鎮江某住宅外墻保溫材料節能方案及經濟效益分析

陶思婕 馬 越 張 恒

隨著我國城市化進程的加快，建筑物和建筑配套設施成倍增加，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，實現建筑低能耗已成為我國在未來經濟社會發展中的緊迫問題。

現階段，我國建筑圍護結構的熱工性能較差，對建筑能耗影響較為明顯，因此建筑屋面、外墻、外窗圍護結構的節能改造對節約建筑能耗起著至關重要的作用。其中，外墻是建筑圍護結構能耗的重要組成部分，對外墻結構進行節能設計成為降低建筑能耗的主要措施[2]。

工程圍護結構的保溫技術發展對建筑節能至關重要。同時，針對研究對象所在夏熱冬冷區域的氣候特征，存在夏季炎熱、冬季寒冷、一年四季中溫差較大的現象，因此在進行建筑節能改造時，圍護結構需要有更強的季節應變性。現實中，該氣候地區大部分住宅建筑節能率較低，僅為理論計算的20%～40%[3]。基于此對江蘇省鎮江市某5 層住宅外墻結構構造類型進行節能改造，利用PKPM軟件對不同節能方案進行建筑能耗模擬分析，進而對外墻圍護結構的節能潛力及其經濟性進行進一步的分析和探究，為夏熱冬冷地區外墻圍護結構節能設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（體形系數為0.19），建筑高度為14.25 m。建筑標準層信息見表1，各朝向窗墻比信息見表2。

表1 建筑標準層信息表

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小于外窗所在房間地面面積8%的要求，符合夏熱冬冷地區相關節能設計標準[4]。

1.2 標準及計算依據

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

2 節能方案設計

2.1 屋面及外窗結構保溫材料選擇

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前建筑行業市場上推行并廣泛應用的圍護結構保溫材料，并在不同節能設計方案中維持不變[5、6]。在屋面和外窗圍護結構材料的選取中，僅考慮其熱工性能參數，忽略屋面及外窗的造價及經濟性，以更有效地從單一變量的角度，分析外窗外保溫材料的節能效果及經濟可行性。

屋面和外窗圍護結構構造材料類型及熱工參數如表3 所示。夏季玻璃的太陽得熱系數為0.15，冬季玻璃太陽得熱系數為0.52，夏季玻璃的遮陽系數為0.17，冬季玻璃的遮陽系數為0.60，氣密性為6 級，可見光透射比為0.75。屋面傳熱系數滿足1.00 W/（m2·K）的要求，外窗平均傳熱系數滿足1.50 W/（m2·K）的相關節能設計標準[7]。

表3 屋面及外窗結構構造材料類型及熱工參數

2.2 外墻節能改造方案

在不改變屋面、外窗圍護結構構造參數的前提下，通過改變外墻保溫材料種類，進而影響外墻結構的熱工性能。通過查閱相關文獻資料，隨著外墻外保溫材料厚度的增加，節能率也隨之有效提高，但其提高速率在慢慢降低，當外墻外保溫材料厚度增加至70 mm，其節能率提高效果并不明顯。從節能和經濟方面權衡考慮，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，并進行比較，從而分析該住宅建筑外墻結構的節能潛力及其經濟可行性。

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

表4 外墻圍護結構構造材料及熱工參數

3 建筑能耗與經濟效益分析

3.1 能耗計算依據及條件

建筑物的節能綜合指標采用《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ 134-2010）所提供的建筑能耗綜合計算方法進行計算。建筑物為夏熱冬冷地區被動式建筑，節能綜合指標的計算條件如下：第一，采暖建筑，冬季全天的室內溫度為18 ℃，夏季全天為26 ℃。第二，被動式采暖建筑，冬季全天為12 ℃，夏季全天的室內溫度為26 ℃。第三，室外氣象計算參數的依據為典型氣象年。第四，采暖時，換氣次數為1 次/h。第五，空調時換氣次數為1 次/h。第六，采暖、空調設備為家用氣源熱泵空調器，空調額定能效比取3.1，采暖額定能效比取2.5。其他建筑物各參數均采用《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ 134-2010）所提供的參數。

3.2 建筑能耗及經濟可行性

以上述圍護結構構造類型為基礎，對5 種不同外墻保溫材料節能方案進行能耗分析。在上述5 種節能方案中，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濟性的影響，不考慮運輸、人工等對成本造價的影響。不同節能方案的材料單價與材料成本和能耗之間的關系情況如表5、表6 所示，其中燒結保溫磚的價格為2.38 元/塊，若采用尺寸為240 mm×115 mm×90 mm 燒結保溫磚塊，則每立方米磚數量大約為320塊，燒結保溫磚價格為761.6 元/m3。

表5 相關建筑材料單價

由表6 可知，在5 種外墻保溫材料當中，燒結保溫磚的成本最高，同時建筑能耗也最高，經濟效益最差，因此在選擇節能方案時，將燒結保溫磚作為參照方案，對其余4 種節能方案中的材料成本與建筑能耗關系進行分析，從而從節能和經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 種節能方案中，設計建筑的全年能耗均小于參照建筑的全年能耗，均已達到《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ 134-2010）的設計要求，且滿足節能率為75%的節能設計標準。

表6 材料成本與建筑耗能

由表7 可知，在以燒結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。據相關條例規定，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少于25 年，因此以外墻保溫材料壽命年限為25 年計算，在達到投資回收期后的節約能耗費用中，方案3 節約費用最多。綜上所述，方案3 以聚氨酯作為外墻外保溫材料，是5 種節能方案中最為經濟可行的方案。

表7 相關材料經濟效益

4 結語

以鎮江市某5 層住宅結構為模型，針對夏熱冬冷地區夏季炎熱、冬季寒冷的氣候特點，在屋面、外窗圍護結構參數以及外墻外保溫材料厚度保持不變的基礎上，僅改變外墻外保溫材料種類，對外墻外保溫圍護結構進行節能改造，以提高外墻圍護結構的熱工性能，從而分析不同外墻外保溫材料對建筑節能效果產生的影響。進而對建筑能耗進行模擬計算，在比較節能效果的同時，考慮不同方案的經濟可行性，以達到在提高建筑的居住舒適度的同時，節約建筑能耗，創造良好的經濟效益。本文提出的節能改造方案對該氣候地區既有住宅外墻節能改造設計提供了一定的參考。