既有居住建筑外墙保温厚度优化及减排效益分析

陈红兵， 薛闪闪， 李德英， 王聪聪

(北京建筑大学供热、供燃气、通风及空调工程重点实验室， 北京 100044)

世界进入了全球气候化时代，中国作为世界上最大的碳排放国，占比世界能源排放总量的28.8%。在七十五届联合国大会上，中国提出力争在2030年前CO2排放达到峰值，努力争取2060年实现碳中和的目标，为应对全球气候变化做出更大的贡献[1]。据《中国建筑能耗研究报告2019》所示，中国建筑能源消费总量为9.47亿t标准煤，占全国能源消费总量的21.10%，其中城镇居住建筑能耗3.61亿 t标准煤，占比38.09%，城镇居住建筑含采暖能耗占比38%～42%[2]。建筑保温是节能减排的重要途径，其中外墙保温体系可有效减少污染物的排放。现阶段中外许多学者对既有居住建筑外墙保温体系做出研究。高英博等[3]研究了北京农村地区不同类型墙体采用膨胀聚苯板保温的效果，确定外墙最经济保温厚度。Axaopoulos等[4]虑了风速和风向，确定了不同类型和朝向的复合隔热墙和最佳保温厚度。黄仁达等[5]建立P1-P2墙体保温材料经济厚度数学模型，分析保温材料的经济性和不同燃料能源产生的温室气体排放量，确定外墙的经济厚度。Gülten[6]使用了采暖度日数和总环境因子计算不同保温材料建造外墙的最佳保温厚度并对环境影响做出评价。金国辉等[7]研究内蒙古西部超低能耗草原居民建筑外墙中加入石蜡相变材料，分析墙体材质特性、相变材料层厚度对改善室内热舒适性和减少冬季供暖能耗的效果。Rad等[8]引入3E(能源、环境和经济)标准来确定外墙保温材料和最佳保温厚度。对于居住建筑来说，降低外围护结构传热系数是降低其碳排放最有效的手段。建筑外墙保温性能关系到采暖季能源消耗，可有效减少污染物的排放，在节能减排工作中起到关键作用。

现以寒冷地区济南市既有居住建筑为研究对象，利用DeST软件模拟分析外墙在不同保温材料随不同厚度下可实现的节能效果，利用全生命周期法分析其经济性并利用净现值法结合节能率确定不同保温材料的最优厚度，最后分析最优厚度的经济效益和减排效益，进一步推进节能减排工作。

1 居住建筑模型建立

1.1 建筑概况

取某典型居住建筑为模型，建筑坐北朝南共6层，建筑面积为6 943.6 m2，层高3 m，体形系数为0.268，综合窗墙比为0.27。房间内部划为主卧室、次卧室、起居室、卫生间和厨房，建筑模型如图1所示。

地点为济南市，所属地区为寒冷地区，研究目的是不同保温体系在寒冷气候下节能减排的潜力，故建筑初始模型中外围护结构均未采取节能措施，后续的不同保温系统对建筑的能耗影响均以初始模型为基准。济南市居住建筑模型围护结构热工参数如表1所示。

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

表1 济南市居住建筑围护结构热工参数Table 1 Thermal parameters of residential building envelope in Jinan City

1.2 模型参数设置

应用DeST软件进行建筑能耗模拟分析。采暖期为11月15日—次年3月15日，24 h供暖；室内外换气次数为0.5 次/h；空调房间温度上限、下限分别设定为26 ℃和18 ℃；卫生间、厨房、楼梯间和阳台均为非空调房间；其他参数按正常作息时间确定。

2 模拟方案

2.1 保温材料的选取

目前，在建筑围护结构外墙外保温技术中，选用在市场上常用的外墙高性能保温材料有挤塑聚苯板(expanded polystyrene board，XPS)、石墨聚苯板(graphite polystyrene board，SEPS)、硬泡聚氨酯(rigid foam polyurethane，PUR)及岩棉板(rock wool board，RW)等。

2.2 模拟工况

以20 mm厚度递增为1个研究点，研究0～120 mm厚的保温材料对建筑能耗的影响，利用全生命周期费用评价方法评价不同保温材料厚度的经济性，利用净现值法结合节能率确定出不同保温体系的最优厚度并分析改造后的经济效益和减排效益，此模型采用控制变量的方法使屋面和外窗等其他围护结构热工参数不变，仅考虑改变外墙高性能保温材料及不同保温层厚度对建筑能耗的影响。

3 模拟结果及节能适用性分析

3.1 外墙能耗模拟

外墙作为建筑与外界进行能量交换的媒介，占外围护结构总面积的60%～70%，耗热量占建筑物总耗热量的23%～34%[9]，因此，对建筑外墙保温厚度的优化是降低建筑能耗的关键。

在保持屋面、外窗等围护结构传热系数为改造前参数不变，仅改变外墙不同保温材料的厚度进而研究对建筑能耗的影响。由图2所示，墙体在未进行保温施工前，耗热量为206 528.99 kW·h，随着保温层厚度的增加，建筑全年累计热负荷大幅度地减少，但当保温层厚度达到60 mm后，全年累计热负荷降低趋势逐渐趋于平缓。在相同保温厚度下，4种保温材料保温效果为PUR>XPS>SEPS>RW。经120 mm厚XPS、SEPS、RW、PUR节能后耗热量降为135 865.43、137 795.98、139 289.45、134 622.68 kW·h，能耗降低率分别为34.2%、33.2%、32.5%和34.8%。

图2 不同外墙保温材料厚度对累计热负荷的影响Fig.2 Influence of different thickness of external wall insulation materials on cumulative heat load

3.2 外围护结构能耗模拟

屋顶面积对于顶层房间是占比最大的外围护结构，在多层建筑围护结构中，屋顶耗热量占总耗热量的8%～10%[9]。外窗作为建筑的热构件，窗户的材质和气密性同样影响建筑能耗。在能耗模拟满足节能65%以上要求，还需考虑屋面和窗户热特性，故将屋面和外窗等热工参数按《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 26—2018)取值，分别为0.30 W/(m2·K)和2.0 W/(m2·K)而改变外墙保温层厚度对建筑能耗的影响。

由图3所示，在外墙未进行任何保温施工措施，仅改变屋面和外窗的传热系数，全年累计热负荷由206 528.99 kW·h降为130 102.79 kW·h，能耗降低率为37.01%。随着外墙保温厚度的不断增加，节能率可达52%～74%，可以实现改造后达到65%以上的预期目标。4种不同的保温材料在不同厚度下对建筑能耗变化影响的趋势基本一致，建筑累计热负荷先出现大幅下降后逐渐趋于变缓的状态，如果盲目地增加外墙保温厚度，节能率不仅增加不明显，而且会加大投资成本或者出现过度保温现象，此时需要对经济性进行分析，既要满足节能性也要满足经济适用性，从而确定外墙保温的最优厚度。

图3 外窗和屋面对累计热负荷的影响Fig.3 Influence of external windows and roof on cumulative heat load

4 外墙保温经济适用性分析

4.1 计算方法

既有居住建筑外墙改造，只计算外墙保温改造的初投资费用和改造后的运行费用。利用全生命周期法对保温层经济适用性分析并结合净现值法和节能率对保温层厚度优化。

4.2 全生命周期费用分析

全生命周期成本法是一种计算发生在生命周期内全部成本的方法，可以全面正确地评价不同保温材料厚度的经济性，通过分析保温材料初始投资成本和采暖空调耗电量成本产生的净价值来优化保温厚度[10-11]。保温材料全生命周期费用(life cycle cost，LCC)由保温材料的初投资费用和改造后的采暖运行费用组成。外墙保温改造的全寿命周期费用模型如下。

外墙保温改造的全生命周期费用LCC为

LCC=C+Y

(1)

外墙保温改造的初投资费用C为

C=P(1+i)n

(2)

外墙保温改造后的运行费用Y为

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

(3)

式中：P为费用现值，对于初投资，为保温材料费用和施工建造费，对于运行过程，为供暖季电费和；i为基准折现率，5%；n为保温材料寿命年限，25年。

根据市场调研，XPS、SEPS、RW、PUR保温材料价格分别为600、550、470、1 000 元/m3，施工建造费(含运输费、安装费及人工费等)为45 元/m2，取第一档电价为0.546 9 元/(kW·h)，该项目地区煤改电多采用空气源热泵作为热源。结合建筑模型尺寸参数和模拟得到的全年累计热负荷，求得全生命周期内初投资费用和改造后运行费用，最终求得外墙保温改造在全寿命周期中的费用。不同保温材料对应不同保温厚度的全生命周期费用分析如图4所示。

图4 不同保温材料对应不同厚度的全生命周期费用Fig.4 Life cycle cost of different insulation materials corresponding to different thicknesses

图4所示，随着保温厚度的增加，4种保温材料在全生命周期过程中费用变化趋势基本相同，初投资费用随着保温厚度的增加呈线性增长，运行费用随着保温厚度的增加而减小，但随着厚度逐渐增加，费用下降趋势逐渐变缓，是由于全年累计热负荷降低幅度变缓。在整个过程中，全生命周期总费用经历了先降低后升高的现象，在此过程中存在全生命周期费用达到极小值。PUR保温材料在达60 mm后，全生命周期费用随着保温材料厚度的增加不断增长，可能是由于初投资PUR保温材料费用比较高。整体来说，从0～120 mm，不同保温材料的厚度所对应的全生命周期费用总值仍低于未加保温层时所对应的全生命周期总值，由此说明增加保温层厚度确实对降低建筑能耗和减少生命周期总费用起到关键作用。

4.3 外墙保温最优厚度的确定

生命周期内节能净现值(net present value，NPV)指的是投资方案所产生的现金流量以资金成本为贴现率折现后与原始投资额现值的差额[12]，其计算公式为

(4)

式(4)中:CI为年现金收入(节能电费)，元；CO为年现金流出(初投资费用)，元；i为基准折现率；n为保温材料寿命年限。

对于保温材料在全生命周期内的净现值NPV>0，说明该方案可取，净现值越大，方案越佳，有良好的投资回报。由图5可知，除PUR保温材料之外，其他3种保温材料不同厚度所对应的NPV值均大于0，表示各方案均有良好的经济性，均可取。PUR材料在保温厚度超过100 mm后，净现值为负值，说明节能项目在生命周期内亏本，表示方案收益不好，不可取。由图6可知，随着保温材料厚度的增加，各保温体系的节能率也在增加，保温层厚度越小，节能效果越不明显，随着厚度增加，节能效果显著。

图6 不同保温材料对应不同厚度的节能率Fig.6 Energy saving rate of different insulation materials corresponding to different thicknesses

在本方案过程中，除了考虑经济收益外，还进一步考虑节能率，所以同时考虑净现值与节能率使用ORIGIN软件进行曲线拟合，得到4种外墙保温材料与净现值NPV拟合曲线关系如图7所示。

由图7可知，XPS、SEPS、 RW、 PUR 4种保温材料分别与净现值、节能率拟合后相交所对应的最优厚度为55、61、88、38 mm。其保温厚度所对应的净现值均大于0，方案良好且节能率均在68%以上，相比单考虑净现值最大的方案，尽管方案略有欠佳，但节能率提升很高，可实现经济性和节能性双赢。

5 节能减排效益分析

5.1 经济效益分析

为了更好地分析节能改造后的效果，利用静态投资回收期法对该居住建筑改造进行经济效益分析。

根据建筑模型尺寸可知，居住建筑外墙面积为3 039.52 m2，可以得出该建筑采用不同保温材料最优厚度改造后经济效益分析如表2所示。

表2 改造经济效益分析Table 2 Analysis of economic benefit of reconstruction

y1、y2、δ、R2分别为净现值、节能率、保温厚度、相关系数图7 不同保温材料与净现值NPV、节能率拟合曲线Fig.7 Fitting curve of different insulation materials with NPV and energy saving rate

通过表2发现，采用XPS保温材料，投资回收期最短为7年，采用PUR保温材料，投资回收期最长为7.8年，尽管该保温材料的最优厚度是上述4种保温材料最小的，但由于PUR保温材料的初投资价格最贵，所以该投资回收期最长。说明投资回收期不仅与保温材料的传热系数有关同时与初投资的价格有关。

5.2 减排效益分析

外墙保温作为建筑节能的有效措施，对降低污染物的排放具有巨大的潜力，与环境有着直接关联，现对其减排效果展开分析，通过有关文献[13]，得知若节约1 kW·h的电能，同时就会减排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碳粉尘和0.136 kg烟尘等的污染物，其相应的减排价值分别为160、2 000、631.6、275.2 元/t[14]。可以得出该建筑采用不同保温材料最优厚度改造后每年对污染物的减排量如表3所示。

表3 改造减排效益分析Table 3 Analysis of transformation emission reduction benefit

6 结论

(1)若要实现节能65%以上的预期目标，单进行外墙保温改造达不到理想效果，需对屋面和外窗进一步进行考虑分析。在相同外墙保温厚度下，保温材料的保温效果分别为PUR>XPS>SEPS>RW。

(2)改变外墙不同保温材料的保温厚度所对应的全生命周期费用总值仍低于不加保温层时所对应的全生命周期总值，由此说明增加保温层厚度确实对降低建筑能耗和减少生命周期总费用起到关键作用。

(3)在典型气象参数条件下，采用XPS、SEPS、RW、PUR 4种不同保温材料，通过计算不同厚度的NPV值与节能率相结合，得出外墙不同保温材料的最优厚度分别为55、61、88、38 mm。

(4)采用XPS、SEPS、RW、PUR保温材料改造后最优厚度，投资回收期分别为7、7.2、7.7、7.8年，二氧化碳排放量减少了59 759.93～61 968.44 kg，二氧化硫排放量减少了1 787.383～1 864.65 kg，NOx排放量减少893.69～932.32 kg，污染物排放减少了30%～33%，可分别实现环境效益20 724.71、20 901.07、21 187.71、20 353.48元。可知外墙保温改造可获得巨大的节能减排潜力。