韩京彤，聂金哲，李德英

（北京建筑大学，北京 100044）

0 引言

外墙外保温作为建筑节能关键技术之一，对公共建筑节能影响巨大。近年来，我国节能标准稳步提高，外墙热工性能限值进一步减小，节能性能进一步提高。但是，大型公共建筑人员、设备和灯光集中，内热源相对较大，且为了提高人们舒适度水平，往往室内温度设定较高，当节能性能过高时极易造成建筑过度保温的现象。因此，提升公共建筑节能标准的同时，要关注建筑的实际使用情况，以免造成不必要的能源浪费。

目前，公共建筑外墙保温层最优厚度的研究多数是以经济性为指标进行计算[1-3]，对外墙过度保温的研究也集中于夏热冬冷地区[4-5]，而对严寒和寒冷地区的外墙过度保温研究较少。因此，本文拟采用某4层商业建筑作为建筑模型，研究不同气候区（严寒、寒冷、夏热冬冷和夏热冬暖地区）发生过度保温的外墙保温层厚度，并改变其他围护构件参数以探究对建筑总能耗的影响，可为商业建筑外墙保温最佳厚度优化提供参考。

1 模型建筑设置

1.1 模型建筑基本信息

选取某4层商业建筑作为模型建筑，选用DeST-C软件进行模拟，建筑立体图如图1所示，该建筑基本信息见表1。

图1 某4层商业建筑立体模型

表1 模型建筑基本信息

1.2 模型建筑参数设置

根据GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》的有关规定，室内人员在室率及灯光、设备使用率如图2所示，照明功率密度为10 W/m2、设备功率密度为13 W/m2，人均占有建筑面积为8 m2/人。空调全年开启，开启时间为08：00~21：00。冬季空调室温设定上限为22℃、下限为20℃，夏季空调设定上限为27℃、下限为25℃。

图2 室内人员在室率及灯光、设备使用率

2 模拟内容

2.1 不同气候区外墙保温层厚度对空调能耗的影响

不同气候区节能标准存在差异，其基础建筑围护结构设置不同。参考GB 50189—2015规定的热工限值，围护结构热工性能设置如表2所示。外墙保温材料选择膨胀聚苯板，导热系数为0.046 W/（m2·K），干密度为20 kg/m3。控制屋面和外窗等其他围护构件热工参数不变，只改变外墙保温层厚度，探究随着保温层厚度的增加，全年空调能耗的变化趋势。选取严寒（沈阳）、寒冷（北京）、夏热冬冷（长沙）和夏热冬暖（广州）等4个典型城市进行能耗模拟，研究围护结构保温层过度保温厚度并进行对比分析。

表2 4个典型城市建筑围护结构设置

2.2 改变其他围护构件性能参数对外墙过度保温厚度的影响

2.2.1 改变屋面保温层厚度对外墙过度保温厚度的影响

以北京地区建筑模型为例，控制外窗等其余围护构件热工参数不变，屋面保温层厚度分别为60、80、100 mm情况下，探究随着保温层厚度的增加，全年空调能耗的趋势变化。屋面保温材料选择挤塑聚苯板，导热系数为0.033 W/（m2·K），干密度为30 kg/m3。

2.2.2 改变外窗传热系数对外墙过度保温厚度的影响

以北京地区为例，控制其余围护构件热工参数不变，外窗传热系数分别为2.0、2.2、2.4 W/（m2·K）情况下，探究随着保温层厚度的增加，全年空调能耗的趋势变化。

3 模拟结果及分析

3.1 不同气候区外墙保温层厚度对空调能耗的影响

3.1.1 严寒地区（以沈阳为例）

单位面积全年空调能耗随外墙保温层厚度的变化趋势如图3所示。

图3 严寒地区外墙保温层厚度对空调总能耗的影响

由图3可见，保温层厚度从0增大到300 mm，传热系数从1.736 W/（m2·K）下降到0.141 W/（m2·K）。保温层厚度从0开始增加，空调能耗逐渐降低，直到厚度为300 mm，空调能耗依然呈降低趋势，未出现能耗最小值。这是因为严寒地区气候相对寒冷，增大外墙保温层厚度后，夏季冷负荷增加速率明显小于冬季热负荷减少速率，增加外墙保温层厚度对建筑冬季保温的影响大于夏季隔热，因此并未出现建筑总能耗最小值。由此可以得出，严寒地区在现行节能标准下不易出现外墙过度保温的现象。

3.1.2 寒冷地区（以北京为例）

单位面积全年空调能耗随外墙保温层厚度的变化情况如图4所示。

图4 寒冷地区外墙保温层厚度对空调总能耗的影响

由图4可见，保温层厚度从0增大到140 mm，传热系数从1.736 W/（m2·K）下降到0.276 W/（m2·K）。保温层厚度从0开始增加，空调能耗逐渐降低，到厚度为60 mm时能耗达到最小值，此时外墙传热系数为0.532 W/（m2·K），最低全年冷热总负荷为447 520.42 kW·h，节能率为3.794%；当保温层厚度大于60 mm时，能耗逐渐上升，但升速缓慢。这是因为，外墙保温层厚度在60 mm以下，总趋势与严寒地区相一致，随着厚度的增加，建筑热负荷减少速率大于冷负荷增加速率，建筑总负荷呈下降趋势；当厚度超过60 mm，此时增加外墙保温层厚度对建筑夏季隔热的影响大于冬季保温，冬季热负荷增加速率小于夏季冷负荷减少速率，因此总能耗呈现上升趋势。

3.1.3 夏热冬冷地区（以长沙为例）

夏热冬冷地区单位面积全年空调能耗的变化趋势与寒冷地区相似，如图5所示。

图5 夏热冬冷地区外墙保温层厚度对空调总能耗的影响

由图5可见，保温层厚度从0开始增加，到厚度为10 mm时空调能耗达到最小值，此时外墙传热系数为1.261W/（m2·K），全年最低冷热总负荷为588 916.77 kW·h；保温层厚度大于10 mm时能耗上升。

模拟结果表明，使该地区建筑空调总能耗最低的保温层厚度为10 mm，对应外墙传热系数为1.261 W/（m2·K），而GB 50189—2015的基本要求为1.0 W/（m2·K），模拟得出的最佳外墙传热系数大于节能标准的要求，这是因为模拟中设置全年开启空调，而商业建筑在实际运行中，为减少全年空调总能耗一般会分季节供冷及供暖；因此，设定供冷季为5月15日至次年10月15日，供暖季为11月15日至次年3月15日，其余模拟参数不变，结果如图6。

图6 夏热冬冷地区外墙保温层厚度对空调总能耗的影响（分季节开启空调）

由图6可见，总能耗变化趋势不变，保温层厚度从0开始增加，保温层厚度为40 mm时能耗达到最小值，此时外墙传热系数为0.692 W/（m2·K），符合夏热冬冷地区节能标准的要求。不难看出，外墙保温层最佳厚度不仅与气候区有关，还与实际设计的空调开启时间有关，因此，实际工程中外墙保温层最佳厚度的确定需进行能耗计算，并与空调开启情况相结合，综合考虑计算后才能确定外墙保温层最佳厚度。

3.1.4 夏热冬暖地区（以广州为例）

夏热冬暖地区单位面积全年空调能耗的变化趋势如图7所示。

图7 夏热冬暖地区外墙保温层厚度对空调总能耗的影响

由图7不难发现，该地区随着外墙保温层厚度的增加，全年单位面积空调总能耗不断上升，且在模拟中未曾出现能耗最小值或最大值，因此建议不设置外墙保温。夏热冬暖地区气候炎热，对该地区来讲，外墙特性的研究更应关注于隔热而不是保温，因此，对比不同气候区外墙保温层厚度对空调能耗的影响时暂不予考虑夏热冬暖地区。

3.1.5 不同气候区对比分析

为了更加直观地比较不同气候区外墙保温层厚度对空调总能耗的影响，以外墙保温层厚度为0时空调能耗为基准能耗，定义如式（1）～式（3）：

式中：Q1、Q2、Q3——严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区外墙保温层厚度为0时的空调能耗，kW·h；

Qx1、Qx2、Qx3——严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区外墙保温层厚度为x mm时的空调能耗，kW·h。

严寒、寒冷和夏热冬冷3个气候区外墙保温层厚度对空调总能耗的对比如图8所示。

图8 不同气候区外墙保温层厚度对空调总能耗的对比

由图8可见，在严寒地区，增加外墙保温层厚度能耗降低最明显，这是因为增加外墙保温层厚度主要影响冬季空调能耗，虽然随着外墙保温层厚度的增加夏季冷负荷增加，但是冬季热负荷减少量远远大于夏季冷负荷增加量，因此，显示出全年空调能耗持续下降的趋势。在寒冷地区，与严寒地区相比，气候相对温暖，在达到能耗最低的保温层厚度之前，全年空调能耗持续下降，但减少率少于严寒地区，并且到一定厚度时，外墙过度保温，空调能耗反而增加。在夏热冬冷地区，全年空调能耗主要是夏季冷负荷，增加外墙保温层厚度能耗降低率很小，并且在保温层厚度20 mm以后，能耗持续增加，且增加幅度相对较大。

3.2 改变其他围护构件性能参数对外墙过度保温厚度的影响

3.2.1 改变屋面性能参数对外墙过度保温厚度的影响（见图9）

由图9可见，屋面保温层厚度60 mm时，外墙保温层厚度为80 mm时空调能耗最小，为448 955.17 kW·h；屋面保温层厚度80 mm时，外墙保温层厚度为60 mm时空调能耗最小，为447 520.41 kW·h；屋面保温层厚度100 mm时，外墙保温层厚度为50 mm时空调能耗最小，为446 712.36 kW·h。可见，随着屋面保温层厚度的增大，外墙对应的能耗最低的保温层厚度逐渐减小，全年总空调能耗也同样减少。因此，可适当提升屋面保温以减少建筑过度保温的程度，降低总空调能耗。

图9 改变屋面保温层厚度对外墙过度保温厚度的影响

3.2.2 改变外窗性能参数对外墙过度保温厚度的影响

（见图10）

图10 改变外窗传热系数对外墙过度保温厚度的影响

由图10可见，外窗的传热系数为2.0 W/（m2·K）时，外墙保温层厚度为50 mm时空调能耗最小，为447 655.36 kW·h；外窗传热系数为2.2 W/（m2·K）时，外墙保温层厚度为60 mm时空调能耗最小，为447 520.42 kW·h；外窗传热系数为2.4 W/（m2·K）时，外墙保温层厚度为90 mm时空调能耗最小，为447 437.93 kW·h。可见，随着外窗的传热系数的增大，外墙对应的能耗最低的保温层厚度增大，全年总空调能耗相对减少。这是因为外窗传热系数的改变对建筑能耗影响相对较大，降低外窗传热系数同样易造成建筑过度保温的现象。因此，可适当降低外窗的传热系数以减少建筑过度保温的程度。

4 结 论

（1）除外墙以外的其他围护构件参数不变时，存在使建筑空调能耗最小的外墙保温层厚度，当超过这一厚度时，全年空调能耗会增加，进而出现过度保温的现象。经过模拟计算，建筑模型围护结构参数符合GB 50189—2015要求的限值的前提下，寒冷地区空调能耗最低的外墙保温层厚度为60 mm，夏热冬冷地区为10 mm；严寒地区气候相对寒冷，未出现过度保温的现象。

（2）当开启空调时间改变时，使建筑总能耗最小的外墙保温层最佳厚度也会发生改变。以夏热冬冷地区的长沙为例，当空调全年开启时空调总能耗最低的外墙保温层厚度为10 mm，空调分供暖季和供冷季开启时外墙保温层最佳厚度为40 mm。

（3）当改变某一围护构件（如外窗、屋面等）的热工性能时，使建筑空调能耗最小的外墙保温层厚度会发生改变，且空调能耗最小值也会发生变化。本文算例中，相对增加屋面保温层厚度能降低空调能耗最小值，相对降低外窗传热系数能降低空调能耗最小值。