摘 要： 隨著超低能耗建筑、近零能耗及零能耗建筑的發(fā)展，新型外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)引起廣泛地研究和重視.?？ㄆ鰤K作為一種新型外墻自保溫技術(shù)，開始在上海、江蘇等國(guó)內(nèi)一些發(fā)達(dá)地區(qū)被試點(diǎn)和應(yīng)用，但目前暫無相應(yīng)規(guī)范指導(dǎo)，其熱工性能及經(jīng)濟(jì)性仍缺乏系統(tǒng)性研究.文中以夏熱冬冷地區(qū)某公共建筑為例，采用DeST能耗模擬軟件，建立了傳統(tǒng)外保溫墻體、模卡砌塊組合保溫墻體三維分析模型，研究了膨脹聚苯板、巖棉板、聚氨酯板、擠塑聚苯板4種不同類型保溫材料及6種不同厚度（30、50、70、90、110、130 mm）下模卡砌塊組合保溫墻體的熱工性能.進(jìn)一步，采用凈現(xiàn)值法，對(duì)不同工況下的砌塊組合保溫墻體進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析.研究表明：在相同外墻保溫厚度下，聚氨酯板的保溫效果最佳；不同保溫材料厚度對(duì)應(yīng)的凈現(xiàn)值都呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，結(jié)合凈現(xiàn)值和節(jié)能率，其最優(yōu)厚度分別為70、70、40、60 mm，對(duì)應(yīng)的節(jié)能率分別在達(dá)到我國(guó)建筑節(jié)能65%的標(biāo)準(zhǔn)上再降低7.08%、6.81%、5.1%、6.5%.

關(guān)鍵詞： 外墻保溫；墻體構(gòu)造；DeST軟件；最優(yōu)厚度；凈現(xiàn)值

中圖分類號(hào)：TU55"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""" 文章編號(hào)：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

建筑在施工或使用過程中能源消耗巨大，2020年中國(guó)建筑全過程能耗總量達(dá)到22.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)能源消費(fèi)總量比重的45.5%.為降低建筑能耗，現(xiàn)階段各國(guó)普遍采用逐步發(fā)展的技術(shù)策略[1]，近零能耗建筑是建筑邁向零能耗過程中的重要中間節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)近零能耗，逐步邁向零能耗是行業(yè)公認(rèn)的技術(shù)路線[2].從1986年起，我國(guó)建筑至今主要經(jīng)歷了節(jié)能30%、50%、65%三個(gè)階段，正處于節(jié)能65%邁向75%的第四階段，并計(jì)劃于2060年達(dá)到碳中和[3].建筑保溫是節(jié)能減排的重要途徑，熱工性能較差的圍護(hù)結(jié)構(gòu)大大降低了能源利用效率，故優(yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能對(duì)建筑節(jié)能至關(guān)重要.而墻體在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中面積占比最大，占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總耗熱量的70% ～80%[4]，因此提高外墻保溫性能對(duì)降低建筑能耗起到關(guān)鍵作用.

建筑外墻保溫技術(shù)主要包括外墻外保溫、外墻內(nèi)保溫及外墻自保溫等形式.目前，外墻外保溫技術(shù)已被廣泛地研究和應(yīng)用于工程實(shí)踐，成為我國(guó)墻體保溫的主要節(jié)能技術(shù).文獻(xiàn)[5]利用DeST軟件建立北京地區(qū)農(nóng)村住宅典型模型，使用全壽命周期費(fèi)用評(píng)價(jià)方法，計(jì)算得出了3種不同墻體使用膨脹聚苯板進(jìn)行保溫改造時(shí)的經(jīng)濟(jì)保溫層厚度.文獻(xiàn)[6]選擇石墨聚苯板作為綜合性能相對(duì)理想的外墻保溫材料，使用DeST（designer′s simulation toolkits）軟件計(jì)算分析5個(gè)建筑氣候區(qū)的近零能耗居住建筑外墻保溫材料適宜厚度.文獻(xiàn)[7]為了優(yōu)化外墻保溫系統(tǒng)，定義了一個(gè)同時(shí)考慮能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)三個(gè)參數(shù)的3E函數(shù)來確定適宜的外墻保溫材料和最佳保溫厚度.文獻(xiàn)[8]選擇成都某高校建筑，基于DeST軟件研究不同外墻保溫層材料的經(jīng)濟(jì)厚度值和對(duì)建筑年累計(jì)冷熱負(fù)荷的影響.文獻(xiàn)[9]使用多項(xiàng)式建筑負(fù)荷進(jìn)行回歸擬合，基于DeST軟件并結(jié)合凈現(xiàn)值法計(jì)算分析不同形式下屋面和外墻保溫對(duì)建筑全壽命期的敏感性.在上述學(xué)者的研究中，僅在傳統(tǒng)外墻外保溫薄抹灰構(gòu)造基礎(chǔ)上，討論了最優(yōu)保溫經(jīng)濟(jì)厚度，而對(duì)基于新型保溫材料的組合保溫構(gòu)造方面的技術(shù)革新較少，且該構(gòu)造下的熱工性能和經(jīng)濟(jì)性研究仍是空白，暫無相應(yīng)的工程技術(shù)規(guī)范.

伴隨建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的提升，外墻保溫材料厚度的不斷增加，外保溫技術(shù)存在越來越多的工程問題，如外墻外保溫系統(tǒng)保溫層整體剝落和易發(fā)生火災(zāi)的問題頻頻出現(xiàn)[10].為有效解決外墻外保溫系統(tǒng)缺點(diǎn)的技術(shù)，上海市房屋建筑設(shè)計(jì)院研究設(shè)計(jì)一種新型建筑墻體自保溫材料—混凝土保溫?？ㄆ鰤K，并完成了部分地區(qū)的試點(diǎn)工程[11].混凝土保溫?？ㄆ鰤K具有獨(dú)特的構(gòu)造特點(diǎn)，在混凝土砌塊內(nèi)部設(shè)置了三排扁長(zhǎng)孔，可將保溫材料置于砌塊內(nèi)部，提高墻體自保溫性能.與傳統(tǒng)砌體施工方式不同，混凝土保溫?？ㄆ鰤K無需使用砂漿砌筑，砌塊依靠四周卡口相互銜接.砌塊設(shè)置豎向灌注通孔和水平向的拱形凹槽，以便在砌體內(nèi)部形成上下、左右完全貫通的孔洞，灌注灌漿材料后將砌塊連成整體，解決了普通砌塊墻體存在的“裂、滲、漏及保溫”等問題[12].

但外墻僅使用自保溫材料不能很好地滿足近零能耗建筑保溫需求.針對(duì)采用間歇性采暖方式的夏熱冬冷地區(qū)建筑，文獻(xiàn)[13]認(rèn)為在圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中內(nèi)側(cè)應(yīng)盡可能設(shè)置低蓄熱性能的輕質(zhì)構(gòu)造層，即內(nèi)保溫層.因此，文中擬在混凝土?？ㄆ鰤K自保溫墻體研究基礎(chǔ)上，結(jié)合內(nèi)保溫構(gòu)造，構(gòu)成?？ㄆ鰤K組合保溫墻體，進(jìn)一步研究其熱工性能和經(jīng)濟(jì)性，探索其作為近零能耗建筑被動(dòng)式外墻技術(shù)的可行性.

文中以夏熱冬冷地區(qū)某公共建筑為例，采用DeST軟件，建立其三維模擬模型.首先對(duì)傳統(tǒng)加氣混凝土砌塊外墻外保溫及?？ㄆ鰤K組合保溫墻體熱工性能兩種技術(shù)方案進(jìn)行對(duì)比分析；進(jìn)一步對(duì)不同保溫材料、不同厚度下的?？ㄆ鰤K組合保溫墻體節(jié)能效果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；最后采用凈現(xiàn)值法對(duì)?？ㄆ鰤K組合保溫墻體的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，給出不同保溫材料的最優(yōu)厚度及對(duì)應(yīng)的節(jié)能率，旨在為夏熱冬冷地區(qū)近零能耗被動(dòng)式外圍護(hù)墻體設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù).

1 基準(zhǔn)建筑模型建立

1.1 DeST軟件介紹及建筑能耗模擬流程

DeST是由清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系建筑環(huán)境與設(shè)備研究所在建筑和采暖、空調(diào)系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)建筑節(jié)能的實(shí)際情況，研發(fā)出的一套適用于建筑熱環(huán)境分析的軟件[14].已有研究[15-17]通過實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與DeST軟件模擬結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證該軟件模擬的可靠性，證明DeST軟件作為模擬實(shí)際運(yùn)行狀況下的建筑能耗計(jì)算平臺(tái)的可行性.

DeST軟件能耗模擬主要分為三步：① 建立模型并設(shè)置相關(guān)參數(shù).在軟件界面建立建筑模型，該步驟主要包括建立建筑、設(shè)置樓層層數(shù)及層高、繪制墻體、添加門窗、劃分房間等，并通過建筑計(jì)算預(yù)處理對(duì)整個(gè)建筑進(jìn)行檢查.模型建好后，需對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、房間功能、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定.② 模擬計(jì)算.在此階段對(duì)改造前后建筑冷熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算.③ 導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行對(duì)比分析.對(duì)改造前后建筑冷熱負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比分析，為保溫構(gòu)造方法的選擇提供數(shù)據(jù)依據(jù).

1.2 基準(zhǔn)建筑模型概況

該建筑面積8 595 m2，地上3層地下1層，層高12.3 m，體型系數(shù)0.24，東向窗墻比為0.17，南向窗墻比為0.47，西向窗墻比為0.11，北向窗墻比為0.41.圖2為江蘇省某建筑工程質(zhì)量中心實(shí)驗(yàn)室的實(shí)體建筑及其DeST軟件模型.

根據(jù)公共建筑節(jié)能率65%的標(biāo)準(zhǔn)GB50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》為基準(zhǔn)設(shè)定該建筑模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)，如表1.

1.3 氣象條件及模擬參數(shù)設(shè)置

采用南京市典型氣象年逐日氣象參數(shù)作為建筑能耗分析的外部環(huán)境，見圖3.南京市所屬夏熱冬冷地區(qū)，全年平均溫度在-2～32 ℃，其中6月至8月的最高氣溫可達(dá)37 ℃，11月至次年3月的平均溫度基本在0以上，偶爾出現(xiàn)0以下的極端天氣.從全年的平均氣溫變化趨勢(shì)來看，建筑室內(nèi)夏季供冷需求高于冬季供暖需求.考慮到日最高（低）溫度和人體舒適度等因素，設(shè)置該公共建筑采暖季日期為11月15日至次年3月15日，采暖控制溫度為20 ℃，采暖運(yùn)行時(shí)間為7∶00—19∶00.空調(diào)季日期為6月1日至8月31日，制冷控制溫度為26 ℃，制冷運(yùn)行時(shí)間為7∶00—19∶00.

依據(jù)GB50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，設(shè)置建筑模型的人均占有面積、照明功率密度、設(shè)備功率密度及新風(fēng)量等參數(shù)，如表2.照明使用率、設(shè)備使用率、人員在室率采用0、0.5、1.0數(shù)值表示不同的使用條件：0表示該房間無熱擾，即房間內(nèi)無照明裝置、設(shè)備開啟，室內(nèi)無人；0.5表示該房間熱擾適中，即房間內(nèi)照明熱功率、設(shè)備熱功率、人數(shù)為最大值的50%；1.0表示該房間熱擾最大，即房間內(nèi)照明熱功率、設(shè)備熱功率、人數(shù)均為最大值.具體作息時(shí)間如下：7∶00—8∶00為0.5，9∶00—17∶00為1.0，18∶00—19∶00為0.5，其他時(shí)間為0.

2 加氣混凝土砌塊外保溫與?？ㄆ鰤K組合保溫?zé)峁ば阅軐?duì)比

相對(duì)于加氣混凝土砌塊外保溫，?？ㄆ鰤K組合保溫做法優(yōu)勢(shì)在于保溫層設(shè)置在基層墻體內(nèi)側(cè)，安全性高，維護(hù)成本低、使用壽命長(zhǎng)、施工方便，具體構(gòu)造如圖4.

為對(duì)比二者之間保溫性能，本節(jié)采用DeST軟件，模擬得到225 mm厚B07級(jí)加氣混凝土砌塊外保溫及225 mm厚混凝土保溫?？ㄆ鰤K組合保溫在不同保溫材料及不同厚度下的建筑全年累計(jì)冷、熱負(fù)荷，分別繪于圖5、6.

由圖5、6可以看出，隨著保溫材料厚度逐漸遞增，采用組合保溫做法的全年累計(jì)冷、熱負(fù)荷均低于傳統(tǒng)外保溫做法的全年累計(jì)冷、熱負(fù)荷.由圖6可以看出，兩類保溫墻體全年累計(jì)冷負(fù)荷變化不大，其主要原因是隨著保溫層厚度增加，室內(nèi)熱穩(wěn)定性增強(qiáng)，建筑物的累計(jì)冷負(fù)荷量降低量較小.因此，文中以下將著重研究保溫模卡砌塊組合保溫構(gòu)造對(duì)降低建筑熱負(fù)荷的影響.

3 ?？ㄆ鰤K組合保溫墻體節(jié)能性分析

3.1 模擬工況

參考GB/T51350-2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中夏熱冬冷地區(qū)公共建筑外墻的傳熱系數(shù)范圍：0.15～0.40 W/m2·K，組合保溫采用4種常用的保溫材料，包括：膨脹聚苯板（expanded polystyrene board， EPS）、巖棉板（rock wool board， RW） 、聚氨酯板（polyurethane board， PU） 、擠塑聚苯板（extruded polystyrene board， XPS）.材料厚度范圍為30～130 mm，增量厚度為20 mm，模擬工況設(shè)置見表3.

3.2 模擬結(jié)果及分析

采用DeST軟件，保持屋面、外窗等其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)與基準(zhǔn)建筑一致，改變外墻不同保溫材料的厚度，進(jìn)而研究對(duì)建筑能耗的影響.模擬結(jié)果如圖7，墻體在未進(jìn)行保溫結(jié)構(gòu)改造施工前，全年累計(jì)熱負(fù)荷為262 494.46 kW·h，隨著保溫層厚度的增加，建筑全年累計(jì)熱負(fù)荷顯著降低.

當(dāng)保溫材料厚度達(dá)到70 mm后，再增加保溫層的厚度，全年累計(jì)熱負(fù)荷降低趨勢(shì)逐漸趨于平緩，節(jié)能效果均明顯下降.如圖8，在相同保溫厚度下，PU的保溫性能最優(yōu)，XPS其次，EPS和RW的保溫性能差異并不明顯，EPS略優(yōu)于RW.

當(dāng)保溫材料厚度達(dá)到130 mm時(shí)，保溫材料為PU、XPS、EPS、RW的建筑節(jié)能后全年累計(jì)熱負(fù)荷分別降低26 773.15、25 301.32、23 760.10、23 190.5 kW·h，節(jié)能率分別達(dá)到10.20%、9.64%、9.05%、8.83%.對(duì)比4種材料的保溫性能，在相同厚度下的保溫效果為PUgt;XPSgt;EPSgt;RW.

4 外墻保溫經(jīng)濟(jì)適用性分析

凈現(xiàn)值（net present value，NPV）是指按一定的基準(zhǔn)收益率，分別把整個(gè)計(jì)算期間內(nèi)各時(shí)點(diǎn)所發(fā)生的凈現(xiàn)金流量都折現(xiàn)到投資項(xiàng)目期初的現(xiàn)值之和[18].凈現(xiàn)值是反映投資方案在計(jì)算期內(nèi)獲利能力的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)建筑外墻不同保溫材料厚度的各種方案，即為分析在計(jì)算期內(nèi)增加外墻保溫材料的投資費(fèi)用與所節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用產(chǎn)生的凈現(xiàn)金流量折算到投資期初的現(xiàn)值之和.其計(jì)算公式為：

式中：NPV為凈現(xiàn)值，元；CI為年現(xiàn)金收入（建筑外墻保溫增量投資獲得的經(jīng)濟(jì)收益現(xiàn)值），元；CO為初始投資費(fèi)用（建筑外墻保溫增量投資現(xiàn)值），元；i為社會(huì)折現(xiàn)率；t為保溫材料使用年限，年；σi為保溫材料增量體積，m3；Ci為保溫材料價(jià)格，元/ m3；W1為改造前采暖空調(diào)耗電量，kW·h；W2為改造后采暖空調(diào)耗電量，kW·h；N為南京市第一檔電價(jià)，元/ （kW·h）.

對(duì)于保溫材料在其生命周期內(nèi)的凈現(xiàn)值NPVgt;0時(shí)，說明該增量投資方案滿足預(yù)期基準(zhǔn)收益率的前提下，還能獲得額外收益，方案可行.凈現(xiàn)值NPV越大，表示其對(duì)應(yīng)保溫材料厚度的經(jīng)濟(jì)效益越大，有更好的投資回報(bào)，則方案越佳.當(dāng)NPV=0時(shí)，該增量投資方案剛好達(dá)到預(yù)期基準(zhǔn)收益率，并無更多收益，方案可行但有待改善;當(dāng)NPVlt;0時(shí)，該增量投資方案不能帶來足夠的經(jīng)濟(jì)收益滿足投資要求，方案不可行.

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，EPS、RW、PU、XPS保溫材料價(jià)格分別為500、470、900、600元/ m3，保溫材料使用年限t為25年，社會(huì)折現(xiàn)率i為5%，取南京市第一檔電價(jià)為0.528 3元/ （kW·h）.由圖9可見，除PU保溫材料之外，其他3種保溫材料在不同厚度對(duì)應(yīng)的凈現(xiàn)值均大于0，且都呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì).PU保溫材料在厚度超過110 mm后，凈現(xiàn)值為負(fù)值，說明此時(shí)該方案在生命周期內(nèi)虧本，故不可取.

由于選取的保溫材料厚度研究點(diǎn)的不連續(xù)性，且對(duì)于近零能耗公共建筑而言，為了得到外墻保溫材料的最優(yōu)厚度還應(yīng)綜合考慮節(jié)能率和凈現(xiàn)值.所以在本經(jīng)濟(jì)性分析中，使用Origin軟件對(duì)凈現(xiàn)值和節(jié)能率進(jìn)行曲線擬合，得到4種保溫材料與凈現(xiàn)值、節(jié)能率的擬合曲線如圖10.從圖10可見，并不是保溫層厚度越大，所獲得的經(jīng)濟(jì)效益就越高，而應(yīng)選取凈現(xiàn)值達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的保溫材料厚度.EPS、RW、PU、XPS 4種保溫材料在凈現(xiàn)值NPV最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的保溫材料厚度分別為70、70、40、60 mm，對(duì)應(yīng)的節(jié)能率分別達(dá)到7.08%、6.81%、5.1%、6.5%.

5 結(jié)論

（1） 根據(jù)?？ㄆ鰤K組合保溫墻體作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的DeST建筑模型能耗計(jì)算結(jié)果，其全年累計(jì)冷、熱負(fù)荷均低于傳統(tǒng)外保溫做法的全年累計(jì)冷、熱負(fù)荷.模卡砌塊組合保溫墻體構(gòu)造方法可成為發(fā)展近零能耗建筑被動(dòng)式外墻技術(shù)手段之一.

（2） 隨著保溫層厚度的增加，建筑全年累計(jì)熱負(fù)荷顯著降低，在相同外墻保溫厚度下，保溫材料的保溫效果分別為 PUgt; XPS gt; EPS gt; RW.當(dāng)保溫材料厚度達(dá)到70 mm后，再增加保溫層的厚度，全年累計(jì)熱負(fù)荷下降趨勢(shì)漸漸趨于平緩，節(jié)能效果均明顯下降.

（3） 除PU之外，其他3種保溫材料在不同厚度對(duì)應(yīng)的凈現(xiàn)值都呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì).EPS、RW、PU、XPS 4種保溫材料厚度分別在70、70、40、60 mm時(shí)凈現(xiàn)值最大，即此厚度下所獲得的經(jīng)濟(jì)效益最大，對(duì)應(yīng)的節(jié)能率分別在達(dá)到我國(guó)建筑節(jié)能65%的標(biāo)準(zhǔn)上再降低7.08%、6.81%、5.1%、6.5%.

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