办公建筑外墙保温材料厚度优化研究

刘方舟，聂金哲，李德英，韩京彤

（北京建筑大学，北京市供热、供燃气、通风及空调工程重点实验室，北京 100044）

0 引言

近年来，我国的能源消耗不断增加，其中尤以建筑能耗最为明显。中国建筑节能协会发布的《中国建筑能耗研究报告（2017年）》数据显示，2015年全国建筑总面积达到613亿m2，建筑能源消费总量为8.57亿t标准煤，占全国能源消费总量的20%。在建筑能耗中，国家机关办公建筑和大型公共建筑单位面积年耗电量为普通居民住宅的10～20倍，且是欧洲、日本等发达国家同类建筑的1.5～2倍[1]。由此可见，对办公建筑进行有效的节能研究，对于降低建筑能耗，减少污染物排放具有重要意义。

鉴于外围护结构的保温性能对建筑节能起到的重要作用[2]，本文针对外墙保温材料厚度对办公建筑能耗带来的影响进行研究。构建建筑模型，通过控制保温材料与气候区2个变量，对建筑能耗和其经济性进行综合分析，比较各变量间的节能效果，并综合确定最佳的保温材料厚度。

1 办公建筑模型建立

1.1 建筑模型的确定

本文计划选取一栋办公建筑，利用DeST-C模拟软件对其进行模型建立，并模拟建筑的能耗情况，绘制建筑总能耗指标与外墙保温层厚度的关系曲线。同时经过调研分析，首先选取目前市场上应用较广泛的膨胀聚苯板（EPS）、挤塑型聚苯板（XPS）及岩棉3种外墙保温材料作为研究对象，分析保温材料对上述关系曲线的影响。其次，选取长春、青岛、长沙和福州4个气候区的典型城市作为研究对象，分析气候情况对关系曲线的影响。

1.1.1 建筑概况

选取建筑模型为3层办公建筑（局部4层，见图1），层高均为3.6 m，体形系数0.28。南北朝向，窗墙比分别为东向0.03，西向0.04，南向0.26，北向0.31。总建筑面积为2834.12 m2，空调面积为1860.74 m2。建筑内部主要功能性房间有办公室、会议室、卫生间。

图1 DeST典型办公建筑模型

1.1.2 模型参数设定

制冷期统一设置为5月1日至9月1日，供暖期统一设置为11月15日～3月15日。4个不同气候区的外墙性能参数设置情况如表1所示。

表1 4个不同气候区典型城市外墙基本性能参数

1.2 输入变量的确定

1.2.1 外墙保温材料的选择

目前比较常用的外墙保温材料，主要分为有机类和无机类。其中有机类主要包括膨胀聚苯板（EPS）、挤塑型聚苯板（XPS）、聚氨酯泡沫（PU）、酚醛泡沫（PF）等，无机材料主要包括岩棉、泡沫玻璃（陶瓷）、泡沫混凝土、无机空心球泡沫等[3]。上述几种材料中，EPS具有隔声效果好、机械强度高、价格便宜的优点；XPS导热系数低、保温隔热效果好、防水性佳；岩棉防火能力强、耐久性好[3-4]。故选用此3种较为常用的外墙保温材料作为研究对象。

1.2.2 典型城市的选择

为研究不同气象参数对办公建筑能耗的影响，选取严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区等4个气候区的典型城市作为研究对象。根据GB 50352—2005《民用建筑设计通则》确定4个城市依次为长春（严寒地区）、青岛（寒冷地区）、长沙（夏热冬冷地区）、福州（夏热冬暖地区）。

2 保温材料能耗模拟结果分析

2.1 保温材料种类为变量的模拟结果

取保温材料厚度0～300 mm范围进行模拟计算，得到4个典型城市采用3种不同保温材料的全年能耗指标对比（见见图 2）。

图2 不同保温材料对全年能耗指标的影响

由图2可以看出，长春、青岛和长沙地区3种材料全年能耗指标的大小虽然不同，但变化趋势以及节能效果基本相同，厚度在0～100 mm范围内时，下降趋势比较明显。厚度为100 mm时，节能率基本可以达到10%左右。厚度超过100 mm之后，随着保温层厚度的增长，节能效果逐渐减弱，并最终趋于平稳，但在300 mm处，能耗指标仍未到达最低值。

而在福州地区，能耗随保温层厚度的变化趋势呈现迅速下降后再缓慢上升。为确定能耗最低点，使用Matlab软件对关系曲线进行拟合，得到保温层厚度与全年总空调负荷关系式如下（所有系数都是95%置信区间，下同）：

确定出EPS、XPS、岩棉3种材料的总空调负荷分别在55、42、53 mm处取得最小厚度。之所以出现这种情况，是由于在极小值之后，随着保温层厚度的继续增加，虽然冬季的供暖负荷会下降，但与此同时，夏季夜晚由室内通过外墙向室外传递的热量也逐渐减少，大量热量的存储导致次日室内冷负荷的上升。当冷负荷的增加量大于热负荷的减少量时，总空调负荷便会上升，此时继续增加保温层厚度也就不再节能。从总体上来看，3种保温材料在4个地区的节能效果为XPS＞EPS=岩棉（EPS与岩棉的变化趋势基本一致）。

2.2 气候区为变量的模拟结果

将变量更改为气候区，对上述数据进行重新整理，得到3种材料在不同气候区的对应关系曲线。结果显示，3种保温材料在4个地区的节能率随保温层厚度的变化趋势基本一致。以EPS为例，具体见图3。

图3 不同气候区对全年总节能率的影响

由图3可以看出，4个典型城市的节能率从大到小为青岛＞长春＞长沙＞福州。造成4个地区节能效果不同的原因，主要是选取的3种保温材料冬季的保温性能都要优于夏季的隔热性能，所以对于严寒和寒冷地区的城市，其保温层在冬季的节能效果就会更加明显。青岛地区采用300 mm保温层厚度时节能率可以达到最大，为14.3%。然而，一味增加保温层的厚度也会极大的增加投资费用，这就需要通过对经济性进行分析，在保证满足节能效果的同时也满足经济适应性。

3 保温材料经济适应性分析

在不同地区，使用不同的保温材料，产生的经济效益皆不相同。净现值NPV，是指投资方案所产生的现金净流量以资金成本为贴现率折现之后与原始投资额现值的差额。通过计算NPV值，可以得到各材料最经济的保温层厚度，并且使得各变量下的经济效益的比较结果更加直观。将每年的收益看作一致，则NPV计算公式如下：

式中：CI——年现金流入（节能费用），元；

CO——年现金流出（投资费用），元；

i——基准折现率；

t——年限。

经过调研，NPV计算基本参数取值见表2。

表2 基本参数取值

经过计算，得到各城市3种保温材料外保温层厚度与NPV对应关系曲线见图4。

根据图4的计算结果，使用Matlab进行曲线拟合，各城市3种外墙保温材料厚度与净现值NPV拟合关系式如下：

图4 不同地区外墙保温材料厚度与净现值NPV的关系

（1）长春

结合上述对于全年总能耗和保温层厚度关系曲线的研究，以上求得的所有NPV最大值对应的保温层厚度都是各材料的最优经济厚度。在长春、青岛和长沙3个地区，NPV取最大值对应的保温层厚度都在50～170 mm范围内；而在福州，总能耗从60 mm厚度左右就开始上升，因此之后的NPV迅速下降到负值，同时也导致了NPV最大值对应的厚度较小。从同一材料在不同地区的NPV计算结果来看，3种材料的NPV大小顺序都是长春＞青岛＞长沙＞福州，这同样也与保温材料在冬季保温效果更加明显有关。

4 结论

（1）对于办公建筑，其围护结构的保温层材料及厚度直接影响建筑能耗和舒适度。从总体上来看，随着保温层厚度的增加，建筑能耗首先会迅速下降，到达一定值后，下降趋势会明显减缓，甚至由于夏季室内热量的堆积，使得冷负荷的增加量大于冬季热负荷的减少量，进而导致能耗值的增大。

（2）从4个典型城市的比较来看，由于3种保温材料的冬季保温性能要优于夏季隔热性能，所以地处严寒和寒冷地区的长春和青岛的节能效果要优于南方的长沙和福州。节能率最大值出现在青岛地区采用300 mm保温层厚度时，为14.3%。

（3）保温层厚度增加，会带来投资费用的增长，因此一味增加保温层厚度并不可行。通过对使用各保温材料方案的NPV值的计算，得到最优经济厚度分别为：

EPS：长春 168 mm，青岛 122 mm，长沙 89 mm，福州 17 mm；XPS：长春 94 mm，青岛 68 mm，长沙 51 mm，福州 9 mm；岩棉：长春98 mm，青岛71 mm，长沙53 mm，福州12 mm。

[1] 梁俊强.大型公建节能的政策导向[J].建设科技，2008（Z1）：80-83.

[2] 胡验君，苏振国，杨金龙.建筑外墙外保温材料的研究与应用[J].材料导报，2012，26（S2）：290-294.

[3]周思宇.不同气候区围护结构节能技术对办公建筑能耗的影响[D].天津：天津大学，2012.

[4] 张垚，牛建刚，金国辉.建筑保温材料节能性能及经济厚度优化研究[J].建筑科学，2017，33（10）：149-156.