模卡砌块组合保温墙体热工性能及其经济性分析

摘 要： 随着超低能耗建筑、近零能耗及零能耗建筑的发展，新型外墙围护结构引起广泛地研究和重视.模卡砌块作为一种新型外墙自保温技术，开始在上海、江苏等国内一些发达地区被试点和应用，但目前暂无相应规范指导，其热工性能及经济性仍缺乏系统性研究.文中以夏热冬冷地区某公共建筑为例，采用DeST能耗模拟软件，建立了传统外保温墙体、模卡砌块组合保温墙体三维分析模型，研究了膨胀聚苯板、岩棉板、聚氨酯板、挤塑聚苯板4种不同类型保温材料及6种不同厚度（30、50、70、90、110、130 mm）下模卡砌块组合保温墙体的热工性能.进一步，采用净现值法，对不同工况下的砌块组合保温墙体进行了经济性分析.研究表明：在相同外墙保温厚度下，聚氨酯板的保温效果最佳；不同保温材料厚度对应的净现值都呈现出先上升后下降的趋势，结合净现值和节能率，其最优厚度分别为70、70、40、60 mm，对应的节能率分别在达到我国建筑节能65%的标准上再降低7.08%、6.81%、5.1%、6.5%.

关键词： 外墙保温；墙体构造；DeST软件；最优厚度；净现值

中图分类号：TU55"" 文献标志码：A"""" 文章编号：1673-4807（2024）02-080-07

Thermal property and economic analysis of theMoka blocks composite insulation wall

Abstract：With the development of ultra-low energy consumption buildings， near zero energy consumption buildings， and zero energy consumption buildings， new exterior wall enclosure structures have been widely studied and valued. As a new type of self-insulation wall technology， Moka blocks have been piloted and applied in some developed areas in China， such as Shanghai and Jiangsu. But there is no corresponding standard at present， and its thermal property and economy are still in lack of systematic research. This paper takes a public building in a hot summer and cold winter area as an example， and uses DeST energy consumption simulation software to establish a three-dimensional analysis model of traditional external insulation walls and Moka blocks composite insulation walls. The thermal property under four different types of insulation materials in the blocks， including expanded polystyrene board （EPS）， rock wool board （RW）， polyurethane board （PU） and extruded polystyrene board （XPS）， and six different thicknesses （30， 50， 70， 90， 110， 130 mm） are studied. Furthermore， the economic analysis of the blocks composite insulation wall under different working conditions is carried out by using net present value. The results show that the insulation effect of polyurethane board is the best under the same insulation thickness. The net present value corresponding to the thickness of different insulation materials shows a trend of first increasing and then decreasing. Combined with the net present value and energy efficiency， the optimal thicknesses is 70， 70， 40， and 60 mm， respectively. The corresponding energy saving rates are further reduced by 7.08%， 6.81%， 5.1%， and 6.5% in addition to reaching the 65% standard of building energy efficiency in China.

Key words：exterior wall insulation， wall construction， DeST， optimal thickness， net present value

建筑在施工或使用过程中能源消耗巨大，2020年中国建筑全过程能耗总量达到22.7亿吨标准煤，占全国能源消费总量比重的45.5%.为降低建筑能耗，现阶段各国普遍采用逐步发展的技术策略[1]，近零能耗建筑是建筑迈向零能耗过程中的重要中间节点，实现近零能耗，逐步迈向零能耗是行业公认的技术路线[2].从1986年起，我国建筑至今主要经历了节能30%、50%、65%三个阶段，正处于节能65%迈向75%的第四阶段，并计划于2060年达到碳中和[3].建筑保温是节能减排的重要途径，热工性能较差的围护结构大大降低了能源利用效率，故优化建筑围护结构的热工性能对建筑节能至关重要.而墙体在建筑围护结构中面积占比最大，占建筑围护结构总耗热量的70% ～80%[4]，因此提高外墙保温性能对降低建筑能耗起到关键作用.

建筑外墙保温技术主要包括外墙外保温、外墙内保温及外墙自保温等形式.目前，外墙外保温技术已被广泛地研究和应用于工程实践，成为我国墙体保温的主要节能技术.文献[5]利用DeST软件建立北京地区农村住宅典型模型，使用全寿命周期费用评价方法，计算得出了3种不同墙体使用膨胀聚苯板进行保温改造时的经济保温层厚度.文献[6]选择石墨聚苯板作为综合性能相对理想的外墙保温材料，使用DeST（designer′s simulation toolkits）软件计算分析5个建筑气候区的近零能耗居住建筑外墙保温材料适宜厚度.文献[7]为了优化外墙保温系统，定义了一个同时考虑能源、环境、经济三个参数的3E函数来确定适宜的外墙保温材料和最佳保温厚度.文献[8]选择成都某高校建筑，基于DeST软件研究不同外墙保温层材料的经济厚度值和对建筑年累计冷热负荷的影响.文献[9]使用多项式建筑负荷进行回归拟合，基于DeST软件并结合净现值法计算分析不同形式下屋面和外墙保温对建筑全寿命期的敏感性.在上述学者的研究中，仅在传统外墙外保温薄抹灰构造基础上，讨论了最优保温经济厚度，而对基于新型保温材料的组合保温构造方面的技术革新较少，且该构造下的热工性能和经济性研究仍是空白，暂无相应的工程技术规范.

伴随建筑节能标准的提升，外墙保温材料厚度的不断增加，外保温技术存在越来越多的工程问题，如外墙外保温系统保温层整体剥落和易发生火灾的问题频频出现[10].为有效解决外墙外保温系统缺点的技术，上海市房屋建筑设计院研究设计一种新型建筑墙体自保温材料—混凝土保温模卡砌块，并完成了部分地区的试点工程[11].混凝土保温模卡砌块具有独特的构造特点，在混凝土砌块内部设置了三排扁长孔，可将保温材料置于砌块内部，提高墙体自保温性能.与传统砌体施工方式不同，混凝土保温模卡砌块无需使用砂浆砌筑，砌块依靠四周卡口相互衔接.砌块设置竖向灌注通孔和水平向的拱形凹槽，以便在砌体内部形成上下、左右完全贯通的孔洞，灌注灌浆材料后将砌块连成整体，解决了普通砌块墙体存在的“裂、渗、漏及保温”等问题[12].

但外墙仅使用自保温材料不能很好地满足近零能耗建筑保温需求.针对采用间歇性采暖方式的夏热冬冷地区建筑，文献[13]认为在围护结构设计中内侧应尽可能设置低蓄热性能的轻质构造层，即内保温层.因此，文中拟在混凝土模卡砌块自保温墙体研究基础上，结合内保温构造，构成模卡砌块组合保温墙体，进一步研究其热工性能和经济性，探索其作为近零能耗建筑被动式外墙技术的可行性.

文中以夏热冬冷地区某公共建筑为例，采用DeST软件，建立其三维模拟模型.首先对传统加气混凝土砌块外墙外保温及模卡砌块组合保温墙体热工性能两种技术方案进行对比分析；进一步对不同保温材料、不同厚度下的模卡砌块组合保温墙体节能效果进行了数值模拟分析；最后采用净现值法对模卡砌块组合保温墙体的经济性进行分析，给出不同保温材料的最优厚度及对应的节能率，旨在为夏热冬冷地区近零能耗被动式外围护墙体设计提供参考和依据.

1 基准建筑模型建立

1.1 DeST软件介绍及建筑能耗模拟流程

DeST是由清华大学建筑技术科学系建筑环境与设备研究所在建筑和采暖、空调系统研究的基础上，针对建筑节能的实际情况，研发出的一套适用于建筑热环境分析的软件[14].已有研究[15-17]通过实验实测数据与DeST软件模拟结果对比，验证该软件模拟的可靠性，证明DeST软件作为模拟实际运行状况下的建筑能耗计算平台的可行性.

DeST软件能耗模拟主要分为三步：① 建立模型并设置相关参数.在软件界面建立建筑模型，该步骤主要包括建立建筑、设置楼层层数及层高、绘制墙体、添加门窗、划分房间等，并通过建筑计算预处理对整个建筑进行检查.模型建好后，需对建筑围护结构、房间功能、空调通风系统等相关参数进行设定.② 模拟计算.在此阶段对改造前后建筑冷热负荷进行计算.③ 导出计算结果并进行对比分析.对改造前后建筑冷热负荷进行对比分析，为保温构造方法的选择提供数据依据.

1.2 基准建筑模型概况

该建筑面积8 595 m2，地上3层地下1层，层高12.3 m，体型系数0.24，东向窗墙比为0.17，南向窗墙比为0.47，西向窗墙比为0.11，北向窗墙比为0.41.图2为江苏省某建筑工程质量中心实验室的实体建筑及其DeST软件模型.

根据公共建筑节能率65%的标准GB50189-2015《公共建筑节能设计标准》为基准设定该建筑模型围护结构热工参数，如表1.

1.3 气象条件及模拟参数设置

采用南京市典型气象年逐日气象参数作为建筑能耗分析的外部环境，见图3.南京市所属夏热冬冷地区，全年平均温度在-2～32 ℃，其中6月至8月的最高气温可达37 ℃，11月至次年3月的平均温度基本在0以上，偶尔出现0以下的极端天气.从全年的平均气温变化趋势来看，建筑室内夏季供冷需求高于冬季供暖需求.考虑到日最高（低）温度和人体舒适度等因素，设置该公共建筑采暖季日期为11月15日至次年3月15日，采暖控制温度为20 ℃，采暖运行时间为7∶00—19∶00.空调季日期为6月1日至8月31日，制冷控制温度为26 ℃，制冷运行时间为7∶00—19∶00.

依据GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》，设置建筑模型的人均占有面积、照明功率密度、设备功率密度及新风量等参数，如表2.照明使用率、设备使用率、人员在室率采用0、0.5、1.0数值表示不同的使用条件：0表示该房间无热扰，即房间内无照明装置、设备开启，室内无人；0.5表示该房间热扰适中，即房间内照明热功率、设备热功率、人数为最大值的50%；1.0表示该房间热扰最大，即房间内照明热功率、设备热功率、人数均为最大值.具体作息时间如下：7∶00—8∶00为0.5，9∶00—17∶00为1.0，18∶00—19∶00为0.5，其他时间为0.

2 加气混凝土砌块外保温与模卡砌块组合保温热工性能对比

相对于加气混凝土砌块外保温，模卡砌块组合保温做法优势在于保温层设置在基层墙体内侧，安全性高，维护成本低、使用寿命长、施工方便，具体构造如图4.

为对比二者之间保温性能，本节采用DeST软件，模拟得到225 mm厚B07级加气混凝土砌块外保温及225 mm厚混凝土保温模卡砌块组合保温在不同保温材料及不同厚度下的建筑全年累计冷、热负荷，分别绘于图5、6.

由图5、6可以看出，随着保温材料厚度逐渐递增，采用组合保温做法的全年累计冷、热负荷均低于传统外保温做法的全年累计冷、热负荷.由图6可以看出，两类保温墙体全年累计冷负荷变化不大，其主要原因是随着保温层厚度增加，室内热稳定性增强，建筑物的累计冷负荷量降低量较小.因此，文中以下将着重研究保温模卡砌块组合保温构造对降低建筑热负荷的影响.

3 模卡砌块组合保温墙体节能性分析

3.1 模拟工况

参考GB/T51350-2019《近零能耗建筑技术标准》中夏热冬冷地区公共建筑外墙的传热系数范围：0.15～0.40 W/m2·K，组合保温采用4种常用的保温材料，包括：膨胀聚苯板（expanded polystyrene board， EPS）、岩棉板（rock wool board， RW） 、聚氨酯板（polyurethane board， PU） 、挤塑聚苯板（extruded polystyrene board， XPS）.材料厚度范围为30～130 mm，增量厚度为20 mm，模拟工况设置见表3.

3.2 模拟结果及分析

采用DeST软件，保持屋面、外窗等其他围护结构热工参数与基准建筑一致，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.模拟结果如图7，墙体在未进行保温结构改造施工前，全年累计热负荷为262 494.46 kW·h，随着保温层厚度的增加，建筑全年累计热负荷显著降低.

当保温材料厚度达到70 mm后，再增加保温层的厚度，全年累计热负荷降低趋势逐渐趋于平缓，节能效果均明显下降.如图8，在相同保温厚度下，PU的保温性能最优，XPS其次，EPS和RW的保温性能差异并不明显，EPS略优于RW.

当保温材料厚度达到130 mm时，保温材料为PU、XPS、EPS、RW的建筑节能后全年累计热负荷分别降低26 773.15、25 301.32、23 760.10、23 190.5 kW·h，节能率分别达到10.20%、9.64%、9.05%、8.83%.对比4种材料的保温性能，在相同厚度下的保温效果为PUgt;XPSgt;EPSgt;RW.

4 外墙保温经济适用性分析

净现值（net present value，NPV）是指按一定的基准收益率，分别把整个计算期间内各时点所发生的净现金流量都折现到投资项目期初的现值之和[18].净现值是反映投资方案在计算期内获利能力的动态评价指标，对建筑外墙不同保温材料厚度的各种方案，即为分析在计算期内增加外墙保温材料的投资费用与所节约的运行费用产生的净现金流量折算到投资期初的现值之和.其计算公式为：

式中：NPV为净现值，元；CI为年现金收入（建筑外墙保温增量投资获得的经济收益现值），元；CO为初始投资费用（建筑外墙保温增量投资现值），元；i为社会折现率；t为保温材料使用年限，年；σi为保温材料增量体积，m3；Ci为保温材料价格，元/ m3；W1为改造前采暖空调耗电量，kW·h；W2为改造后采暖空调耗电量，kW·h；N为南京市第一档电价，元/ （kW·h）.

对于保温材料在其生命周期内的净现值NPVgt;0时，说明该增量投资方案满足预期基准收益率的前提下，还能获得额外收益，方案可行.净现值NPV越大，表示其对应保温材料厚度的经济效益越大，有更好的投资回报，则方案越佳.当NPV=0时，该增量投资方案刚好达到预期基准收益率，并无更多收益，方案可行但有待改善;当NPVlt;0时，该增量投资方案不能带来足够的经济收益满足投资要求，方案不可行.

根据市场调研，EPS、RW、PU、XPS保温材料价格分别为500、470、900、600元/ m3，保温材料使用年限t为25年，社会折现率i为5%，取南京市第一档电价为0.528 3元/ （kW·h）.由图9可见，除PU保温材料之外，其他3种保温材料在不同厚度对应的净现值均大于0，且都呈现出先上升后下降的趋势.PU保温材料在厚度超过110 mm后，净现值为负值，说明此时该方案在生命周期内亏本，故不可取.

由于选取的保温材料厚度研究点的不连续性，且对于近零能耗公共建筑而言，为了得到外墙保温材料的最优厚度还应综合考虑节能率和净现值.所以在本经济性分析中，使用Origin软件对净现值和节能率进行曲线拟合，得到4种保温材料与净现值、节能率的拟合曲线如图10.从图10可见，并不是保温层厚度越大，所获得的经济效益就越高，而应选取净现值达到最大值时对应的保温材料厚度.EPS、RW、PU、XPS 4种保温材料在净现值NPV最大时所对应的保温材料厚度分别为70、70、40、60 mm，对应的节能率分别达到7.08%、6.81%、5.1%、6.5%.

5 结论

（1） 根据模卡砌块组合保温墙体作为围护结构的DeST建筑模型能耗计算结果，其全年累计冷、热负荷均低于传统外保温做法的全年累计冷、热负荷.模卡砌块组合保温墙体构造方法可成为发展近零能耗建筑被动式外墙技术手段之一.

（2） 随着保温层厚度的增加，建筑全年累计热负荷显著降低，在相同外墙保温厚度下，保温材料的保温效果分别为 PUgt; XPS gt; EPS gt; RW.当保温材料厚度达到70 mm后，再增加保温层的厚度，全年累计热负荷下降趋势渐渐趋于平缓，节能效果均明显下降.

（3） 除PU之外，其他3种保温材料在不同厚度对应的净现值都呈现出先上升后下降的趋势.EPS、RW、PU、XPS 4种保温材料厚度分别在70、70、40、60 mm时净现值最大，即此厚度下所获得的经济效益最大，对应的节能率分别在达到我国建筑节能65%的标准上再降低7.08%、6.81%、5.1%、6.5%.

参考文献（References）

［1］ 蔡李花， 方海峰， 王琪， 等. 玻纤网布压嵌塑料建筑模板力学性能研究[J]. 江苏科技大学学报（自然科学版）， 2018， 32（2）：208-212.

［2］ ZHANG Shicong， FU Yijun， YANG Xinyan， et al. Assessment of mid-to-long term energy saving impacts of nearly zero energy building incentive policies in cold region of China[J]. Energy amp; Buildings，2021，241：110938.

［3］ 朱颖心. 碳中和目标下的建筑环境营造[J]. 建筑节能（中英文），2021，49（8）：37-43.

［4］ HU Wentao， HUANG Yue， YUAN Meng， et al. Optimization of the thermal performance of self-insulation hollow blocks under conditions of cold climate and intermittent running of air-conditioning[J]. Case Studies in Thermal Engineering，2022，35：102148.

［5］ 高英博，聂金哲，李德英. 北京地区农村住宅墙体外保温改造效益分析[J]. 科学技术与工程， 2019，19（27）：298-303.

［6］ 何福群，聂金哲. 近零能耗建筑外墙保温材料及适宜厚度研究[J]. 煤气与热力，2022，42（7）：15-20.

［7］ EHSAN A R， ELMIRA F. Optimizing the insulation thickness of external wall by a novel 3E （energy， environmental， economic） method[J]. Construction and Building Materials， 2019， 205： 196-212.

［8］ ZHANG Lili， LIU Zu′an， HOU Chaoping， et al. Optimization analysis of thermal insulation layer attributes of building envelope exterior wall based on DeST and life cycle economic evaluation[J]. Case Studies in Thermal Engineering，2019，14：100410.

［9］ JIE Pengfei， ZHANG Fenghe， FANG Zhou， et al. Optimizing the insulation thickness of walls and roofs of existing buildings based on primary energy consumption， global cost and pollutant emissions [J].Energy， 2018， 159：1132-1147.

［10］ 周学军，马文斐，王兴博，等.外墙外保温层脱落和火灾原因剖析与防治对策[J].土木工程与管理学报，2022，39（1）：14-22.

［11］ 王新. 混凝土保温模卡砌块砌体的自保温性能研究[J]. 住宅科技，2012，32（5）：18-24.

［12］ 姜晓红，王新. 复合保温模卡混凝土砌块配筋砌体受压性能试验研究[J]. 建筑砌块与砌块建筑，2017（6）：4-8.

［13］ 刘加平，谢静超. 广义建筑围护结构热工设计原理与方法[J]. 建筑科学，2022，38（8）：1-8.

［14］ YAN Da， ZHOU Xin， AN Jingjing， et al. DeST 3.0： A new-generation building performance simulation platform[J]. Building Simulation，2022，15：1849-1868.

［15］ 阮方，章伟，钱匡亮，等. 基于DeST的夏热冬冷地区居住建筑人行为能耗模拟验证[J]. 建筑节能，2017（1）：1-6.

［16］ 王志强，田琦. 不同安装方式下保温卷帘节能窗对建筑冷、热负荷的影响[J]. 华侨大学学报（自然科学版），2020，41（4）：484-492.

［17］ 李晓旭，黄凯良，冯国会，等. 严寒地区超低能耗建筑夜间通风节能潜力分析[J]. 沈阳建筑大学学报（自然科学版），2022，38（3）：520-527.

［18］ 刘晓君. 工程经济学[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007：234-238.