辦公建筑外墻保溫材料厚度優(yōu)化研究

劉方舟，聶金哲，李德英，韓京彤

（北京建筑大學(xué)，北京市供熱、供燃?xì)狻⑼L(fēng)及空調(diào)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)的能源消耗不斷增加，其中尤以建筑能耗最為明顯。中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告（2017年）》數(shù)據(jù)顯示，2015年全國(guó)建筑總面積達(dá)到613億m2，建筑能源消費(fèi)總量為8.57億t標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的20%。在建筑能耗中，國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑單位面積年耗電量為普通居民住宅的10～20倍，且是歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家同類建筑的1.5～2倍[1]。由此可見(jiàn)，對(duì)辦公建筑進(jìn)行有效的節(jié)能研究，對(duì)于降低建筑能耗，減少污染物排放具有重要意義。

鑒于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能對(duì)建筑節(jié)能起到的重要作用[2]，本文針對(duì)外墻保溫材料厚度對(duì)辦公建筑能耗帶來(lái)的影響進(jìn)行研究。構(gòu)建建筑模型，通過(guò)控制保溫材料與氣候區(qū)2個(gè)變量，對(duì)建筑能耗和其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合分析，比較各變量間的節(jié)能效果，并綜合確定最佳的保溫材料厚度。

1 辦公建筑模型建立

1.1 建筑模型的確定

本文計(jì)劃選取一棟辦公建筑，利用DeST-C模擬軟件對(duì)其進(jìn)行模型建立，并模擬建筑的能耗情況，繪制建筑總能耗指標(biāo)與外墻保溫層厚度的關(guān)系曲線。同時(shí)經(jīng)過(guò)調(diào)研分析，首先選取目前市場(chǎng)上應(yīng)用較廣泛的膨脹聚苯板（EPS）、擠塑型聚苯板（XPS）及巖棉3種外墻保溫材料作為研究對(duì)象，分析保溫材料對(duì)上述關(guān)系曲線的影響。其次，選取長(zhǎng)春、青島、長(zhǎng)沙和福州4個(gè)氣候區(qū)的典型城市作為研究對(duì)象，分析氣候情況對(duì)關(guān)系曲線的影響。

1.1.1 建筑概況

選取建筑模型為3層辦公建筑（局部4層，見(jiàn)圖1），層高均為3.6 m，體形系數(shù)0.28。南北朝向，窗墻比分別為東向0.03，西向0.04，南向0.26，北向0.31?？偨ㄖ娣e為2834.12 m2，空調(diào)面積為1860.74 m2。建筑內(nèi)部主要功能性房間有辦公室、會(huì)議室、衛(wèi)生間。

圖1 DeST典型辦公建筑模型

1.1.2 模型參數(shù)設(shè)定

制冷期統(tǒng)一設(shè)置為5月1日至9月1日，供暖期統(tǒng)一設(shè)置為11月15日～3月15日。4個(gè)不同氣候區(qū)的外墻性能參數(shù)設(shè)置情況如表1所示。

表1 4個(gè)不同氣候區(qū)典型城市外墻基本性能參數(shù)

1.2 輸入變量的確定

1.2.1 外墻保溫材料的選擇

目前比較常用的外墻保溫材料，主要分為有機(jī)類和無(wú)機(jī)類。其中有機(jī)類主要包括膨脹聚苯板（EPS）、擠塑型聚苯板（XPS）、聚氨酯泡沫（PU）、酚醛泡沫（PF）等，無(wú)機(jī)材料主要包括巖棉、泡沫玻璃（陶瓷）、泡沫混凝土、無(wú)機(jī)空心球泡沫等[3]。上述幾種材料中，EPS具有隔聲效果好、機(jī)械強(qiáng)度高、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)；XPS導(dǎo)熱系數(shù)低、保溫隔熱效果好、防水性佳；巖棉防火能力強(qiáng)、耐久性好[3-4]。故選用此3種較為常用的外墻保溫材料作為研究對(duì)象。

1.2.2 典型城市的選擇

為研究不同氣象參數(shù)對(duì)辦公建筑能耗的影響，選取嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)等4個(gè)氣候區(qū)的典型城市作為研究對(duì)象。根據(jù)GB 50352—2005《民用建筑設(shè)計(jì)通則》確定4個(gè)城市依次為長(zhǎng)春（嚴(yán)寒地區(qū)）、青島（寒冷地區(qū)）、長(zhǎng)沙（夏熱冬冷地區(qū)）、福州（夏熱冬暖地區(qū)）。

2 保溫材料能耗模擬結(jié)果分析

2.1 保溫材料種類為變量的模擬結(jié)果

取保溫材料厚度0～300 mm范圍進(jìn)行模擬計(jì)算，得到4個(gè)典型城市采用3種不同保溫材料的全年能耗指標(biāo)對(duì)比（見(jiàn)見(jiàn)圖 2）。

圖2 不同保溫材料對(duì)全年能耗指標(biāo)的影響

由圖2可以看出，長(zhǎng)春、青島和長(zhǎng)沙地區(qū)3種材料全年能耗指標(biāo)的大小雖然不同，但變化趨勢(shì)以及節(jié)能效果基本相同，厚度在0～100 mm范圍內(nèi)時(shí)，下降趨勢(shì)比較明顯。厚度為100 mm時(shí)，節(jié)能率基本可以達(dá)到10%左右。厚度超過(guò)100 mm之后，隨著保溫層厚度的增長(zhǎng)，節(jié)能效果逐漸減弱，并最終趨于平穩(wěn)，但在300 mm處，能耗指標(biāo)仍未到達(dá)最低值。

而在福州地區(qū)，能耗隨保溫層厚度的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)迅速下降后再緩慢上升。為確定能耗最低點(diǎn)，使用Matlab軟件對(duì)關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，得到保溫層厚度與全年總空調(diào)負(fù)荷關(guān)系式如下（所有系數(shù)都是95%置信區(qū)間，下同）：

確定出EPS、XPS、巖棉3種材料的總空調(diào)負(fù)荷分別在55、42、53 mm處取得最小厚度。之所以出現(xiàn)這種情況，是由于在極小值之后，隨著保溫層厚度的繼續(xù)增加，雖然冬季的供暖負(fù)荷會(huì)下降，但與此同時(shí)，夏季夜晚由室內(nèi)通過(guò)外墻向室外傳遞的熱量也逐漸減少，大量熱量的存儲(chǔ)導(dǎo)致次日室內(nèi)冷負(fù)荷的上升。當(dāng)冷負(fù)荷的增加量大于熱負(fù)荷的減少量時(shí)，總空調(diào)負(fù)荷便會(huì)上升，此時(shí)繼續(xù)增加保溫層厚度也就不再節(jié)能。從總體上來(lái)看，3種保溫材料在4個(gè)地區(qū)的節(jié)能效果為XPS＞EPS=巖棉（EPS與巖棉的變化趨勢(shì)基本一致）。

2.2 氣候區(qū)為變量的模擬結(jié)果

將變量更改為氣候區(qū)，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行重新整理，得到3種材料在不同氣候區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。結(jié)果顯示，3種保溫材料在4個(gè)地區(qū)的節(jié)能率隨保溫層厚度的變化趨勢(shì)基本一致。以EPS為例，具體見(jiàn)圖3。

圖3 不同氣候區(qū)對(duì)全年總節(jié)能率的影響

由圖3可以看出，4個(gè)典型城市的節(jié)能率從大到小為青島＞長(zhǎng)春＞長(zhǎng)沙＞福州。造成4個(gè)地區(qū)節(jié)能效果不同的原因，主要是選取的3種保溫材料冬季的保溫性能都要優(yōu)于夏季的隔熱性能，所以對(duì)于嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的城市，其保溫層在冬季的節(jié)能效果就會(huì)更加明顯。青島地區(qū)采用300 mm保溫層厚度時(shí)節(jié)能率可以達(dá)到最大，為14.3%。然而，一味增加保溫層的厚度也會(huì)極大的增加投資費(fèi)用，這就需要通過(guò)對(duì)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，在保證滿足節(jié)能效果的同時(shí)也滿足經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性。

3 保溫材料經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性分析

在不同地區(qū)，使用不同的保溫材料，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益皆不相同。凈現(xiàn)值NPV，是指投資方案所產(chǎn)生的現(xiàn)金凈流量以資金成本為貼現(xiàn)率折現(xiàn)之后與原始投資額現(xiàn)值的差額。通過(guò)計(jì)算NPV值，可以得到各材料最經(jīng)濟(jì)的保溫層厚度，并且使得各變量下的經(jīng)濟(jì)效益的比較結(jié)果更加直觀。將每年的收益看作一致，則NPV計(jì)算公式如下：

式中：CI——年現(xiàn)金流入（節(jié)能費(fèi)用），元；

CO——年現(xiàn)金流出（投資費(fèi)用），元；

i——基準(zhǔn)折現(xiàn)率；

t——年限。

經(jīng)過(guò)調(diào)研，NPV計(jì)算基本參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 基本參數(shù)取值

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到各城市3種保溫材料外保溫層厚度與NPV對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。

根據(jù)圖4的計(jì)算結(jié)果，使用Matlab進(jìn)行曲線擬合，各城市3種外墻保溫材料厚度與凈現(xiàn)值NPV擬合關(guān)系式如下：

圖4 不同地區(qū)外墻保溫材料厚度與凈現(xiàn)值NPV的關(guān)系

（1）長(zhǎng)春

結(jié)合上述對(duì)于全年總能耗和保溫層厚度關(guān)系曲線的研究，以上求得的所有NPV最大值對(duì)應(yīng)的保溫層厚度都是各材料的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)厚度。在長(zhǎng)春、青島和長(zhǎng)沙3個(gè)地區(qū)，NPV取最大值對(duì)應(yīng)的保溫層厚度都在50～170 mm范圍內(nèi)；而在福州，總能耗從60 mm厚度左右就開(kāi)始上升，因此之后的NPV迅速下降到負(fù)值，同時(shí)也導(dǎo)致了NPV最大值對(duì)應(yīng)的厚度較小。從同一材料在不同地區(qū)的NPV計(jì)算結(jié)果來(lái)看，3種材料的NPV大小順序都是長(zhǎng)春＞青島＞長(zhǎng)沙＞福州，這同樣也與保溫材料在冬季保溫效果更加明顯有關(guān)。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于辦公建筑，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫層材料及厚度直接影響建筑能耗和舒適度。從總體上來(lái)看，隨著保溫層厚度的增加，建筑能耗首先會(huì)迅速下降，到達(dá)一定值后，下降趨勢(shì)會(huì)明顯減緩，甚至由于夏季室內(nèi)熱量的堆積，使得冷負(fù)荷的增加量大于冬季熱負(fù)荷的減少量，進(jìn)而導(dǎo)致能耗值的增大。

（2）從4個(gè)典型城市的比較來(lái)看，由于3種保溫材料的冬季保溫性能要優(yōu)于夏季隔熱性能，所以地處嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的長(zhǎng)春和青島的節(jié)能效果要優(yōu)于南方的長(zhǎng)沙和福州。節(jié)能率最大值出現(xiàn)在青島地區(qū)采用300 mm保溫層厚度時(shí)，為14.3%。

（3）保溫層厚度增加，會(huì)帶來(lái)投資費(fèi)用的增長(zhǎng)，因此一味增加保溫層厚度并不可行。通過(guò)對(duì)使用各保溫材料方案的NPV值的計(jì)算，得到最優(yōu)經(jīng)濟(jì)厚度分別為：

EPS：長(zhǎng)春 168 mm，青島 122 mm，長(zhǎng)沙 89 mm，福州 17 mm；XPS：長(zhǎng)春 94 mm，青島 68 mm，長(zhǎng)沙 51 mm，福州 9 mm；巖棉：長(zhǎng)春98 mm，青島71 mm，長(zhǎng)沙53 mm，福州12 mm。

[1] 梁俊強(qiáng).大型公建節(jié)能的政策導(dǎo)向[J].建設(shè)科技，2008（Z1）：80-83.

[2] 胡驗(yàn)君，蘇振國(guó)，楊金龍.建筑外墻外保溫材料的研究與應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報(bào)，2012，26（S2）：290-294.

[3]周思宇.不同氣候區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)對(duì)辦公建筑能耗的影響[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[4] 張垚，牛建剛，金國(guó)輝.建筑保溫材料節(jié)能性能及經(jīng)濟(jì)厚度優(yōu)化研究[J].建筑科學(xué)，2017，33（10）：149-156.