长江中下游住宅外保温方案选择研究——基于建设-能源成本耦合机制

吴清俊，刘 禹

（1. 东北财经大学 投资工程管理学院，辽宁 大连116025，E-mail：798491168@qq.com；2. 东北财经大学 投资工程管理学院 工程管理研究中心，辽宁 大连116025）

长江中下游地区地处秦岭淮河（0℃等温线）以南的最北部地区，冬季气候湿冷，由于历史和建设成本的原因，该地区在多数城市的规划中不包括集中供热，冬季室内居住环境较差。随着人们生活水平的提高，越来越多的家庭采用空调来解决采暖问题，同时导致能源消耗量急剧增加。外墙保温是提高室内温度并有效降低建筑能耗最有效的途径之一，该地区很多地方政府也正在着手通过外墙改造措施，确保实现居住环境质量的提升与节能减排的双重效果。但由于相关研究不充分，这些地区缺少有关外墙保温建设的可靠方案。

国内外学者对不同墙体保温层材料的经济厚度曾做过大量的研究。Sisman 等[1]通过考虑保温材料的导热系数和价格、地域平均温度、供暖燃料价格等方面的因素，确定了土耳其的建筑围护结构的最佳保温厚度。Bolattürk[2]以典型的聚苯乙烯保温材料为研究对象，利用P1-P2 法的经济模型分析了土耳其不同城市相对于冷热负荷的最佳保温厚度，其结果表明同一气候区不同城市存在一定的差异性，应分别对每个城市进行能耗计算。早期学者们研究的数据来源复杂，多数采用了P1-P2 法或简单全生命周期成本法建立经济分析模型[3~5]，过程复杂且精度也相对较低。

目前国内学者多运用BIM 技术进行建筑能耗模拟[6，7]，并建立了相关成本模型对外墙保温层厚度的节能性或经济性进行了分析[8~12]。如彭琛等[13]利用能耗模拟软件对我国夏热冬冷地区及夏热冬暖地区住宅外墙保温厚度的节能效果及经济性进行了分析。韩旭亮[14]通过协同设计平台的构建以及基于BIM 系统的全生命周期成本，研究有关建筑外墙保温层和外窗等建筑围护结构组合的最佳经济方案。相关研究主要侧重于材料、建筑构造等的热工技术性能性研究，经济分析深度不足，市场实用性和可持续性较弱。

1 保温层全生命周期综合成本模型的提出

随着保温层厚度的逐渐增加，房屋的能源消耗及其成本会有效降低，但其建设成本也会增加；而且在保温层的生命周期（自保温层建设至重新建设的期间），不同能源的预期价格也在不断波动。因此在保温层厚度设计时，必须考虑预期（保温层的有效使用期）的能源消耗、能源价格与保温层建设成本之间的耦合关系，综合确定保温层建设方案，才能实现可持续发展的基本目的。

1.1 外墙保温LCC 综合成本研究基本原则

全生命周期成本（LCC）包含了产品从设计、原料购买、加工生产、使用维护到回收报废整个过程中所产生的费用总和[15]在满足可靠性要求的基础上，不单纯考虑产品的制造成本或维修成本等，而是从产品的全生命周期费用进行综合考虑，使产品和系统在生命周期内拥有最低的综合成本。

根据有关规定，保温层基本使用期为25 年[16]，在保温层全生命周期的经济分析过程中，考虑资金的时间价值，将净现值作为LCC 综合成本的评价指标，即LCC 综合成本净现值最小的方案即代表最优保温方案。

1.2 保温层LCC 综合成本基础模型

保温层LCC 综合成本基础模型是指仅考虑保温层建设施工以及使用过程中所形成的成本，即从建设开始到报废拆除为止的全过程中所发生费用折算到现值之和，所涉及的费用主要包括保温层建设期的建设成本和保温层运行期的能耗成本。

保温层建设成本以相关定额为基础结合保温层施工面积计算；保温层的能耗成本则是项目建设完工后在使用阶段正常运行所产生的能源消耗费用的现值总和。根据LCC 理论可建立保温层LCC综合成本基础模型，其表达式为：

式中，LCC 为保温层的全生命周期成本（元）；Pb为保温层厚度为b 时的保温材料综合单价（元/m2）；Qs为保温层施工的工程量（m2）；n 为保温层生命周期（年）；t 为保温层生命周期内已使用的年数（年）；Eb为保温层厚度为b 时的建筑年度耗电量（kwh）；Pj为当地的电价（元）；i 为折现率。

1.3 保温层LCC 综合成本优化模型

保温层LCC 综合成本优化模型是指在保温层的全生命周期内，各种保温方案中可以实现综合成本最低的优化模型，即在“保温层LCC 基础模型”的基础上进行优化改进，利用最小二乘法对于保温层厚度与保温层建设成本实施回归，进而求得在保温层全生命周期内，综合成本（建设与能耗成本）最低的成本现值之和，其表达式为：

式中，LCCb为保温层厚度为b 时保温层的全生命周期成本（元）；kpv为基于净现值评价的保温层厚度回归模型的系数；b 为保温层厚度（cm）；cpv为基于净现值评价的保温层厚度回归模型的常数；α 为电价波动率。

2 基于BIM 的住宅保温方案仿真模型构建

为了验证保温层LCC 综合成本优化模型的可靠性，本文采用BIM 技术对建筑的能耗状况进行模拟分析，确定保温层厚度与能源消耗之间的关系。选择Revit 软件作为居住建筑BIM 工具，使用Ecotect 作为居住建筑能耗分析的软件，以Revit 输出的gbXML 文件实现Revit 和Ecotect 软件之间的数据交互结合使用，进行调整优化。

由于住宅建筑与外界环境的热传递主要与其外围护结构的热工性能有关，当其内部空间达到热稳定状态时，建筑内部空间的热传递可忽略不计，因此本文将选取住宅中的一层标准层建立简化的BIM 模型。住宅保温方案仿真分析流程如图1 所示。

图1 基于BIM 技术的住宅保温方案仿真分析整体流程

（1）通过Revit 建立简化的标准层BIM 模型，以gbXML 格式导入Ecotect 进行建筑的能耗分析，并通过Excel 对相关数据进行记录分析。

（2）以相关定额为基础估算保温材料的综合建设单价，利用EViews 软件建立保温层厚度与综合建设单价的回归模型，完成回归模型检验分析。

（3）统计各保温层建设方案的LCC 综合成本并进行比较分析，找出最低LCC 综合成本的方案，即为最优的保温层建设方案。

3 长江中下游地区住宅保温优化方案的仿真分析

3.1 住宅建筑简化标准层BIM 模型的建立

本文按建筑设计标准随机选取长江中下游地区一栋15 层的两户型住宅标准层为对象，选取其中的一层标准层，在Revit 平台上建立简化标准层BIM 模型，并对其进行空间分区及有关的信息设置，导出gbXML 结果，其标准层外墙的保温层工程量为234.64m2。

3.2 住宅保温层与能源消耗耦合关系的仿真分析

（1）围护结构属性设置。选用Ecotect 软件，建立对应围护结构的材质库，参考《民用建筑热工设计规范》（GB50176-2016），针对该地区两种常用保温材料——挤塑聚苯板（XPS）和膨胀聚苯板（EPS）进行优化分析。确定优化前初始围护结构及其热工属性设置如表1 所示，并假设围护结构两侧的温度差处于稳定状况。在其他围护结构不变的条件下，假定保温层厚度变化范围设置为0~20cm，以1cm 为间隔进行模拟。

表1 初始围护结构及其热工属性

（2）环境模拟参数设置。选取长江中下游地区的气候状态类似的3 个典型城市：杭州、南京及合肥，采用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》作为气象数据来源。使用Ecotect 进行能耗模拟可根据实际情况或《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）设定不同情境的环境，主要包括一般设定（着衣量、相对湿度、风速、室内照度、人员情况和室内得热情况、渗透率）和热环境属性（系统类型、舒适温度区间、运行时间）的设置。本文采用全空调温度控制系统，舒适温度区间设置为18°C~26°C，模拟周期为365 天，每周分两种状态运行：周一到周五为标准工作日运行，时间为7pm到7am，周末运行时间应该是7pm 到8am。

3.3 保温层建设成本回归模型的建立

以各城市现行建设工程预算定额为基础计算相关城市XPS 和EPS 保温层的综合单价，各城市保温层的综合单价只存在保温层材料厚度变化价差，同个城市的其余取费相同。以各地保温层厚度1~10cm 的综合单价数据为基础，利用Eveiws 建立3 个城市保温层综合单价和建设成本的回归模型，其表达式如表2 所示。

通过Eveiws 软件分析可得，表2 中各方程式的拟合优度值均为1，即拟合优度较高，说明本文的各种前提假设和模型设计与施工建设项目的状况基本相符，可以作为进一步研究的基础；且各模型均通过拟合优度检验，各回归方程式均通过显著性P=0.01 的统计显著性检验。对于计算所得的回归值与实际值进行对比分析，其验证结果如图2 所示，两组数据基本重合，回归模型精度较高。

表2 3 个城市保温层建设成本模型

图2 建设成本实际值与回归值对比趋势图

3.4 保温方案与预期能源消耗的耦合关系

根据目前长江中下游冬季取暖状况及本文的前提假定，不考虑煤炭、天然气等能源的使用，选择电力为基本能源进行相关分析。

尽管近10 年来，我国居民用电价格保持稳定不变，但各地区电价差异长期存在，电价上升与下降的因素共存。相关研究也表明，未来电价会更趋向市场化[17]，当前电价波动率α 取1，未来电价波动率预期以0.1 间隔上升至2。以当前央行基准贷款利率（4.35%）确定折现率i，依据设计规范确定保温层的生命周期n 为25 年，并结合LCC 综合成本优化模型式（2），计算出各外墙结构保温方案与预期能源价格的耦合关系，确定不同外墙保温层构造的LCC 综合成本净现值变化趋势图，其中部分趋势图如图3 和图4 所示。

从图3 可知，尽管不同城市气候条件略有差异，LCC 综合成本有差异，但其变化规律相近。同一城市采用不同的保温材料也会影响LCC 成本的变化；不同外墙结构适用XPS 的厚度范围不同。以外墙构造1 为例，3 个城市适宜采用XPS 的厚度范围依次为0~12cm、0~15cm、0~13cm，说明在保温层厚度较小时，XPS 比EPS 综合效果好；随着保温层厚度达到一定范围之后，EPS 效果优于XPS；选用XPS时，3 个城市最优的保温层厚度均为5cm；选用EPS时，杭州的最优保温层厚度为5cm，在南京及合肥的最优保温厚度为6cm。

从图4 可知，各电价波动率下的LCC 综合成本变化趋势相近，并且随着电价波动率逐渐上升，LCC 综合成本变化幅度逐渐增大，最优的保温层厚度也会逐渐增加。当电价波动率增加到2 时，各城市最优的保温方案比原来增加了1~3cm，平均增加厚度为2cm。

综上所述，不同的气候条件、墙体结构、保温材料类型及电价波动都会对最优的保温方案选择产生一定的影响，在长江中下游地区的住宅建筑中，3 种外墙结构最优的保温方案在2~5cm 之间，当预期能源电价上升为两倍时，最优保温层方案的厚度平均增加了2cm，如表3 所示。

图3 外墙1 保温层LCC 综合成本趋势图

图4 南京外墙1 电价波动XPS 保温层LCC 综合成本趋势图

4 长江中下游地区住宅保温优化方案的实证检验

为了验证模型建筑仿真结果的普遍性和仿真结论的实时性价值，本文随机选择杭州、南京、合肥城市的3 栋实体建筑进行实证性检验。

实证检验住宅项目基本状况如表4 所示。

保温材料采用XPS 和EPS，保温层厚度变化范围设置为0~2cm，以1cm 为间隔。按照本文前述流程进行能耗分析，并结合对应的建设成本回归公式分别代入保温层LCC 综合成本优化模型中完成保温方案的优化分析。以“0”保温层厚度的LCC 综合成本为初始方案成本，以各保温层方案的LCC综合成本与初始方案成本的比值作为各方案对比优化指标——比值越低，成本节约率越高，成本比值最低值即是最优的保温层建设方案，绘制住宅保温层方案成本比值趋势对比图，其中，电价波动率为1 时的趋势对比如图5~图7 所示。

表3 三种外墙结构最优保温方案

表4 住宅实证项目基本状况表

图5 杭州住宅保温层方案成本趋势对比图

图6 南京住宅保温层方案成本趋势对比图

从图5~图7 可知，项目保温层方案成本比值趋势与仿真模型的方案成本比值趋势变化相似。杭州项目适宜采用XPS 的厚度范围是0~5cm，适宜采用EPS 的厚度范围是6cm~20cm；南京项目适宜采用XPS 的厚度范围是0~5cm；合肥项目适宜采用XPS 的厚度范围是0~6cm。这都证明了仿真模型的推演结果：在保温层厚度较小时，选用XPS 效果优于EPS；当保温层达到一定的厚度后，EPS 效果优于XPS。统计分析3 个项目最优的保温层方案在2cm~3cm 之间。

随着预期能源电价的上涨，保温层厚度会逐渐增加，成本节约率也随之增加。当预期能源电价上升为两倍时，最优的保温层方案厚度增加1cm~2cm。3 个项目最优保温方案如表5 所示。

图7 合肥住宅保温层方案成本趋势对比图

表5 3 个项目最优保温方案

3 个项目最优的保温层方案厚度均在仿真模型各墙体的最优保温层厚度范围之内，证明了保温层LCC 综合成本优化模型模拟计算在长江中下游地区的有效性。

5 结语

保温层的LCC 综合成本随着保温层厚度的增加先递减后递增，存在最低LCC 综合成本的保温层厚度。通过BIM 技术进行建筑的仿真分析表明，不同的气候条件、外墙构造、保温材料类型都会对最优的保温层方案产生影响。在保温层厚度较小时，选用XPS 比EPS 效果更好，当保温层达到一定厚度后，EPS 效果优于XPS。当未来电价依然保持目前的稳定趋势时，该地区最优保温层建设方案为采用2cm~5cm 的XPS 保温层。根据预期保温层全生命周期内电价波动模式，3 个城市不同外墙结构最优的保温层方案为采用4~7cm 厚的XPS 保温层为宜。同时为了保证相关政策在实际工程中执行的方便性，建议长江中下游地区在各城市住宅建筑的外保温方案宜以5cm 厚的XPS 为基准，偏南地区（如杭州）可适当减薄，北部地区（如南京、合肥）适当增厚。