寒冷地区超轻泡沫混凝土节能及经济性评价
2021-02-23袁景玉胡可高源岳晓鹏吴哲元
袁景玉,胡可,高源,岳晓鹏,吴哲元
(河北工业大学建筑与艺术设计学院,天津 300130)
0 引言
数据显示[1],寒冷地区采暖空调能耗占建筑能耗的23.2%,而围护结构保温体系是降低建筑冷热能耗、促进我国建筑行业节能减排的关键。截至2014年,我国存量及新建建筑90%以上采用以XPS板(挤塑式聚苯乙烯隔热保温板)为代表的有机保温材料[2]。由于有机保温材料防火性能欠佳造成人员财产巨大损失。包括超轻泡沫混凝土在内的无机保温材料因其防火能力强、耐久性好、价格低、绿色环保等特点,市场份额由2010年的6%快速增长到2019年的38%,近年来逐渐成为建筑节能领域的重要研究方向。目前,国内外学界对超轻泡沫混凝土的研究主要集中在微观结构、材料与改性实验、抗压强度、导热系数等单一物理性能优化等方面[3-9],缺乏实际使用情况下与现行常规有机保温材料的节能性能对比评价。本文以寒冷地区典型城市天津为例,运用EnergyPlus能耗模拟软件,对典型办公建筑围护结构中XPS板和超轻泡沫混凝土2种保温体系的保温隔热性能进行模拟和分析,并通过多元非线性回归分析得出超轻泡沫混凝土保温设计的最优方案,为寒冷地区办公建筑保温体系设计提供理论及实践依据。
1 模拟实验
采用EnergyPlus软件中的热传导算法(Surface Convection Algorithm)对建筑围护结构保温材料的保温隔热性能进行模拟,该软件目前已广泛应用于国内外建筑能效评估与优化领域。
1.1 原始模型描述
该原始模型为天津市某典型办公建筑,框架结构、地上4层、正南朝向、总建筑面积2951.6 m2,首层高度4.2 m、标准层层高3.2 m,建筑体形系数0.30,窗墙比分别为南向0.60、东向0.03、西向0.03、北向0.58。根据建筑功能不同,该原始模型内部空间可划分为楼梯及通行空间、办公空间和卫生间,建筑内部布局及模型如图1所示,围护结构参数见表1。
图1 天津某办公建筑原始模型
表1 原始模型围护结构构造做法及热工参数
1.2 原始模型模拟参数设置
原始模型气象参数采用EnergyPlus气象数据网站下载的天津市典型气象年数据(CSWD格式)[10]。建筑空调冷源为电制冷螺杆式冷水机组,热源为常压热水锅炉。设定采暖期为11月15日~3月15日,空调期为5月15日~9月15日。典型房间的各项参数如表2所示,其中人员逐时在室率、照明逐时使用率、设备逐时使用率按GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》附录B取值。
表2 原始模型模拟热扰参数
1.3 模型校验及基准模型构建
针对上述原始模型,首先利用EnergyPlus软件进行热工模拟,得到建筑采暖、空调、照明及设备能耗预测值(初始模拟值),继而从室内热扰参数及空调系统2方面进行能耗校准。即:首先调整照明功率、设备功率,校验原始模型的照明及设备逐月能耗模拟值,进而调整人员在室率和空调系统运行时间,对比全年采暖及空调能耗预测值与实测值,通过平均偏差误差(MBE)和均方根误差变化系数CV(RMSE)2个评价指标,判断校验模型的准确性。美国采暖、制冷与空调工程师协会标准(ASHRAE)[11]、国际节能效果测量和验证规程(IPMVP)[12]、美国联邦能源管理计划(FEMP)[13]对这2个统计指标提出不同的限定,如表3所示。本文依据美国联邦能源管理局规定的FEMP进行模型校验。
表3 不同标准校验可接受误差范围
图2为原始模型模拟预测值与实测数据逐月单位面积总能耗的比较,图中短竖线为FEMP规定的模拟与实测能耗MBE为5%的误差线。校正后,基准模型月能耗误差均控制在5%以内,年能耗误差为1.70%,均方根误差变化系数为4.48%,符合FEMP规定。
图2 天津某办公建筑原始模型校验
2 能耗模拟及结果讨论
选取国内广泛使用的XPS板和超轻泡沫混凝土作为有机保温材料和无机保温材料的代表进行能耗模拟实验,分析二者在寒冷气候类型下的能耗表现、节能适应性及经济性。XPS板和超轻泡沫混凝土的物理性能如表4所示。
表4 保温材料的物理性能指标
2.1 能耗表现
围护结构保温工程涉及屋面和墙体2部分。因墙体与外界接触面积最大,能量传递最多,是节能保温设计的关键部位。因此,本模拟实验设定屋面传热系数满足GB 50189—2015中的限值0.45 W/(m2·K)不变,墙体外保温厚度考虑到实际工程的常规规格0~150 mm,以10 mm为单位递增,分别计算XPS板和超轻泡沫混凝土的单位建筑面积能耗,结果见图3。
图3 不同厚度保温材料的单位面积能耗
由图3可知,墙体未进行保温施工前,基准模型全年能耗为42.89 kW·h/(m2·a),经150 mm厚XPS板和超轻泡沫混凝土节能改造后,年能耗分别降为33.78、34.86 kW·h/(m2·a),节能率分别为21.24%、18.72%。这表明同样厚度的外保温层设计条件下,XPS板相较于超轻泡沫混凝土具有更佳的能耗表现。对图3数据进行曲线拟合,并对拟合后的函数进行求导,绘制能耗表现边际效应图。边际能耗函数及不同厚度下边际能耗降低值如图4所示。
图4 能耗拟合函数及函数求导
由图4可知,基准模型全年能耗随保温层厚度增加而降低,但下降速率趋于平缓,即边际效应逐渐递减。XPS板由于传热系数较小,前期边际能耗下降速率高于超轻泡沫混凝土;但当保温层厚度达到60.47 mm的临界值后,超轻泡沫混凝土的边际效应较大,随着保温层厚度的持续增加,其能耗表现略优于XPS板。
为进一步分析XPS板和超轻泡沫混凝土的保温性能,本实验根据保温材料设计位置的不同,研究并建立了3种外墙构造模型,如图5所示。1#模型为200 mm厚加气混凝土外墙+XPS板/超轻泡沫混凝土外保温(基准模型),2#模型为保温层在中央的“三明治”墙板,3#模型为内保温构造做法。不同墙体构造下能耗表现见图6。
图5 3种墙体构造模型
图6 不同墙体构造下的能耗表现
由图6可知,无论XPS板还是超轻泡沫混凝土作为墙体保温材料时,相同厚度的保温层设计条件下,内保温构造做法的单位建筑面积年采暖及空调能耗均为最低、夹芯保温次之,外保温构造做法的年能耗最高。但由图6中折线可知,因保温层设置位置不同而导致的能耗差异十分有限。当XPS板作为墙体保温材料时,能耗差最大值出现在保温层厚度为50 mm时,差值为0.157 kW·h/(m2·a),即内保温比外保温仅节能0.43%,夹芯保温比外保温节能0.32%;当超轻泡沫混凝土作为墙体保温材料时,能耗差最大值出现在保温层厚度为60 mm时,差值为0.137 kW·h/(m2·a),即内保温比外保温仅节能0.36%,夹芯保温比外保温节能0.29%。这说明XPS板和超轻泡沫混凝土保温层位置对于建筑总体能耗影响不大。综合考虑施工难度、成本及结露等问题,围护结构外保温仍为建筑设计的常规构造做法。
2.2 节能适应性分析
以XPS板和超轻泡沫混凝土作为基准建筑围护结构外保温材料,传热系数分别按GB 50189—2015和GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》三星级的上限取值,基准建筑围护结构保温层设计值和全年采暖及空调能耗表现如表5所示。
表5 不同标准下保温层厚度要求及能耗表现
由表5可知,在相同节能标准要求下,超轻泡沫混凝土全年采暖及空调能耗表现稍优于XPS板,节能量分别为0.86%和1.10%。即节能标准越高,超轻泡沫混凝土的能耗表现越佳。基准建筑采暖及空调逐月能耗如图7所示。
图7 基准建筑采暖及空调逐月能耗
由图7模拟结果可知,超轻泡沫混凝土与XPS保温板的能耗表现在夏季及过渡季并无明显差异;但作为外墙外保温材料,超轻泡沫混凝土的冬季能耗表现显著优于XPS保温板,最大差异值出现在11月,2种节能标准下分别节能1.92%和2.62%。这是由于相较于XPS板,超轻泡沫混凝土材料的蓄热系数较大,热惰性更好。最热、最冷天单位面积能耗差值见图8。
图8 最热、最冷天单位面积能耗差值
基准建筑最热、最冷日逐时能耗模拟结果也支持了同样的结论,最冷日供热负荷最大值出现在上午09:00,为93.3 W/m2,采用超轻泡沫混凝土作为外墙外保温材料,可将该时刻能耗峰值降低1.84 W/m2,约2.0%;而能耗降低最大值出现在上午08:00,能耗降低4.3 W/m2,约23.6%。因此,在进行建筑供热设备选型时,可适当降低供热设备的最大额定功率。同理,超轻泡沫混凝土的夏季隔热性能与XPS板差异不大,对建筑夏季工况能耗影响有限。
另一方面,由表5可知,为满足相同的围护结构传热系数限值,超轻泡沫混凝土的设计厚度明显大于XPS板保温板,综合考虑材料密度,选择超轻泡沫混凝土作为墙体保温材料时,建筑结构负荷更大;但是,作为屋面保温材料时,由于超轻泡沫混凝土可兼做找坡/找平层,故将屋面找坡/找平层与保温层合并设置后,可减小屋面荷载。
2.3 节能经济效益分析
2.3.1 经济厚度分析
依据表5中相关节能规范对不同保温层厚度的限定范围。以10 mm倍数,将基准建筑墙体、屋面保温层设计厚度在限定范围内取整,模拟不同保温层厚度配比下基准建筑全年采暖及空调能耗,模拟结果如表6、表7所示。
表6 不同厚度超轻泡沫混凝土保温系统年采暖及空调能耗
表7 XPS板保温系统年采暖及空调能耗
由表6、表7可知,在相同的建筑能耗下,基准建筑墙体及屋面保温层厚度可以有多种设计组合。考虑墙体与屋面施工成本及材料费用的差异,即在相同能耗表现情况下,基准建筑围护结构保温层存在最经济的理想厚度取值(最优解)。墙体/屋面保温层初始投资费用关系如式(1):
式中:Pi——墙体/屋面保温层初始投资费用,元;
Pn——保温材料单价,元/m3;
Ai——基准建筑墙体/屋面保温施工面积,m2;
di——墙体/屋面保温层厚度,mm。
根据实验结果可知,墙体/屋面保温层厚度的单因素取值变化将明显影响基准建筑能耗表现。随着墙体保温层厚度(自变量)的增加,单位建筑面积采暖及空调能耗(因变量)逐渐降低,且下降趋势趋缓;随着屋面保温层厚度(自变量)的增加,单位建筑面积采暖及空调能耗(因变量)逐渐降低,且下降趋势趋缓。综合上述2个影响因素各自与能耗的关系、保温工程初始投资费用模型及表6、表7实验数据,提出基准建筑单位面积年采暖及空调能耗多元非线性回归数学模型:
式中:E——单位建筑面积年采暖及空调能耗,kW·h/(m2·a);
x——墙体保温层厚度,mm;
y——屋面保温层厚度,mm;
bk——回归系数,k=0,1,…4。
依据表6、表7实验数据,求解方程的回归系数,得到多元非线性回归方程式如下:
根据多元非线性回归方程式(3)、式(4)绘制基准建筑单位建筑面积采暖及空调能耗曲面,如图9、图10所示。通过非线性规划分析,根据式(1)求解初始投资费用最小值,得到图中所示曲线,其xy平面投影直线方程式分别为:
该方程含义为:当围护结构保温层厚度在该直线上时,在相同能耗下保温材料初始投资额最低。
图9 不同厚度超轻泡沫混凝土保温系统年采暖及空调能耗
图10 不同厚度XPS板保温系统年采暖及空调能耗
2.3.2 全生命周期费用分析
全生命周期成本(Life Cycle Cost,LCC)是指产品在有效使用期间发生的与该产品有关的所有成本,对于保温系统而言,包括投资成本CI、运行成本CO、养护成本CM、维修成本CF及废弃处理成本CD。计算公式为:
本文仅考虑成本最高的投资成本、运行成本及维修成本。其中:CI=Ps·(1+i)n,CO=A·[(1+i)n-1]/d,CF=Pu·(1+i)n。
式中:Ps——初次投资费用,元;
i——通货膨胀率,%;
n——建筑使用年限,年;
A——年采暖及空调能耗费,元;
Pu——保温系统的维护成本,元;
P——墙体/屋面保温层初始投资费用,元;
Pi——单位体积保温材料价格,元/m3;
Ai——基准建筑保温施工面积,m2;
di——保温层厚度,mm。
超轻泡沫混凝土能与建筑同寿命,在全生命周期内无维修费用,而XPS保温板设计使用年限一般为25年,在全生命周期内需更换1次,其维修费用与初始建造费用的现值相同。2种保温材料计算参数及数值见表8。
表8 保温材料计算参数及数值
根据2.3.1计算出的理想状态下经济厚度配比关系,通过式(7)计算单位建筑面积全生命周期费用,以单位建筑面积能耗为自变量,以单位建筑面积全生命周期费用为因变量计算相关函数曲线,得到关系式为:
由式(8)、式(9)绘制基准建筑全生命周期全费用曲线,如图11所示。
图11 全生命周期费用变化曲线
由图11可知,在建筑全生命周期内,使用超轻泡沫混凝土所产生的相关费用较使用XPS保温板所产生的相关费用低,且随着建筑能耗水平的减低,使用超轻泡沫混凝土保温系统将会更加经济。
3 结论
(1)增加保温层厚度可降低基准建筑全年采暖及空调能耗,但XPS板和超轻泡沫混凝土保温板边际效应不同,超过60.47 mm保温厚度临界值后,超轻泡沫混凝土保温板边际效应较大。
(2)采用超轻泡沫混凝土保温板时,内外保温措施对建筑能耗的影响低于XPS板,且当保温层厚度超过60 mm时,其对能耗影响开始降低。
(3)在相同节能标准要求下,超轻泡沫混凝土全年采暖及空调能耗表现稍好于XPS板,而在冬季月份及最冷日其能耗表现明显占优,且节能标准越高,超轻泡沫混凝土的能耗表现越佳。
(4)在建筑全生命周期内,使用超轻泡沫混凝土所产生的费用比XPS保温板的低,且随着节能标准的提高,建筑能耗的降低,使用超轻泡沫混凝土保温系统将会更加经济。