镇江某住宅外墙保温材料节能方案及经济效益分析

陶思婕 马 越 张 恒

随着我国城市化进程的加快，建筑物和建筑配套设施成倍增加，建筑能耗问题也愈加突出。我国是一个人口大国，同时也是能源消耗大国。2018 年全国建筑全过程能耗总量为21.47 亿tce，占全国能源消耗总量的46.5%，碳排放总量为49.3 亿t CO2，占全国碳排放的比重为51.3%[1]。为了提高能源利用率，实现建筑低能耗已成为我国在未来经济社会发展中的紧迫问题。

现阶段，我国建筑围护结构的热工性能较差，对建筑能耗影响较为明显，因此建筑屋面、外墙、外窗围护结构的节能改造对节约建筑能耗起着至关重要的作用。其中，外墙是建筑围护结构能耗的重要组成部分，对外墙结构进行节能设计成为降低建筑能耗的主要措施[2]。

工程围护结构的保温技术发展对建筑节能至关重要。同时，针对研究对象所在夏热冬冷区域的气候特征，存在夏季炎热、冬季寒冷、一年四季中温差较大的现象，因此在进行建筑节能改造时，围护结构需要有更强的季节应变性。现实中，该气候地区大部分住宅建筑节能率较低，仅为理论计算的20%～40%[3]。基于此对江苏省镇江市某5 层住宅外墙结构构造类型进行节能改造，利用PKPM软件对不同节能方案进行建筑能耗模拟分析，进而对外墙围护结构的节能潜力及其经济性进行进一步的分析和探究，为夏热冬冷地区外墙围护结构节能设计方案提供一定的参考。

1 建筑分析

1.1 建筑模型

选择的物理模型为镇江市某幢正南向的地上5 层（地下1 层）住宅楼（图1、图2），建筑总面积为5 033.86 m2，建筑总体积为15 339.03 m3，总外表面积为2 440.15 m2（体形系数为0.19），建筑高度为14.25 m。建筑标准层信息见表1，各朝向窗墙比信息见表2。

表1 建筑标准层信息表

表2 各朝向窗墙比信息表

图1 地上部分建筑模型

图2 地上部分建筑模型前视图

该住宅满足不同朝向外窗开间的窗墙面积比，即北向不大于0.25，东西向不大于0.30，南向不大于0.35，且外窗可开启面积不应小于外窗所在房间地面面积8%的要求，符合夏热冬冷地区相关节能设计标准[4]。

1.2 标准及计算依据

依据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 134-2010）、《民用建筑热工设计规范》（GB 50176-2016）、《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能检测方法》（GB/T 7106-2019）、《建筑幕墙、门窗通用技术条件》（GB/T 31433-2015）等所提供的建筑能耗综合计算方法进行计算，利用PKPM 软件进行建筑能耗模拟分析。

2 节能方案设计

2.1 屋面及外窗结构保温材料选择

为便于研究不同外墙保温材料对建筑能耗的影响，屋面和外窗均采用当前建筑行业市场上推行并广泛应用的围护结构保温材料，并在不同节能设计方案中维持不变[5、6]。在屋面和外窗围护结构材料的选取中，仅考虑其热工性能参数，忽略屋面及外窗的造价及经济性，以更有效地从单一变量的角度，分析外窗外保温材料的节能效果及经济可行性。

屋面和外窗围护结构构造材料类型及热工参数如表3 所示。夏季玻璃的太阳得热系数为0.15，冬季玻璃太阳得热系数为0.52，夏季玻璃的遮阳系数为0.17，冬季玻璃的遮阳系数为0.60，气密性为6 级，可见光透射比为0.75。屋面传热系数满足1.00 W/（m2·K）的要求，外窗平均传热系数满足1.50 W/（m2·K）的相关节能设计标准[7]。

表3 屋面及外窗结构构造材料类型及热工参数

2.2 外墙节能改造方案

在不改变屋面、外窗围护结构构造参数的前提下，通过改变外墙保温材料种类，进而影响外墙结构的热工性能。通过查阅相关文献资料，随着外墙外保温材料厚度的增加，节能率也随之有效提高，但其提高速率在慢慢降低，当外墙外保温材料厚度增加至70 mm，其节能率提高效果并不明显。从节能和经济方面权衡考虑，可将外墙保温材料选定为60 mm[8]。模拟计算得出使用不同外墙保温材料时的建筑能耗，并进行比较，从而分析该住宅建筑外墙结构的节能潜力及其经济可行性。

外墙结构构造主要材料类型如表4所示。根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 134-2010），外墙平均传热系数除了选用烧结保温砖作为保温材料的节能组外，均满足夏热冬冷地区0.6 W/（m2·K）的相关节能设计标准要求。从5 种不同节能方案的热工性能参数中可得出，相同厚度的情况下，使用烧结保温砖作为外墙保温材料时的传热系数最高，为0.87 W/（m2·K），聚氨酯的传热系数最低，为0.33 W/（m2·K）。

表4 外墙围护结构构造材料及热工参数

3 建筑能耗与经济效益分析

3.1 能耗计算依据及条件

建筑物的节能综合指标采用《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 134-2010）所提供的建筑能耗综合计算方法进行计算。建筑物为夏热冬冷地区被动式建筑，节能综合指标的计算条件如下：第一，采暖建筑，冬季全天的室内温度为18 ℃，夏季全天为26 ℃。第二，被动式采暖建筑，冬季全天为12 ℃，夏季全天的室内温度为26 ℃。第三，室外气象计算参数的依据为典型气象年。第四，采暖时，换气次数为1 次/h。第五，空调时换气次数为1 次/h。第六，采暖、空调设备为家用气源热泵空调器，空调额定能效比取3.1，采暖额定能效比取2.5。其他建筑物各参数均采用《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 134-2010）所提供的参数。

3.2 建筑能耗及经济可行性

以上述围护结构构造类型为基础，对5 种不同外墙保温材料节能方案进行能耗分析。在上述5 种节能方案中，仅改变了外墙外保温材料种类，不改变其厚度，因此在分析不同方案经济效益及建筑能耗时，只考虑不同外墙保温材料对建筑能耗及其经济性的影响，不考虑运输、人工等对成本造价的影响。不同节能方案的材料单价与材料成本和能耗之间的关系情况如表5、表6 所示，其中烧结保温砖的价格为2.38 元/块，若采用尺寸为240 mm×115 mm×90 mm 烧结保温砖块，则每立方米砖数量大约为320块，烧结保温砖价格为761.6 元/m3。

表5 相关建筑材料单价

由表6 可知，在5 种外墙保温材料当中，烧结保温砖的成本最高，同时建筑能耗也最高，经济效益最差，因此在选择节能方案时，将烧结保温砖作为参照方案，对其余4 种节能方案中的材料成本与建筑能耗关系进行分析，从而从节能和经济性的角度选择合适的外墙保温材料。通过PKPM 软件绿色建筑分析，5 种节能方案中，设计建筑的全年能耗均小于参照建筑的全年能耗，均已达到《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 134-2010）的设计要求，且满足节能率为75%的节能设计标准。

表6 材料成本与建筑耗能

由表7 可知，在以烧结保温砖为参照的条件下，方案3 中以聚氨酯作为外墙保温材料时的投资回收期最短（投资回收期不考虑资金的时间价值），为14.98年。据相关条例规定，在正常使用和正常维护条件下，外墙外保温工程的使用年限不应少于25 年，因此以外墙保温材料寿命年限为25 年计算，在达到投资回收期后的节约能耗费用中，方案3 节约费用最多。综上所述，方案3 以聚氨酯作为外墙外保温材料，是5 种节能方案中最为经济可行的方案。

表7 相关材料经济效益

4 结语

以镇江市某5 层住宅结构为模型，针对夏热冬冷地区夏季炎热、冬季寒冷的气候特点，在屋面、外窗围护结构参数以及外墙外保温材料厚度保持不变的基础上，仅改变外墙外保温材料种类，对外墙外保温围护结构进行节能改造，以提高外墙围护结构的热工性能，从而分析不同外墙外保温材料对建筑节能效果产生的影响。进而对建筑能耗进行模拟计算，在比较节能效果的同时，考虑不同方案的经济可行性，以达到在提高建筑的居住舒适度的同时，节约建筑能耗，创造良好的经济效益。本文提出的节能改造方案对该气候地区既有住宅外墙节能改造设计提供了一定的参考。