既有居住建筑外墻保溫厚度優(yōu)化及減排效益分析

陳紅兵， 薛閃閃， 李德英， 王聰聰

(北京建筑大學(xué)供熱、供燃氣、通風及空調(diào)工程重點實驗室， 北京 100044)

世界進入了全球氣候化時代，中國作為世界上最大的碳排放國，占比世界能源排放總量的28.8%。在七十五屆聯(lián)合國大會上，中國提出力爭在2030年前CO2排放達到峰值，努力爭取2060年實現(xiàn)碳中和的目標，為應(yīng)對全球氣候變化做出更大的貢獻[1]。據(jù)《中國建筑能耗研究報告2019》所示，中國建筑能源消費總量為9.47億t標準煤，占全國能源消費總量的21.10%，其中城鎮(zhèn)居住建筑能耗3.61億 t標準煤，占比38.09%，城鎮(zhèn)居住建筑含采暖能耗占比38%～42%[2]。建筑保溫是節(jié)能減排的重要途徑，其中外墻保溫體系可有效減少污染物的排放。現(xiàn)階段中外許多學(xué)者對既有居住建筑外墻保溫體系做出研究。高英博等[3]研究了北京農(nóng)村地區(qū)不同類型墻體采用膨脹聚苯板保溫的效果，確定外墻最經(jīng)濟保溫厚度。Axaopoulos等[4]慮了風速和風向，確定了不同類型和朝向的復(fù)合隔熱墻和最佳保溫厚度。黃仁達等[5]建立P1-P2墻體保溫材料經(jīng)濟厚度數(shù)學(xué)模型，分析保溫材料的經(jīng)濟性和不同燃料能源產(chǎn)生的溫室氣體排放量，確定外墻的經(jīng)濟厚度。Gülten[6]使用了采暖度日數(shù)和總環(huán)境因子計算不同保溫材料建造外墻的最佳保溫厚度并對環(huán)境影響做出評價。金國輝等[7]研究內(nèi)蒙古西部超低能耗草原居民建筑外墻中加入石蠟相變材料，分析墻體材質(zhì)特性、相變材料層厚度對改善室內(nèi)熱舒適性和減少冬季供暖能耗的效果。Rad等[8]引入3E(能源、環(huán)境和經(jīng)濟)標準來確定外墻保溫材料和最佳保溫厚度。對于居住建筑來說，降低外圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)是降低其碳排放最有效的手段。建筑外墻保溫性能關(guān)系到采暖季能源消耗，可有效減少污染物的排放，在節(jié)能減排工作中起到關(guān)鍵作用。

現(xiàn)以寒冷地區(qū)濟南市既有居住建筑為研究對象，利用DeST軟件模擬分析外墻在不同保溫材料隨不同厚度下可實現(xiàn)的節(jié)能效果，利用全生命周期法分析其經(jīng)濟性并利用凈現(xiàn)值法結(jié)合節(jié)能率確定不同保溫材料的最優(yōu)厚度，最后分析最優(yōu)厚度的經(jīng)濟效益和減排效益，進一步推進節(jié)能減排工作。

1 居住建筑模型建立

1.1 建筑概況

取某典型居住建筑為模型，建筑坐北朝南共6層，建筑面積為6 943.6 m2，層高3 m，體形系數(shù)為0.268，綜合窗墻比為0.27。房間內(nèi)部劃為主臥室、次臥室、起居室、衛(wèi)生間和廚房，建筑模型如圖1所示。

地點為濟南市，所屬地區(qū)為寒冷地區(qū)，研究目的是不同保溫體系在寒冷氣候下節(jié)能減排的潛力，故建筑初始模型中外圍護結(jié)構(gòu)均未采取節(jié)能措施，后續(xù)的不同保溫系統(tǒng)對建筑的能耗影響均以初始模型為基準。濟南市居住建筑模型圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)如表1所示。

圖1 濟南市典型居住建筑模型Fig.1 Typical residential building model in Jinan City

表1 濟南市居住建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)Table 1 Thermal parameters of residential building envelope in Jinan City

1.2 模型參數(shù)設(shè)置

應(yīng)用DeST軟件進行建筑能耗模擬分析。采暖期為11月15日—次年3月15日，24 h供暖；室內(nèi)外換氣次數(shù)為0.5 次/h；空調(diào)房間溫度上限、下限分別設(shè)定為26 ℃和18 ℃；衛(wèi)生間、廚房、樓梯間和陽臺均為非空調(diào)房間；其他參數(shù)按正常作息時間確定。

2 模擬方案

2.1 保溫材料的選取

目前，在建筑圍護結(jié)構(gòu)外墻外保溫技術(shù)中，選用在市場上常用的外墻高性能保溫材料有擠塑聚苯板(expanded polystyrene board，XPS)、石墨聚苯板(graphite polystyrene board，SEPS)、硬泡聚氨酯(rigid foam polyurethane，PUR)及巖棉板(rock wool board，RW)等。

2.2 模擬工況

以20 mm厚度遞增為1個研究點，研究0～120 mm厚的保溫材料對建筑能耗的影響，利用全生命周期費用評價方法評價不同保溫材料厚度的經(jīng)濟性，利用凈現(xiàn)值法結(jié)合節(jié)能率確定出不同保溫體系的最優(yōu)厚度并分析改造后的經(jīng)濟效益和減排效益，此模型采用控制變量的方法使屋面和外窗等其他圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)不變，僅考慮改變外墻高性能保溫材料及不同保溫層厚度對建筑能耗的影響。

3 模擬結(jié)果及節(jié)能適用性分析

3.1 外墻能耗模擬

外墻作為建筑與外界進行能量交換的媒介，占外圍護結(jié)構(gòu)總面積的60%～70%，耗熱量占建筑物總耗熱量的23%～34%[9]，因此，對建筑外墻保溫厚度的優(yōu)化是降低建筑能耗的關(guān)鍵。

在保持屋面、外窗等圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)為改造前參數(shù)不變，僅改變外墻不同保溫材料的厚度進而研究對建筑能耗的影響。由圖2所示，墻體在未進行保溫施工前，耗熱量為206 528.99 kW·h，隨著保溫層厚度的增加，建筑全年累計熱負荷大幅度地減少，但當保溫層厚度達到60 mm后，全年累計熱負荷降低趨勢逐漸趨于平緩。在相同保溫厚度下，4種保溫材料保溫效果為PUR>XPS>SEPS>RW。經(jīng)120 mm厚XPS、SEPS、RW、PUR節(jié)能后耗熱量降為135 865.43、137 795.98、139 289.45、134 622.68 kW·h，能耗降低率分別為34.2%、33.2%、32.5%和34.8%。

圖2 不同外墻保溫材料厚度對累計熱負荷的影響Fig.2 Influence of different thickness of external wall insulation materials on cumulative heat load

3.2 外圍護結(jié)構(gòu)能耗模擬

屋頂面積對于頂層房間是占比最大的外圍護結(jié)構(gòu)，在多層建筑圍護結(jié)構(gòu)中，屋頂耗熱量占總耗熱量的8%～10%[9]。外窗作為建筑的熱構(gòu)件，窗戶的材質(zhì)和氣密性同樣影響建筑能耗。在能耗模擬滿足節(jié)能65%以上要求，還需考慮屋面和窗戶熱特性，故將屋面和外窗等熱工參數(shù)按《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》(JGJ 26—2018)取值，分別為0.30 W/(m2·K)和2.0 W/(m2·K)而改變外墻保溫層厚度對建筑能耗的影響。

由圖3所示，在外墻未進行任何保溫施工措施，僅改變屋面和外窗的傳熱系數(shù)，全年累計熱負荷由206 528.99 kW·h降為130 102.79 kW·h，能耗降低率為37.01%。隨著外墻保溫厚度的不斷增加，節(jié)能率可達52%～74%，可以實現(xiàn)改造后達到65%以上的預(yù)期目標。4種不同的保溫材料在不同厚度下對建筑能耗變化影響的趨勢基本一致，建筑累計熱負荷先出現(xiàn)大幅下降后逐漸趨于變緩的狀態(tài)，如果盲目地增加外墻保溫厚度，節(jié)能率不僅增加不明顯，而且會加大投資成本或者出現(xiàn)過度保溫現(xiàn)象，此時需要對經(jīng)濟性進行分析，既要滿足節(jié)能性也要滿足經(jīng)濟適用性，從而確定外墻保溫的最優(yōu)厚度。

圖3 外窗和屋面對累計熱負荷的影響Fig.3 Influence of external windows and roof on cumulative heat load

4 外墻保溫經(jīng)濟適用性分析

4.1 計算方法

既有居住建筑外墻改造，只計算外墻保溫改造的初投資費用和改造后的運行費用。利用全生命周期法對保溫層經(jīng)濟適用性分析并結(jié)合凈現(xiàn)值法和節(jié)能率對保溫層厚度優(yōu)化。

4.2 全生命周期費用分析

全生命周期成本法是一種計算發(fā)生在生命周期內(nèi)全部成本的方法，可以全面正確地評價不同保溫材料厚度的經(jīng)濟性，通過分析保溫材料初始投資成本和采暖空調(diào)耗電量成本產(chǎn)生的凈價值來優(yōu)化保溫厚度[10-11]。保溫材料全生命周期費用(life cycle cost，LCC)由保溫材料的初投資費用和改造后的采暖運行費用組成。外墻保溫改造的全壽命周期費用模型如下。

外墻保溫改造的全生命周期費用LCC為

LCC=C+Y

(1)

外墻保溫改造的初投資費用C為

C=P(1+i)n

(2)

外墻保溫改造后的運行費用Y為

Y=P[(1+i)n-1]/i

(3)

式中：P為費用現(xiàn)值，對于初投資，為保溫材料費用和施工建造費，對于運行過程，為供暖季電費和；i為基準折現(xiàn)率，5%；n為保溫材料壽命年限，25年。

根據(jù)市場調(diào)研，XPS、SEPS、RW、PUR保溫材料價格分別為600、550、470、1 000 元/m3，施工建造費(含運輸費、安裝費及人工費等)為45 元/m2，取第一檔電價為0.546 9 元/(kW·h)，該項目地區(qū)煤改電多采用空氣源熱泵作為熱源。結(jié)合建筑模型尺寸參數(shù)和模擬得到的全年累計熱負荷，求得全生命周期內(nèi)初投資費用和改造后運行費用，最終求得外墻保溫改造在全壽命周期中的費用。不同保溫材料對應(yīng)不同保溫厚度的全生命周期費用分析如圖4所示。

圖4 不同保溫材料對應(yīng)不同厚度的全生命周期費用Fig.4 Life cycle cost of different insulation materials corresponding to different thicknesses

圖4所示，隨著保溫厚度的增加，4種保溫材料在全生命周期過程中費用變化趨勢基本相同，初投資費用隨著保溫厚度的增加呈線性增長，運行費用隨著保溫厚度的增加而減小，但隨著厚度逐漸增加，費用下降趨勢逐漸變緩，是由于全年累計熱負荷降低幅度變緩。在整個過程中，全生命周期總費用經(jīng)歷了先降低后升高的現(xiàn)象，在此過程中存在全生命周期費用達到極小值。PUR保溫材料在達60 mm后，全生命周期費用隨著保溫材料厚度的增加不斷增長，可能是由于初投資PUR保溫材料費用比較高。整體來說，從0～120 mm，不同保溫材料的厚度所對應(yīng)的全生命周期費用總值仍低于未加保溫層時所對應(yīng)的全生命周期總值，由此說明增加保溫層厚度確實對降低建筑能耗和減少生命周期總費用起到關(guān)鍵作用。

4.3 外墻保溫最優(yōu)厚度的確定

生命周期內(nèi)節(jié)能凈現(xiàn)值(net present value，NPV)指的是投資方案所產(chǎn)生的現(xiàn)金流量以資金成本為貼現(xiàn)率折現(xiàn)后與原始投資額現(xiàn)值的差額[12]，其計算公式為

(4)

式(4)中:CI為年現(xiàn)金收入(節(jié)能電費)，元；CO為年現(xiàn)金流出(初投資費用)，元；i為基準折現(xiàn)率；n為保溫材料壽命年限。

對于保溫材料在全生命周期內(nèi)的凈現(xiàn)值NPV>0，說明該方案可取，凈現(xiàn)值越大，方案越佳，有良好的投資回報。由圖5可知，除PUR保溫材料之外，其他3種保溫材料不同厚度所對應(yīng)的NPV值均大于0，表示各方案均有良好的經(jīng)濟性，均可取。PUR材料在保溫厚度超過100 mm后，凈現(xiàn)值為負值，說明節(jié)能項目在生命周期內(nèi)虧本，表示方案收益不好，不可取。由圖6可知，隨著保溫材料厚度的增加，各保溫體系的節(jié)能率也在增加，保溫層厚度越小，節(jié)能效果越不明顯，隨著厚度增加，節(jié)能效果顯著。

圖6 不同保溫材料對應(yīng)不同厚度的節(jié)能率Fig.6 Energy saving rate of different insulation materials corresponding to different thicknesses

在本方案過程中，除了考慮經(jīng)濟收益外，還進一步考慮節(jié)能率，所以同時考慮凈現(xiàn)值與節(jié)能率使用ORIGIN軟件進行曲線擬合，得到4種外墻保溫材料與凈現(xiàn)值NPV擬合曲線關(guān)系如圖7所示。

由圖7可知，XPS、SEPS、 RW、 PUR 4種保溫材料分別與凈現(xiàn)值、節(jié)能率擬合后相交所對應(yīng)的最優(yōu)厚度為55、61、88、38 mm。其保溫厚度所對應(yīng)的凈現(xiàn)值均大于0，方案良好且節(jié)能率均在68%以上，相比單考慮凈現(xiàn)值最大的方案，盡管方案略有欠佳，但節(jié)能率提升很高，可實現(xiàn)經(jīng)濟性和節(jié)能性雙贏。

5 節(jié)能減排效益分析

5.1 經(jīng)濟效益分析

為了更好地分析節(jié)能改造后的效果，利用靜態(tài)投資回收期法對該居住建筑改造進行經(jīng)濟效益分析。

根據(jù)建筑模型尺寸可知，居住建筑外墻面積為3 039.52 m2，可以得出該建筑采用不同保溫材料最優(yōu)厚度改造后經(jīng)濟效益分析如表2所示。

表2 改造經(jīng)濟效益分析Table 2 Analysis of economic benefit of reconstruction

y1、y2、δ、R2分別為凈現(xiàn)值、節(jié)能率、保溫厚度、相關(guān)系數(shù)圖7 不同保溫材料與凈現(xiàn)值NPV、節(jié)能率擬合曲線Fig.7 Fitting curve of different insulation materials with NPV and energy saving rate

通過表2發(fā)現(xiàn)，采用XPS保溫材料，投資回收期最短為7年，采用PUR保溫材料，投資回收期最長為7.8年，盡管該保溫材料的最優(yōu)厚度是上述4種保溫材料最小的，但由于PUR保溫材料的初投資價格最貴，所以該投資回收期最長。說明投資回收期不僅與保溫材料的傳熱系數(shù)有關(guān)同時與初投資的價格有關(guān)。

5.2 減排效益分析

外墻保溫作為建筑節(jié)能的有效措施，對降低污染物的排放具有巨大的潛力，與環(huán)境有著直接關(guān)聯(lián)，現(xiàn)對其減排效果展開分析，通過有關(guān)文獻[13]，得知若節(jié)約1 kW·h的電能，同時就會減排0.997 kg 二氧化碳、0.03 kg 二氧化硫、0.015 kg 氮氧化物NOx、0.272 kg碳粉塵和0.136 kg煙塵等的污染物，其相應(yīng)的減排價值分別為160、2 000、631.6、275.2 元/t[14]。可以得出該建筑采用不同保溫材料最優(yōu)厚度改造后每年對污染物的減排量如表3所示。

表3 改造減排效益分析Table 3 Analysis of transformation emission reduction benefit

6 結(jié)論

(1)若要實現(xiàn)節(jié)能65%以上的預(yù)期目標，單進行外墻保溫改造達不到理想效果，需對屋面和外窗進一步進行考慮分析。在相同外墻保溫厚度下，保溫材料的保溫效果分別為PUR>XPS>SEPS>RW。

(2)改變外墻不同保溫材料的保溫厚度所對應(yīng)的全生命周期費用總值仍低于不加保溫層時所對應(yīng)的全生命周期總值，由此說明增加保溫層厚度確實對降低建筑能耗和減少生命周期總費用起到關(guān)鍵作用。

(3)在典型氣象參數(shù)條件下，采用XPS、SEPS、RW、PUR 4種不同保溫材料，通過計算不同厚度的NPV值與節(jié)能率相結(jié)合，得出外墻不同保溫材料的最優(yōu)厚度分別為55、61、88、38 mm。

(4)采用XPS、SEPS、RW、PUR保溫材料改造后最優(yōu)厚度，投資回收期分別為7、7.2、7.7、7.8年，二氧化碳排放量減少了59 759.93～61 968.44 kg，二氧化硫排放量減少了1 787.383～1 864.65 kg，NOx排放量減少893.69～932.32 kg，污染物排放減少了30%～33%，可分別實現(xiàn)環(huán)境效益20 724.71、20 901.07、21 187.71、20 353.48元。可知外墻保溫改造可獲得巨大的節(jié)能減排潛力。