基于聚苯乙烯的Ecotect模型在室内设计中的应用

时间：2024-09-03

高欣怡，黄纬维

（广西电力职业技术学院，广西壮族自治区南宁市 530007）

聚苯乙烯因形貌可控、粒径均一、绝缘绝热、比表面积大、隔音等优点，在轻工业、建筑、国防、航运等领域应用广泛［1-3］。聚苯乙烯泡沫塑料是以聚苯乙烯为原料，通过添加发泡剂，并且加热使之发生软化，得到结构为硬质孔洞的高分子轻型材料［4］。聚苯乙烯泡沫塑料为闭孔结构，吸水性能较差，具有极佳的抗水性能；密度较小，为0.015～0.030 g/cm3；具有优异的缓冲性能，主要用于缓冲材料［5］；具有极佳的加工性能，可以很好的上色；容易创建模型，使用这种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领域，针对建筑中潮湿、保温和防治冻害等，同时为整体建筑工程提供相应的保护措施［7］。20世纪60年代，我国对于聚苯乙烯泡沫塑料的研究已经初具成效，2017年，聚苯乙烯泡沫塑料的年均消费量超过了75 155.4 kt，在建筑方面应用约占60%［7］。在建筑领域中所涉及到的聚苯乙烯泡沫塑料材料为节能复合墙体，这种墙体在承重和保温方面具有很大优势［8］。本工作通过构建Ecotect模型，对聚苯乙烯在室内设计中的应用进行了研究。

1 Ecotect的主要特点

Ecotect是一种使用较广泛的节能模拟分析平台，在室内节能设计各阶段可发挥其优势。Ecotect采用较为直观、灵活的三维模型操作，对复杂几何体的构思过程进行了简化［9］。Ecotect软件在进行建模时，以当地实际的环境特点和气候资料作为资料数据，同时从建筑内部环境的多个角度分析，包含光、声、热和日照等具体环境，还根据相应的经济影响和可视度来进行分析研究。

2 聚苯乙烯泡沫塑料的性能

2.1 测试与表征

压缩性能按ASTM D 6108—2013测试；力学性能采用苏州力高检测设备有限公司的HF-9005型电子万能材料试验机测试，测试速度为2.2 mm/min；热导率采用美国Meter公司的TEMPOS型热特性分析仪测试，试样为205 mm×205 mm×45 mm的柱体；热重（TG）分析采用瑞士梅特勒-托利多公司的TGA/DSC2型同步热分析仪测试，氮气气氛，升温速率为10.5 ℃/min，温度为25～805 ℃。

2.2 压缩性能

从图1可以看出：聚苯乙烯泡沫塑料的密度从66 kg/m3增加到81 kg/m3时，压缩强度从357.5 MPa增大到375.0 MPa，增加了4.90%；密度从81 kg/m3增加到96 kg/m3时，压缩强度变化不明显；密度从96 kg/m3增加到111 kg/m3时，压缩强度增大了8.28%；密度从111 kg/m3增加到141 kg/m3时，压缩强度从392.5 MPa增大到492.0 MPa，增大了25.35%，增幅非常大。这说明聚苯乙烯泡沫塑料的密度在一定情况下可以决定压缩性能，压缩强度随着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，压缩强度越大。

图1 聚苯乙烯泡沫塑料的密度与压缩强度的关系Fig.1 Density of polystyrene foams as a function of compressive strength

2.3 热导率

评价材料保温隔热性能主要依靠热导率，从图2看出：随聚苯乙烯泡沫塑料密度的增加，热导率增加。说明聚苯乙烯泡沫塑料的泡沫孔洞结构起到很好的保温作用，同时泡孔密度也与热导率有着紧密联系，泡孔密度减少时，泡沫孔洞会增大，反之，泡孔密度增大时，泡沫孔洞会减小，而导热性能也会变差，从而得到极佳的保温效果［10］。

图2 聚苯乙烯泡沫塑料的密度与热导率的关系Fig.2 Density of polystyrene foams as a function of thermal conductivity

2.4 耐火性能

从表1可以看出：聚苯乙烯泡沫塑料的TG曲线可以分三个阶段。第一阶段为失水阶段，对应的温度为0～370 ℃，在此区间有轻微质量损失发生，为7.0%～8.5%；第二阶段为内部裂解阶段，温度为370～505 ℃，而在温度为422～474 ℃时，热分解速率非常快，质量损失较大，高于71.5%；第三阶段为炭化阶段，当温度超过505 ℃时，质量损失小于7.0%，已达到稳定的状态。聚苯乙烯泡沫塑料在温度变化过程中，总体上是相对稳定的，其所具有的热解区间较大，因而在很大程度上会使燃烧过程的放热速率得到减缓，这样热分解过程的热量积累就得到了延缓，从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

从图3可以看出：聚苯乙烯泡沫塑料的热导率随吸水率的增加而上升，在4%左右浮动。聚苯乙烯泡沫塑料属于有机高分子材料，其保湿保温性能良好，同时吸水率较低。在施工时，通过对材料防水进行有效处理，控制其吸水能力，从而可提升保湿保温效果。聚苯乙烯泡沫塑料的密度和吸水率关系比较紧密，通常，聚苯乙烯泡沫塑料中的密度越大，其孔洞结构越紧密，对水的隔绝作用越大，吸水率会大幅降低。

3 聚苯乙烯泡沫塑料建筑节能和成本分析

3.1 聚苯乙烯泡沫塑料Ecotect模型的建立

图3 聚苯乙烯泡沫塑料的吸水率与热导率的关系Fig.3 Water absorption of polystyrene foams as a function of thermal conductivity

对不同的聚苯乙烯泡沫塑料的设计参数利用Ecotect进行性能模拟，可获得对应评价指标值，在对应评价指标值中选出一个最佳值，作为最优参考数据序列的各实体，在待选建筑节能设计方案中，各项指标值为数列的各实体，可通过公式ri=求出关联度（其中，ri为关联度；k为评价指标序号；Wk为各指标目标优先权重；ξk（k）为比较数列与参考数列的相对差值）。关联度越大，表明对聚苯乙烯泡沫塑料的设计方案越节能。

以广东省深圳市某11层办公楼为例，主要分析聚苯乙烯泡沫塑料的节能环保效果。针对此类建筑对象而言，使用Autodesk REVIT进行信息模拟，该软件属于一种建筑信息模拟工具，可对门窗、墙体、房屋屋顶以及地板等多种建筑材料进行分析研究。该办公楼建筑面积为3 445 m2，总共为11层，每层层高为3.5 m，墙窗面积比为1∶1，使用Ecotect进行仿真实验并模拟计算。本研究采用三种模型对聚苯乙烯泡沫塑料的保温性能进行研究，模型A未对房屋建筑进行任何处理；模型B对于外墙和屋顶进行了聚苯乙烯泡沫塑料保温处理；模型C则对外墙、屋顶以及门窗进行了聚苯乙烯泡沫塑料处理，以确定最佳的设计方案。模拟仿真模型的三种方案见表2。

表2 模拟仿真模型的三种方案Tab.2 Three scenarios of simulation model

从表3可以看出：未进行保温设计的模型A的总传热系数较采用聚苯乙烯泡沫塑料保温的模型B和模型C高，说明聚苯乙烯泡沫塑料能够有效改善房屋建筑的保温隔热性能。

表3 墙体和屋顶的仿真模拟相关数据Tab.3 Simulation data of walls and roofs

3.2 模型室内设计成本分析

经济成本在室内设计过程中不可忽略，在评价某一产品经济效益时，其重要方法就是成本分析。将聚苯乙烯泡沫塑料用于建筑材料时，虽然具有极佳的保温效果，但是出于对成本的考虑，依旧需要对其进行综合性能衡量。因而，本工作分析三种模型的成本，评价年度能耗费用和额外投资费用。假定保温材料具有相同的安装费用，可以按照式（1）计算额外投资，按照式（2）计算投资回收期。

从图4可以看出：聚苯乙烯泡沫塑料保温墙体材料单位成本最高，沙料最低。

图4 墙体、保温材料、屋顶的单位成本Fig.4 Unit costs of wall，heat insulating materials and roof

从表4和图5可以看出：额外投资费用最大的是模型C，原因是门窗边框保温材料的安装、购置费用；额外投资费用最小的是模型B，原因是未对建筑的门窗结构采用相应的保温方案，从而降低了建筑模型B在能耗费用上的成本。

表4 两种模型的材料费用Tab.4 Material costs for two models

图5 两种模型的额外投资及能耗费用和年度节能Fig.5 Additional investment and energy consumption cost and annual energy conservation of two models

结合图5，从图6看出：模型B的年度节能值为34 325美元，投资回报期为15.9 a；模型C的年度节能值为55 365美元，投资回报期为13.2 a；模型C的额外投资为718 270美元，模型B的额外投资为541 033美元，模型C的额外投资较模型B高32.76%，而投资回报期则缩短了16.98%。

图6 两种模型的投资回报期Fig.6 Investment return period of two models