

3 聚苯乙烯泡沫塑料建筑節(jié)能和成本分析

3.1 聚苯乙烯泡沫塑料Ecotect模型的建立

圖3 聚苯乙烯泡沫塑料的吸水率與熱導(dǎo)率的關(guān)系Fig.3 Water absorption of polystyrene foams as a function of thermal conductivity

對不同的聚苯乙烯泡沫塑料的設(shè)計(jì)參數(shù)利用Ecotect進(jìn)行性能模擬，可獲得對應(yīng)評價指標(biāo)值，在對應(yīng)評價指標(biāo)值中選出一個最佳值，作為最優(yōu)參考數(shù)據(jù)序列的各實(shí)體，在待選建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案中，各項(xiàng)指標(biāo)值為數(shù)列的各實(shí)體，可通過公式ri=求出關(guān)聯(lián)度（其中，ri為關(guān)聯(lián)度；k為評價指標(biāo)序號；Wk為各指標(biāo)目標(biāo)優(yōu)先權(quán)重；ξk（k）為比較數(shù)列與參考數(shù)列的相對差值）。關(guān)聯(lián)度越大，表明對聚苯乙烯泡沫塑料的設(shè)計(jì)方案越節(jié)能。

以廣東省深圳市某11層辦公樓為例，主要分析聚苯乙烯泡沫塑料的節(jié)能環(huán)保效果。針對此類建筑對象而言，使用Autodesk REVIT進(jìn)行信息模擬，該軟件屬于一種建筑信息模擬工具，可對門窗、墻體、房屋屋頂以及地板等多種建筑材料進(jìn)行分析研究。該辦公樓建筑面積為3 445 m2，總共為11層，每層層高為3.5 m，墻窗面積比為1∶1，使用Ecotect進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并模擬計(jì)算。本研究采用三種模型對聚苯乙烯泡沫塑料的保溫性能進(jìn)行研究，模型A未對房屋建筑進(jìn)行任何處理；模型B對于外墻和屋頂進(jìn)行了聚苯乙烯泡沫塑料保溫處理；模型C則對外墻、屋頂以及門窗進(jìn)行了聚苯乙烯泡沫塑料處理，以確定最佳的設(shè)計(jì)方案。模擬仿真模型的三種方案見表2。

表2 模擬仿真模型的三種方案Tab.2 Three scenarios of simulation model

從表3可以看出：未進(jìn)行保溫設(shè)計(jì)的模型A的總傳熱系數(shù)較采用聚苯乙烯泡沫塑料保溫的模型B和模型C高，說明聚苯乙烯泡沫塑料能夠有效改善房屋建筑的保溫隔熱性能。

表3 墻體和屋頂?shù)姆抡婺M相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.3 Simulation data of walls and roofs

3.2 模型室內(nèi)設(shè)計(jì)成本分析

經(jīng)濟(jì)成本在室內(nèi)設(shè)計(jì)過程中不可忽略，在評價某一產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益時，其重要方法就是成本分析。將聚苯乙烯泡沫塑料用于建筑材料時，雖然具有極佳的保溫效果，但是出于對成本的考慮，依舊需要對其進(jìn)行綜合性能衡量。因而，本工作分析三種模型的成本，評價年度能耗費(fèi)用和額外投資費(fèi)用。假定保溫材料具有相同的安裝費(fèi)用，可以按照式（1）計(jì)算額外投資，按照式（2）計(jì)算投資回收期。

從圖4可以看出：聚苯乙烯泡沫塑料保溫墻體材料單位成本最高，沙料最低。

圖4 墻體、保溫材料、屋頂?shù)膯挝怀杀綟ig.4 Unit costs of wall，heat insulating materials and roof

從表4和圖5可以看出：額外投資費(fèi)用最大的是模型C，原因是門窗邊框保溫材料的安裝、購置費(fèi)用；額外投資費(fèi)用最小的是模型B，原因是未對建筑的門窗結(jié)構(gòu)采用相應(yīng)的保溫方案，從而降低了建筑模型B在能耗費(fèi)用上的成本。

表4 兩種模型的材料費(fèi)用Tab.4 Material costs for two models

圖5 兩種模型的額外投資及能耗費(fèi)用和年度節(jié)能Fig.5 Additional investment and energy consumption cost and annual energy conservation of two models

結(jié)合圖5，從圖6看出：模型B的年度節(jié)能值為34 325美元，投資回報期為15.9 a；模型C的年度節(jié)能值為55 365美元，投資回報期為13.2 a；模型C的額外投資為718 270美元，模型B的額外投資為541 033美元，模型C的額外投資較模型B高32.76%，而投資回報期則縮短了16.98%。

圖6 兩種模型的投資回報期Fig.6 Investment return period of two models

4 結(jié)論

a）基于聚苯乙烯泡沫塑料，通過構(gòu)建Ecotect模型，對其在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

b）聚苯乙烯泡沫塑料的熱導(dǎo)率和壓縮強(qiáng)度隨密度的增加而增大；聚苯乙烯泡沫塑料的熱解區(qū)間較大，能使燃燒過程的放熱速率得到減緩，從而起到顯著的抑制燃燒的作用。

c）通過構(gòu)建Ecotect模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，與未采用適當(dāng)有效的保溫措施的室內(nèi)墻體相比，室內(nèi)建筑中墻體材料使用聚苯乙烯泡沫塑料作為保溫材料，具有較好的保溫隔熱性能。