引言建筑是我国能源消耗的三大领域之一，也是我国重要的CO2排放源[1]。2018年，全国建筑运行阶段能耗约为10 亿吨标准煤，公共建筑能耗约为3.83 亿吨标准煤，在全国建筑能耗中占38.3%[2]。研究表明，全国公共建筑的全年能耗中，供暖空调系统能耗占40%~60%[3]，且仍在不断攀升。因此，降低建筑能耗是目前研究的重点。近零能耗建筑是一种超低能耗建筑[4]，李慧星[5]等模拟严寒地区近零能耗建筑与常规空调能耗建筑。结果表明，近零能耗建筑冬季供暖负荷比常规建筑节能73.7%，全年综合节能率达55.2%。由于寒冷地区公共建筑的外围护结构导致的能源消耗相对较大，因此，对建筑外围护结构进行合理的节能改造，可大幅降低建筑能耗水平，从而产生良好的经济效益。通过研究北京地区某近零能耗公共建筑外围护结构（外墙、外窗、屋面）改造对建筑总能耗的影响，对其进行经济性和节能减排分析，为寒冷地区近零能耗开展外围护结构节能改造设计提供依据。1模型建立（1）模拟软件的选取与设置。选取的项目案例为北京地区某近零能耗4层办公建筑。供暖期为11月15日~次年3月15日。室内、外换气次数1.0 次/h，利用DeST-C软件对该建筑建立模型，对该公共建筑进行全年累计热负荷能耗模拟。（2）办公建筑基本概况。办公建筑基本情况如表1所示。该建筑内部设多功能厅、办公室、会议室等，办公建筑标准层平面如图1所示。办公建筑模型如图2所示。典型办公建筑围护结构改造前的热工参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.007.T001表1办公建筑基本情况项目数值面积/m21 782.000层高/m13.200体形系数0.283南向窗墙比0.260北向窗墙比0.19010.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.007.F001图1办公建筑标准层平面10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.007.F002图2办公建筑模型10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.007.T002表2典型办公建筑围护结构改造前的热工参数项目构造传热系数/[W/(m2·K)]材料厚度/mm外墙水泥砂浆201.526重砂浆黏土370水泥砂浆20外窗单层玻璃64.700屋面碎石、卵石403.313水泥砂浆20钢筋混凝土120混合砂浆202模拟内容2.1围护结构改造方案《近零能耗建筑技术标准》(GB/T 51350—2019)（以下简称标准）中设定了寒冷地区公共建筑部分性能参数值，围护结构热工性能参数限值如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.007.T003表3围护结构热工性能参数限值项目传热系数屋面0.10~0.30外墙0.10~0.30外窗≤1.50W/(m2·K)根据表3提供的限值，对围护结构的屋面、外墙和外窗的传热系数进行模拟改造分析[6]。选取常用的外墙保温材料[7]，模塑聚苯板(EPS)、石墨聚苯板(SEPS)、聚氨酯复合板(PU)，3种保温材料性能参数如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.007.T004表43种保温材料性能参数项目EPSSEPSPU导热系数/[W/(m2·K)]0.0370.0320.024表观密度/(kg/m3)19.00020.00040.000比热容/[kJ/(kg·K)]2.5201.4701.460材料选取厚度100~300 mm，每隔20 mm取一个值，共11个厚度进行模拟计算；限定外窗和屋面传热系数为标准中传热系数上限，改造后屋面、外窗的材料与传热系数如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.007.T005表5改造后屋面、外窗的材料与传热系数项目屋面外窗改造材料100 mm XPS高性能中空玻璃总传热系数/[W/(m2·K)]0.31.42.2外墙改造节能方案对建筑能耗的影响合理设计外墙传热系数，不仅能够降低外墙能耗，而且能够提升建筑物节能率。分别模拟常用外墙保温材料的不同厚度组合而成的33种外墙节能改造方案所对应的建筑能耗，研究材料厚度对建筑能耗的影响，与节能标准对比，探讨更具提升建筑节能率的改造方案。3模拟结果根据《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2015)，寒冷地区公共建筑的围护结构热工限值如表6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.007.T006表6寒冷地区公共建筑的围护结构热工限值项目传热系数屋面≤0.55外墙≤0.60外窗≤2.50W/(m2·K)根据标准，近零能耗公共建筑的节能率需要达到30%以上。经模拟计算，保温层厚度对全年累计热负荷的影响如图3所示。与标准建筑相比，不同材料的保温层不同厚度对节能率的影响如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.007.F003图3保温层厚度对全年累计热负荷的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.007.F004图4不同材料的保温层不同厚度对节能率的影响由图3和图4可知，改变保温层厚度，可降低建筑能耗，但厚度增加一定数值后，节能率变化值减小，实际应用中考虑经济的保温层厚度；与参考建筑能耗相比，该办公建筑依靠改造外围护结构仅降低能耗13.13%，若达到近零能耗建筑要求，可进一步对用能系统进行节能改造。因此，优选外围护结构的改造方案，尽可能最大限度地将建筑供暖需求降低至相对最小。4围护结构节能改造效益分析4.1经济效益分析我国冬季供暖方式多样，节能改造主要通过冷热源的改变降低运行费用。北京市小型办公建筑的热源多采用空气源热泵，以空气源热泵为例，运行费用主要为电费。净现值法(NPV)是节能改造节约费用经社会折现率后与原始初投资费用的差额[8]。NPV值越高，节约费用越多，节能改造方案经济性越好。因此，计算外围护结构改造方案的经济性，优选既考虑节能效率，又考虑经济成本的适宜性改造方案。NPV计算公式为：NPV=∑t=1n(CI-CO)(1+i)-t (1)式中：NPV——净现值，元；CI——年节约费用，元；CO——初投资费用，元；i——社会折现率，%；t——使用年限，a。经市场调研，保温材料及高性能外窗的价格如表7所示。社会折现率5%，使用年限25 a。3种保温材料的NPV与节能率的关系曲线如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.007.T007表7保温材料及高性能外窗的价格项目价格模塑聚苯板700挤塑聚苯板500聚氨酯复合板800石墨聚苯板600高性能中空玻璃300元/m2图53种保温材料的NPV与节能率的关系曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.007.F5a1（a）模塑聚苯板的NPV与节能率的关系10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.007.F5a2（b）石墨聚苯板的NPV与节能率的关系10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.007.F5a3（c）聚氨酯复合板的NPV与节能率的关系由图5可知，保温材料的厚度均在180~200 mm之间，相同厚度的NPV值从大到小排列为：模塑聚苯板石墨聚苯板聚氨酯复合板，但保温材料在节能率上数值较为相近。因此，公共建筑近零能耗外围护结构改造需要考虑经济成本及投资回报，建议优先选择180 mm厚度的模塑聚苯板。4.2环境效益分析节约1 kWh电量，相当于减少0.997 kg CO2排放、0.030 kg SO2排放、0.015 kg NOx排放、0.272 kg 碳粉尘排放、0.136 kg烟尘排放。经计算，180 mm厚度的不同材料的节能减排量如表8所示。由表8可知，采用180 mm模塑聚苯板时，每年可减少67.30 t CO2排放，2.03 t SO2排放，1.01 t NOx排放，18.36 t 碳粉尘排放，9.18 t 烟尘排放；采用180 mm石墨聚苯板时，每年可减少67.71 t CO2排放，2.04 t SO2排放，1.02 t NOx排放，18.47 t 碳粉尘排放，9.24 t 烟尘排放；采用180 mm聚氨酯板时，每年可减少68.38 t CO2排放，2.06 t SO2排放，1.03 t NOx排放，18.66 t 碳粉尘排放，9.33 t 烟尘排放。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.007.T008表8180 mm厚度的不同材料的节能减排量项目EPSSEPSPUCO267.305 4267.708 5368.381 37SO22.025 242.037 372.057 61NOx1.012 621.018 681.028 81碳粉尘18.362 1618.472 1418.655 70烟尘9.181 089.236 079.327 85t5结语通过DeST软件，模拟北京市某近零能耗办公建筑外围护结构改造能耗状况，并进行经济效益和环境效益分析：（1）公共建筑外围护结构节能改造，可降低部分能耗，相比《公共建筑节能设计标准》建筑能耗标准，改造后能耗降低仅为13.13%。因此，单改造外围护结构不能实现近零能耗，应结合改造用能系统方法，共同降低建筑能耗。（2）石墨聚苯板、模塑聚苯板及聚氨酯板的经济厚度应在180~200 mm之间。选择保温材料时进行改造时，综合考虑经济性和节能性，优先选择经济性较高的模塑聚苯板。