商業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，北京 100044）

0 引言

外墻外保溫作為建筑節能關鍵技術之一，對公共建筑節能影響巨大。近年來，我國節能標準穩步提高，外墻熱工性能限值進一步減小，節能性能進一步提高。但是，大型公共建筑人員、設備和燈光集中，內熱源相對較大，且為了提高人們舒適度水平，往往室內溫度設定較高，當節能性能過高時極易造成建筑過度保溫的現象。因此，提升公共建筑節能標準的同時，要關注建筑的實際使用情況，以免造成不必要的能源浪費。

目前，公共建筑外墻保溫層最優厚度的研究多數是以經濟性為指標進行計算[1-3]，對外墻過度保溫的研究也集中于夏熱冬冷地區[4-5]，而對嚴寒和寒冷地區的外墻過度保溫研究較少。因此，本文擬采用某4層商業建筑作為建筑模型，研究不同氣候區（嚴寒、寒冷、夏熱冬冷和夏熱冬暖地區）發生過度保溫的外墻保溫層厚度，并改變其他圍護構件參數以探究對建筑總能耗的影響，可為商業建筑外墻保溫最佳厚度優化提供參考。

1 模型建筑設置

1.1 模型建筑基本信息

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

圖1 某4層商業建筑立體模型

表1 模型建筑基本信息

1.2 模型建筑參數設置

根據GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》的有關規定，室內人員在室率及燈光、設備使用率如圖2所示，照明功率密度為10 W/m2、設備功率密度為13 W/m2，人均占有建筑面積為8 m2/人。空調全年開啟，開啟時間為08：00~21：00。冬季空調室溫設定上限為22℃、下限為20℃，夏季空調設定上限為27℃、下限為25℃。

圖2 室內人員在室率及燈光、設備使用率

2 模擬內容

2.1 不同氣候區外墻保溫層厚度對空調能耗的影響

不同氣候區節能標準存在差異，其基礎建筑圍護結構設置不同。參考GB 50189—2015規定的熱工限值，圍護結構熱工性能設置如表2所示。外墻保溫材料選擇膨脹聚苯板，導熱系數為0.046 W/（m2·K），干密度為20 kg/m3。控制屋面和外窗等其他圍護構件熱工參數不變，只改變外墻保溫層厚度，探究隨著保溫層厚度的增加，全年空調能耗的變化趨勢。選取嚴寒（沈陽）、寒冷（北京）、夏熱冬冷（長沙）和夏熱冬暖（廣州）等4個典型城市進行能耗模擬，研究圍護結構保溫層過度保溫厚度并進行對比分析。

表2 4個典型城市建筑圍護結構設置

2.2 改變其他圍護構件性能參數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

以北京地區建筑模型為例，控制外窗等其余圍護構件熱工參數不變，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，全年空調能耗的趨勢變化。屋面保溫材料選擇擠塑聚苯板，導熱系數為0.033 W/（m2·K），干密度為30 kg/m3。

2.2.2 改變外窗傳熱系數對外墻過度保溫厚度的影響

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

3 模擬結果及分析

3.1 不同氣候區外墻保溫層厚度對空調能耗的影響

3.1.1 嚴寒地區（以沈陽為例）

單位面積全年空調能耗隨外墻保溫層厚度的變化趨勢如圖3所示。

圖3 嚴寒地區外墻保溫層厚度對空調總能耗的影響

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，空調能耗逐漸降低，直到厚度為300 mm，空調能耗依然呈降低趨勢，未出現能耗最小值。這是因為嚴寒地區氣候相對寒冷，增大外墻保溫層厚度后，夏季冷負荷增加速率明顯小于冬季熱負荷減少速率，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，因此并未出現建筑總能耗最小值。由此可以得出，嚴寒地區在現行節能標準下不易出現外墻過度保溫的現象。

3.1.2 寒冷地區（以北京為例）

單位面積全年空調能耗隨外墻保溫層厚度的變化情況如圖4所示。

圖4 寒冷地區外墻保溫層厚度對空調總能耗的影響

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，空調能耗逐漸降低，到厚度為60 mm時能耗達到最小值，此時外墻傳熱系數為0.532 W/（m2·K），最低全年冷熱總負荷為447 520.42 kW·h，節能率為3.794%；當保溫層厚度大于60 mm時，能耗逐漸上升，但升速緩慢。這是因為，外墻保溫層厚度在60 mm以下，總趨勢與嚴寒地區相一致，隨著厚度的增加，建筑熱負荷減少速率大于冷負荷增加速率，建筑總負荷呈下降趨勢；當厚度超過60 mm，此時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，冬季熱負荷增加速率小于夏季冷負荷減少速率，因此總能耗呈現上升趨勢。

3.1.3 夏熱冬冷地區（以長沙為例）

夏熱冬冷地區單位面積全年空調能耗的變化趨勢與寒冷地區相似，如圖5所示。

圖5 夏熱冬冷地區外墻保溫層厚度對空調總能耗的影響

由圖5可見，保溫層厚度從0開始增加，到厚度為10 mm時空調能耗達到最小值，此時外墻傳熱系數為1.261W/（m2·K），全年最低冷熱總負荷為588 916.77 kW·h；保溫層厚度大于10 mm時能耗上升。

模擬結果表明，使該地區建筑空調總能耗最低的保溫層厚度為10 mm，對應外墻傳熱系數為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大于節能標準的要求，這是因為模擬中設置全年開啟空調，而商業建筑在實際運行中，為減少全年空調總能耗一般會分季節供冷及供暖；因此，設定供冷季為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，其余模擬參數不變，結果如圖6。

圖6 夏熱冬冷地區外墻保溫層厚度對空調總能耗的影響（分季節開啟空調）

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時能耗達到最小值，此時外墻傳熱系數為0.692 W/（m2·K），符合夏熱冬冷地區節能標準的要求。不難看出，外墻保溫層最佳厚度不僅與氣候區有關，還與實際設計的空調開啟時間有關，因此，實際工程中外墻保溫層最佳厚度的確定需進行能耗計算，并與空調開啟情況相結合，綜合考慮計算后才能確定外墻保溫層最佳厚度。

3.1.4 夏熱冬暖地區（以廣州為例）

夏熱冬暖地區單位面積全年空調能耗的變化趨勢如圖7所示。

圖7 夏熱冬暖地區外墻保溫層厚度對空調總能耗的影響

由圖7不難發現，該地區隨著外墻保溫層厚度的增加，全年單位面積空調總能耗不斷上升，且在模擬中未曾出現能耗最小值或最大值，因此建議不設置外墻保溫。夏熱冬暖地區氣候炎熱，對該地區來講，外墻特性的研究更應關注于隔熱而不是保溫，因此，對比不同氣候區外墻保溫層厚度對空調能耗的影響時暫不予考慮夏熱冬暖地區。

3.1.5 不同氣候區對比分析

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

式中：Q1、Q2、Q3——嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區外墻保溫層厚度為0時的空調能耗，kW·h；

Qx1、Qx2、Qx3——嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區外墻保溫層厚度為x mm時的空調能耗，kW·h。

嚴寒、寒冷和夏熱冬冷3個氣候區外墻保溫層厚度對空調總能耗的對比如圖8所示。

圖8 不同氣候區外墻保溫層厚度對空調總能耗的對比

由圖8可見，在嚴寒地區，增加外墻保溫層厚度能耗降低最明顯，這是因為增加外墻保溫層厚度主要影響冬季空調能耗，雖然隨著外墻保溫層厚度的增加夏季冷負荷增加，但是冬季熱負荷減少量遠遠大于夏季冷負荷增加量，因此，顯示出全年空調能耗持續下降的趨勢。在寒冷地區，與嚴寒地區相比，氣候相對溫暖，在達到能耗最低的保溫層厚度之前，全年空調能耗持續下降，但減少率少于嚴寒地區，并且到一定厚度時，外墻過度保溫，空調能耗反而增加。在夏熱冬冷地區，全年空調能耗主要是夏季冷負荷，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，能耗持續增加，且增加幅度相對較大。

3.2 改變其他圍護構件性能參數對外墻過度保溫厚度的影響

3.2.1 改變屋面性能參數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，外墻保溫層厚度為80 mm時空調能耗最小，為448 955.17 kW·h；屋面保溫層厚度80 mm時，外墻保溫層厚度為60 mm時空調能耗最小，為447 520.41 kW·h；屋面保溫層厚度100 mm時，外墻保溫層厚度為50 mm時空調能耗最小，為446 712.36 kW·h。可見，隨著屋面保溫層厚度的增大，外墻對應的能耗最低的保溫層厚度逐漸減小，全年總空調能耗也同樣減少。因此，可適當提升屋面保溫以減少建筑過度保溫的程度，降低總空調能耗。

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 改變外窗傳熱系數對外墻過度保溫厚度的影響

由圖10可見，外窗的傳熱系數為2.0 W/（m2·K）時，外墻保溫層厚度為50 mm時空調能耗最小，為447 655.36 kW·h；外窗傳熱系數為2.2 W/（m2·K）時，外墻保溫層厚度為60 mm時空調能耗最小，為447 520.42 kW·h；外窗傳熱系數為2.4 W/（m2·K）時，外墻保溫層厚度為90 mm時空調能耗最小，為447 437.93 kW·h。可見，隨著外窗的傳熱系數的增大，外墻對應的能耗最低的保溫層厚度增大，全年總空調能耗相對減少。這是因為外窗傳熱系數的改變對建筑能耗影響相對較大，降低外窗傳熱系數同樣易造成建筑過度保溫的現象。因此，可適當降低外窗的傳熱系數以減少建筑過度保溫的程度。

4 結 論

（1）除外墻以外的其他圍護構件參數不變時，存在使建筑空調能耗最小的外墻保溫層厚度，當超過這一厚度時，全年空調能耗會增加，進而出現過度保溫的現象。經過模擬計算，建筑模型圍護結構參數符合GB 50189—2015要求的限值的前提下，寒冷地區空調能耗最低的外墻保溫層厚度為60 mm，夏熱冬冷地區為10 mm；嚴寒地區氣候相對寒冷，未出現過度保溫的現象。

（2）當開啟空調時間改變時，使建筑總能耗最小的外墻保溫層最佳厚度也會發生改變。以夏熱冬冷地區的長沙為例，當空調全年開啟時空調總能耗最低的外墻保溫層厚度為10 mm，空調分供暖季和供冷季開啟時外墻保溫層最佳厚度為40 mm。

（3）當改變某一圍護構件（如外窗、屋面等）的熱工性能時，使建筑空調能耗最小的外墻保溫層厚度會發生改變，且空調能耗最小值也會發生變化。本文算例中，相對增加屋面保溫層厚度能降低空調能耗最小值，相對降低外窗傳熱系數能降低空調能耗最小值。