鎮(zhèn)江某住宅外墻保溫材料節(jié)能方案及經(jīng)濟效益分析

陶思婕 馬 越 張 恒

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，建筑物和建筑配套設(shè)施成倍增加，建筑能耗問題也愈加突出。我國是一個人口大國，同時也是能源消耗大國。2018 年全國建筑全過程能耗總量為21.47 億tce，占全國能源消耗總量的46.5%，碳排放總量為49.3 億t CO2，占全國碳排放的比重為51.3%[1]。為了提高能源利用率，實現(xiàn)建筑低能耗已成為我國在未來經(jīng)濟社會發(fā)展中的緊迫問題。

現(xiàn)階段，我國建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能較差，對建筑能耗影響較為明顯，因此建筑屋面、外墻、外窗圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造對節(jié)約建筑能耗起著至關(guān)重要的作用。其中，外墻是建筑圍護結(jié)構(gòu)能耗的重要組成部分，對外墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計成為降低建筑能耗的主要措施[2]。

工程圍護結(jié)構(gòu)的保溫技術(shù)發(fā)展對建筑節(jié)能至關(guān)重要。同時，針對研究對象所在夏熱冬冷區(qū)域的氣候特征，存在夏季炎熱、冬季寒冷、一年四季中溫差較大的現(xiàn)象，因此在進(jìn)行建筑節(jié)能改造時，圍護結(jié)構(gòu)需要有更強的季節(jié)應(yīng)變性。現(xiàn)實中，該氣候地區(qū)大部分住宅建筑節(jié)能率較低，僅為理論計算的20%～40%[3]?；诖藢K省鎮(zhèn)江市某5 層住宅外墻結(jié)構(gòu)構(gòu)造類型進(jìn)行節(jié)能改造，利用PKPM軟件對不同節(jié)能方案進(jìn)行建筑能耗模擬分析，進(jìn)而對外墻圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能潛力及其經(jīng)濟性進(jìn)行進(jìn)一步的分析和探究，為夏熱冬冷地區(qū)外墻圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計方案提供一定的參考。

1 建筑分析

1.1 建筑模型

選擇的物理模型為鎮(zhèn)江市某幢正南向的地上5 層（地下1 層）住宅樓（圖1、圖2），建筑總面積為5 033.86 m2，建筑總體積為15 339.03 m3，總外表面積為2 440.15 m2（體形系數(shù)為0.19），建筑高度為14.25 m。建筑標(biāo)準(zhǔn)層信息見表1，各朝向窗墻比信息見表2。

表1 建筑標(biāo)準(zhǔn)層信息表

表2 各朝向窗墻比信息表

圖1 地上部分建筑模型

圖2 地上部分建筑模型前視圖

該住宅滿足不同朝向外窗開間的窗墻面積比，即北向不大于0.25，東西向不大于0.30，南向不大于0.35，且外窗可開啟面積不應(yīng)小于外窗所在房間地面面積8%的要求，符合夏熱冬冷地區(qū)相關(guān)節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[4]。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)及計算依據(jù)

依據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 134-2010）、《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB 50176-2016）、《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能檢測方法》（GB/T 7106-2019）、《建筑幕墻、門窗通用技術(shù)條件》（GB/T 31433-2015）等所提供的建筑能耗綜合計算方法進(jìn)行計算，利用PKPM 軟件進(jìn)行建筑能耗模擬分析。

2 節(jié)能方案設(shè)計

2.1 屋面及外窗結(jié)構(gòu)保溫材料選擇

為便于研究不同外墻保溫材料對建筑能耗的影響，屋面和外窗均采用當(dāng)前建筑行業(yè)市場上推行并廣泛應(yīng)用的圍護結(jié)構(gòu)保溫材料，并在不同節(jié)能設(shè)計方案中維持不變[5、6]。在屋面和外窗圍護結(jié)構(gòu)材料的選取中，僅考慮其熱工性能參數(shù)，忽略屋面及外窗的造價及經(jīng)濟性，以更有效地從單一變量的角度，分析外窗外保溫材料的節(jié)能效果及經(jīng)濟可行性。

屋面和外窗圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造材料類型及熱工參數(shù)如表3 所示。夏季玻璃的太陽得熱系數(shù)為0.15，冬季玻璃太陽得熱系數(shù)為0.52，夏季玻璃的遮陽系數(shù)為0.17，冬季玻璃的遮陽系數(shù)為0.60，氣密性為6 級，可見光透射比為0.75。屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)滿足1.00 W/（m2·K）的要求，外窗平均傳熱系數(shù)滿足1.50 W/（m2·K）的相關(guān)節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[7]。

表3 屋面及外窗結(jié)構(gòu)構(gòu)造材料類型及熱工參數(shù)

2.2 外墻節(jié)能改造方案

在不改變屋面、外窗圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)的前提下，通過改變外墻保溫材料種類，進(jìn)而影響外墻結(jié)構(gòu)的熱工性能。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，隨著外墻外保溫材料厚度的增加，節(jié)能率也隨之有效提高，但其提高速率在慢慢降低，當(dāng)外墻外保溫材料厚度增加至70 mm，其節(jié)能率提高效果并不明顯。從節(jié)能和經(jīng)濟方面權(quán)衡考慮，可將外墻保溫材料選定為60 mm[8]。模擬計算得出使用不同外墻保溫材料時的建筑能耗，并進(jìn)行比較，從而分析該住宅建筑外墻結(jié)構(gòu)的節(jié)能潛力及其經(jīng)濟可行性。

外墻結(jié)構(gòu)構(gòu)造主要材料類型如表4所示。根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 134-2010），外墻平均傳熱系數(shù)除了選用燒結(jié)保溫磚作為保溫材料的節(jié)能組外，均滿足夏熱冬冷地區(qū)0.6 W/（m2·K）的相關(guān)節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。從5 種不同節(jié)能方案的熱工性能參數(shù)中可得出，相同厚度的情況下，使用燒結(jié)保溫磚作為外墻保溫材料時的傳熱系數(shù)最高，為0.87 W/（m2·K），聚氨酯的傳熱系數(shù)最低，為0.33 W/（m2·K）。

表4 外墻圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造材料及熱工參數(shù)

3 建筑能耗與經(jīng)濟效益分析

3.1 能耗計算依據(jù)及條件

建筑物的節(jié)能綜合指標(biāo)采用《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 134-2010）所提供的建筑能耗綜合計算方法進(jìn)行計算。建筑物為夏熱冬冷地區(qū)被動式建筑，節(jié)能綜合指標(biāo)的計算條件如下：第一，采暖建筑，冬季全天的室內(nèi)溫度為18 ℃，夏季全天為26 ℃。第二，被動式采暖建筑，冬季全天為12 ℃，夏季全天的室內(nèi)溫度為26 ℃。第三，室外氣象計算參數(shù)的依據(jù)為典型氣象年。第四，采暖時，換氣次數(shù)為1 次/h。第五，空調(diào)時換氣次數(shù)為1 次/h。第六，采暖、空調(diào)設(shè)備為家用氣源熱泵空調(diào)器，空調(diào)額定能效比取3.1，采暖額定能效比取2.5。其他建筑物各參數(shù)均采用《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 134-2010）所提供的參數(shù)。

3.2 建筑能耗及經(jīng)濟可行性

以上述圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造類型為基礎(chǔ)，對5 種不同外墻保溫材料節(jié)能方案進(jìn)行能耗分析。在上述5 種節(jié)能方案中，僅改變了外墻外保溫材料種類，不改變其厚度，因此在分析不同方案經(jīng)濟效益及建筑能耗時，只考慮不同外墻保溫材料對建筑能耗及其經(jīng)濟性的影響，不考慮運輸、人工等對成本造價的影響。不同節(jié)能方案的材料單價與材料成本和能耗之間的關(guān)系情況如表5、表6 所示，其中燒結(jié)保溫磚的價格為2.38 元/塊，若采用尺寸為240 mm×115 mm×90 mm 燒結(jié)保溫磚塊，則每立方米磚數(shù)量大約為320塊，燒結(jié)保溫磚價格為761.6 元/m3。

表5 相關(guān)建筑材料單價

由表6 可知，在5 種外墻保溫材料當(dāng)中，燒結(jié)保溫磚的成本最高，同時建筑能耗也最高，經(jīng)濟效益最差，因此在選擇節(jié)能方案時，將燒結(jié)保溫磚作為參照方案，對其余4 種節(jié)能方案中的材料成本與建筑能耗關(guān)系進(jìn)行分析，從而從節(jié)能和經(jīng)濟性的角度選擇合適的外墻保溫材料。通過PKPM 軟件綠色建筑分析，5 種節(jié)能方案中，設(shè)計建筑的全年能耗均小于參照建筑的全年能耗，均已達(dá)到《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 134-2010）的設(shè)計要求，且滿足節(jié)能率為75%的節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

表6 材料成本與建筑耗能

由表7 可知，在以燒結(jié)保溫磚為參照的條件下，方案3 中以聚氨酯作為外墻保溫材料時的投資回收期最短（投資回收期不考慮資金的時間價值），為14.98年。據(jù)相關(guān)條例規(guī)定，在正常使用和正常維護條件下，外墻外保溫工程的使用年限不應(yīng)少于25 年，因此以外墻保溫材料壽命年限為25 年計算，在達(dá)到投資回收期后的節(jié)約能耗費用中，方案3 節(jié)約費用最多。綜上所述，方案3 以聚氨酯作為外墻外保溫材料，是5 種節(jié)能方案中最為經(jīng)濟可行的方案。

表7 相關(guān)材料經(jīng)濟效益

4 結(jié)語

以鎮(zhèn)江市某5 層住宅結(jié)構(gòu)為模型，針對夏熱冬冷地區(qū)夏季炎熱、冬季寒冷的氣候特點，在屋面、外窗圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)以及外墻外保溫材料厚度保持不變的基礎(chǔ)上，僅改變外墻外保溫材料種類，對外墻外保溫圍護結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造，以提高外墻圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能，從而分析不同外墻外保溫材料對建筑節(jié)能效果產(chǎn)生的影響。進(jìn)而對建筑能耗進(jìn)行模擬計算，在比較節(jié)能效果的同時，考慮不同方案的經(jīng)濟可行性，以達(dá)到在提高建筑的居住舒適度的同時，節(jié)約建筑能耗，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。本文提出的節(jié)能改造方案對該氣候地區(qū)既有住宅外墻節(jié)能改造設(shè)計提供了一定的參考。