商業(yè)建筑外墻保溫層合理厚度研究

韓京彤，聶金哲，李德英

（北京建筑大學(xué)，北京 100044）

0 引言

外墻外保溫作為建筑節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)之一，對公共建筑節(jié)能影響巨大。近年來，我國節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)步提高，外墻熱工性能限值進(jìn)一步減小，節(jié)能性能進(jìn)一步提高。但是，大型公共建筑人員、設(shè)備和燈光集中，內(nèi)熱源相對較大，且為了提高人們舒適度水平，往往室內(nèi)溫度設(shè)定較高，當(dāng)節(jié)能性能過高時(shí)極易造成建筑過度保溫的現(xiàn)象。因此，提升公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，要關(guān)注建筑的實(shí)際使用情況，以免造成不必要的能源浪費(fèi)。

目前，公共建筑外墻保溫層最優(yōu)厚度的研究多數(shù)是以經(jīng)濟(jì)性為指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算[1-3]，對外墻過度保溫的研究也集中于夏熱冬冷地區(qū)[4-5]，而對嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的外墻過度保溫研究較少。因此，本文擬采用某4層商業(yè)建筑作為建筑模型，研究不同氣候區(qū)（嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)）發(fā)生過度保溫的外墻保溫層厚度，并改變其他圍護(hù)構(gòu)件參數(shù)以探究對建筑總能耗的影響，可為商業(yè)建筑外墻保溫最佳厚度優(yōu)化提供參考。

1 模型建筑設(shè)置

1.1 模型建筑基本信息

選取某4層商業(yè)建筑作為模型建筑，選用DeST-C軟件進(jìn)行模擬，建筑立體圖如圖1所示，該建筑基本信息見表1。

圖1 某4層商業(yè)建筑立體模型

表1 模型建筑基本信息

1.2 模型建筑參數(shù)設(shè)置

根據(jù)GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定，室內(nèi)人員在室率及燈光、設(shè)備使用率如圖2所示，照明功率密度為10 W/m2、設(shè)備功率密度為13 W/m2，人均占有建筑面積為8 m2/人?？照{(diào)全年開啟，開啟時(shí)間為08：00~21：00。冬季空調(diào)室溫設(shè)定上限為22℃、下限為20℃，夏季空調(diào)設(shè)定上限為27℃、下限為25℃。

圖2 室內(nèi)人員在室率及燈光、設(shè)備使用率

2 模擬內(nèi)容

2.1 不同氣候區(qū)外墻保溫層厚度對空調(diào)能耗的影響

不同氣候區(qū)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)存在差異，其基礎(chǔ)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置不同。參考GB 50189—2015規(guī)定的熱工限值，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能設(shè)置如表2所示。外墻保溫材料選擇膨脹聚苯板，導(dǎo)熱系數(shù)為0.046 W/（m2·K），干密度為20 kg/m3?？刂莆菝婧屯獯暗绕渌麌o(hù)構(gòu)件熱工參數(shù)不變，只改變外墻保溫層厚度，探究隨著保溫層厚度的增加，全年空調(diào)能耗的變化趨勢。選取嚴(yán)寒（沈陽）、寒冷（北京）、夏熱冬冷（長沙）和夏熱冬暖（廣州）等4個(gè)典型城市進(jìn)行能耗模擬，研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層過度保溫厚度并進(jìn)行對比分析。

表2 4個(gè)典型城市建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置

2.2 改變其他圍護(hù)構(gòu)件性能參數(shù)對外墻過度保溫厚度的影響

2.2.1 改變屋面保溫層厚度對外墻過度保溫厚度的影響

以北京地區(qū)建筑模型為例，控制外窗等其余圍護(hù)構(gòu)件熱工參數(shù)不變，屋面保溫層厚度分別為60、80、100 mm情況下，探究隨著保溫層厚度的增加，全年空調(diào)能耗的趨勢變化。屋面保溫材料選擇擠塑聚苯板，導(dǎo)熱系數(shù)為0.033 W/（m2·K），干密度為30 kg/m3。

2.2.2 改變外窗傳熱系數(shù)對外墻過度保溫厚度的影響

以北京地區(qū)為例，控制其余圍護(hù)構(gòu)件熱工參數(shù)不變，外窗傳熱系數(shù)分別為2.0、2.2、2.4 W/（m2·K）情況下，探究隨著保溫層厚度的增加，全年空調(diào)能耗的趨勢變化。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 不同氣候區(qū)外墻保溫層厚度對空調(diào)能耗的影響

3.1.1 嚴(yán)寒地區(qū)（以沈陽為例）

單位面積全年空調(diào)能耗隨外墻保溫層厚度的變化趨勢如圖3所示。

圖3 嚴(yán)寒地區(qū)外墻保溫層厚度對空調(diào)總能耗的影響

由圖3可見，保溫層厚度從0增大到300 mm，傳熱系數(shù)從1.736 W/（m2·K）下降到0.141 W/（m2·K）。保溫層厚度從0開始增加，空調(diào)能耗逐漸降低，直到厚度為300 mm，空調(diào)能耗依然呈降低趨勢，未出現(xiàn)能耗最小值。這是因?yàn)閲?yán)寒地區(qū)氣候相對寒冷，增大外墻保溫層厚度后，夏季冷負(fù)荷增加速率明顯小于冬季熱負(fù)荷減少速率，增加外墻保溫層厚度對建筑冬季保溫的影響大于夏季隔熱，因此并未出現(xiàn)建筑總能耗最小值。由此可以得出，嚴(yán)寒地區(qū)在現(xiàn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)下不易出現(xiàn)外墻過度保溫的現(xiàn)象。

3.1.2 寒冷地區(qū)（以北京為例）

單位面積全年空調(diào)能耗隨外墻保溫層厚度的變化情況如圖4所示。

圖4 寒冷地區(qū)外墻保溫層厚度對空調(diào)總能耗的影響

由圖4可見，保溫層厚度從0增大到140 mm，傳熱系數(shù)從1.736 W/（m2·K）下降到0.276 W/（m2·K）。保溫層厚度從0開始增加，空調(diào)能耗逐漸降低，到厚度為60 mm時(shí)能耗達(dá)到最小值，此時(shí)外墻傳熱系數(shù)為0.532 W/（m2·K），最低全年冷熱總負(fù)荷為447 520.42 kW·h，節(jié)能率為3.794%；當(dāng)保溫層厚度大于60 mm時(shí)，能耗逐漸上升，但升速緩慢。這是因?yàn)椋鈮Ρ貙雍穸仍?0 mm以下，總趨勢與嚴(yán)寒地區(qū)相一致，隨著厚度的增加，建筑熱負(fù)荷減少速率大于冷負(fù)荷增加速率，建筑總負(fù)荷呈下降趨勢；當(dāng)厚度超過60 mm，此時(shí)增加外墻保溫層厚度對建筑夏季隔熱的影響大于冬季保溫，冬季熱負(fù)荷增加速率小于夏季冷負(fù)荷減少速率，因此總能耗呈現(xiàn)上升趨勢。

3.1.3 夏熱冬冷地區(qū)（以長沙為例）

夏熱冬冷地區(qū)單位面積全年空調(diào)能耗的變化趨勢與寒冷地區(qū)相似，如圖5所示。

圖5 夏熱冬冷地區(qū)外墻保溫層厚度對空調(diào)總能耗的影響

由圖5可見，保溫層厚度從0開始增加，到厚度為10 mm時(shí)空調(diào)能耗達(dá)到最小值，此時(shí)外墻傳熱系數(shù)為1.261W/（m2·K），全年最低冷熱總負(fù)荷為588 916.77 kW·h；保溫層厚度大于10 mm時(shí)能耗上升。

模擬結(jié)果表明，使該地區(qū)建筑空調(diào)總能耗最低的保溫層厚度為10 mm，對應(yīng)外墻傳熱系數(shù)為1.261 W/（m2·K），而GB 50189—2015的基本要求為1.0 W/（m2·K），模擬得出的最佳外墻傳熱系數(shù)大于節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求，這是因?yàn)槟M中設(shè)置全年開啟空調(diào)，而商業(yè)建筑在實(shí)際運(yùn)行中，為減少全年空調(diào)總能耗一般會(huì)分季節(jié)供冷及供暖；因此，設(shè)定供冷季為5月15日至次年10月15日，供暖季為11月15日至次年3月15日，其余模擬參數(shù)不變，結(jié)果如圖6。

圖6 夏熱冬冷地區(qū)外墻保溫層厚度對空調(diào)總能耗的影響（分季節(jié)開啟空調(diào)）

由圖6可見，總能耗變化趨勢不變，保溫層厚度從0開始增加，保溫層厚度為40 mm時(shí)能耗達(dá)到最小值，此時(shí)外墻傳熱系數(shù)為0.692 W/（m2·K），符合夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求。不難看出，外墻保溫層最佳厚度不僅與氣候區(qū)有關(guān)，還與實(shí)際設(shè)計(jì)的空調(diào)開啟時(shí)間有關(guān)，因此，實(shí)際工程中外墻保溫層最佳厚度的確定需進(jìn)行能耗計(jì)算，并與空調(diào)開啟情況相結(jié)合，綜合考慮計(jì)算后才能確定外墻保溫層最佳厚度。

3.1.4 夏熱冬暖地區(qū)（以廣州為例）

夏熱冬暖地區(qū)單位面積全年空調(diào)能耗的變化趨勢如圖7所示。

圖7 夏熱冬暖地區(qū)外墻保溫層厚度對空調(diào)總能耗的影響

由圖7不難發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)隨著外墻保溫層厚度的增加，全年單位面積空調(diào)總能耗不斷上升，且在模擬中未曾出現(xiàn)能耗最小值或最大值，因此建議不設(shè)置外墻保溫。夏熱冬暖地區(qū)氣候炎熱，對該地區(qū)來講，外墻特性的研究更應(yīng)關(guān)注于隔熱而不是保溫，因此，對比不同氣候區(qū)外墻保溫層厚度對空調(diào)能耗的影響時(shí)暫不予考慮夏熱冬暖地區(qū)。

3.1.5 不同氣候區(qū)對比分析

為了更加直觀地比較不同氣候區(qū)外墻保溫層厚度對空調(diào)總能耗的影響，以外墻保溫層厚度為0時(shí)空調(diào)能耗為基準(zhǔn)能耗，定義如式（1）～式（3）：

式中：Q1、Q2、Q3——嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)外墻保溫層厚度為0時(shí)的空調(diào)能耗，kW·h；

Qx1、Qx2、Qx3——嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)外墻保溫層厚度為x mm時(shí)的空調(diào)能耗，kW·h。

嚴(yán)寒、寒冷和夏熱冬冷3個(gè)氣候區(qū)外墻保溫層厚度對空調(diào)總能耗的對比如圖8所示。

圖8 不同氣候區(qū)外墻保溫層厚度對空調(diào)總能耗的對比

由圖8可見，在嚴(yán)寒地區(qū)，增加外墻保溫層厚度能耗降低最明顯，這是因?yàn)樵黾油鈮Ρ貙雍穸戎饕绊懚究照{(diào)能耗，雖然隨著外墻保溫層厚度的增加夏季冷負(fù)荷增加，但是冬季熱負(fù)荷減少量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夏季冷負(fù)荷增加量，因此，顯示出全年空調(diào)能耗持續(xù)下降的趨勢。在寒冷地區(qū)，與嚴(yán)寒地區(qū)相比，氣候相對溫暖，在達(dá)到能耗最低的保溫層厚度之前，全年空調(diào)能耗持續(xù)下降，但減少率少于嚴(yán)寒地區(qū)，并且到一定厚度時(shí)，外墻過度保溫，空調(diào)能耗反而增加。在夏熱冬冷地區(qū)，全年空調(diào)能耗主要是夏季冷負(fù)荷，增加外墻保溫層厚度能耗降低率很小，并且在保溫層厚度20 mm以后，能耗持續(xù)增加，且增加幅度相對較大。

3.2 改變其他圍護(hù)構(gòu)件性能參數(shù)對外墻過度保溫厚度的影響

3.2.1 改變屋面性能參數(shù)對外墻過度保溫厚度的影響（見圖9）

由圖9可見，屋面保溫層厚度60 mm時(shí)，外墻保溫層厚度為80 mm時(shí)空調(diào)能耗最小，為448 955.17 kW·h；屋面保溫層厚度80 mm時(shí)，外墻保溫層厚度為60 mm時(shí)空調(diào)能耗最小，為447 520.41 kW·h；屋面保溫層厚度100 mm時(shí)，外墻保溫層厚度為50 mm時(shí)空調(diào)能耗最小，為446 712.36 kW·h?？梢?，隨著屋面保溫層厚度的增大，外墻對應(yīng)的能耗最低的保溫層厚度逐漸減小，全年總空調(diào)能耗也同樣減少。因此，可適當(dāng)提升屋面保溫以減少建筑過度保溫的程度，降低總空調(diào)能耗。

圖9 改變屋面保溫層厚度對外墻過度保溫厚度的影響

3.2.2 改變外窗性能參數(shù)對外墻過度保溫厚度的影響

（見圖10）

圖10 改變外窗傳熱系數(shù)對外墻過度保溫厚度的影響

由圖10可見，外窗的傳熱系數(shù)為2.0 W/（m2·K）時(shí)，外墻保溫層厚度為50 mm時(shí)空調(diào)能耗最小，為447 655.36 kW·h；外窗傳熱系數(shù)為2.2 W/（m2·K）時(shí)，外墻保溫層厚度為60 mm時(shí)空調(diào)能耗最小，為447 520.42 kW·h；外窗傳熱系數(shù)為2.4 W/（m2·K）時(shí)，外墻保溫層厚度為90 mm時(shí)空調(diào)能耗最小，為447 437.93 kW·h?？梢?，隨著外窗的傳熱系數(shù)的增大，外墻對應(yīng)的能耗最低的保溫層厚度增大，全年總空調(diào)能耗相對減少。這是因?yàn)橥獯皞鳠嵯禂?shù)的改變對建筑能耗影響相對較大，降低外窗傳熱系數(shù)同樣易造成建筑過度保溫的現(xiàn)象。因此，可適當(dāng)降低外窗的傳熱系數(shù)以減少建筑過度保溫的程度。

4 結(jié) 論

（1）除外墻以外的其他圍護(hù)構(gòu)件參數(shù)不變時(shí)，存在使建筑空調(diào)能耗最小的外墻保溫層厚度，當(dāng)超過這一厚度時(shí)，全年空調(diào)能耗會(huì)增加，進(jìn)而出現(xiàn)過度保溫的現(xiàn)象。經(jīng)過模擬計(jì)算，建筑模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)符合GB 50189—2015要求的限值的前提下，寒冷地區(qū)空調(diào)能耗最低的外墻保溫層厚度為60 mm，夏熱冬冷地區(qū)為10 mm；嚴(yán)寒地區(qū)氣候相對寒冷，未出現(xiàn)過度保溫的現(xiàn)象。

（2）當(dāng)開啟空調(diào)時(shí)間改變時(shí)，使建筑總能耗最小的外墻保溫層最佳厚度也會(huì)發(fā)生改變。以夏熱冬冷地區(qū)的長沙為例，當(dāng)空調(diào)全年開啟時(shí)空調(diào)總能耗最低的外墻保溫層厚度為10 mm，空調(diào)分供暖季和供冷季開啟時(shí)外墻保溫層最佳厚度為40 mm。

（3）當(dāng)改變某一圍護(hù)構(gòu)件（如外窗、屋面等）的熱工性能時(shí)，使建筑空調(diào)能耗最小的外墻保溫層厚度會(huì)發(fā)生改變，且空調(diào)能耗最小值也會(huì)發(fā)生變化。本文算例中，相對增加屋面保溫層厚度能降低空調(diào)能耗最小值，相對降低外窗傳熱系數(shù)能降低空調(diào)能耗最小值。