嚴寒地區近零能耗建筑圍護結構技術創新研究

中圖分類號：TU201.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）23-0089-04

Abstract：Inordertoimprove the technical methodsof buildingenvelopeswith near-zeroenergyconsumptioninseverecold areas，thesensitivityofbuildingenvelopeparameterstoenergyconsumptionisanalyzed，andtheenergyeficiencydiferences betwenbuildingswithnear-zeroenergyconsumptionandordinarybuildingsarecompared.Achievingnear-zeroenergy consumptionbuildingscanimproveindoorcomfortthroughinovativetechnologyaplicationsandhavehighlife-cyclecoomics. Futureresearch should focus on integration with renewable energyand optimization of inteligent management.

Keywords：severecoldregion；near-zeroenergyconsumptionbuilding;enclosurestructure;technological inovation; sensitivity analysis

全球氣候變化與能源危機日益嚴峻，建筑領域作為能耗和碳排放的主要來源，亟需尋求可持續發展路徑。近零能耗建筑通過高效利用可再生能源和提升建筑能效，為實現建筑用能與可再生能源平衡提供了重要解決方案。嚴寒地區氣候條件惡劣，建筑能耗高，發展近零能耗建筑對節能減排具有重要意義。本研究主要探討建筑外圍護結構參數調整對能耗的敏感性分析，比較近零能耗公共建筑與普通公共建筑的能效差異，并開展近零能耗公共建筑全壽命周期的技術經濟性分析。通過這些研究，旨在為嚴寒地區的建筑能效提升提供理論依據與技術創新路徑。

1建筑外圍護結構參數調整對耗能的敏感性分析

建筑外圍護結構參數調整對耗能的敏感性分析采用單因素分析法或正交試驗法，通過建筑能耗模擬軟件建立典型模型，調整墻體傳熱系數、窗墻比、氣密性等參數，量化分析其對建筑能耗的影響程度。該方法可識別關鍵參數，為圍護結構優化設計提供科學依據，降低建筑能耗，提升近零能耗建筑性能，對實現節能減排目標具有重要意義。

1.1傳熱系數與采暖能耗的關系

熱傳遞系數用于衡量熱量通過外墻傳導、對流及輻射等方式從室內向室外轉移的效率。當外圍護結構的熱傳遞系數較高時，說明其隔熱性能較差，導致室內熱量容易流失，從而增加供暖能耗。敏感性分析結果表明，當外圍護結構的熱傳遞系數從 0.12W/（m²?K） 增加至 0.72W/（m²?K） 時，相關能耗參數發生了變化，具體表現為 25.57kWh/m² 的點位上升了 6% 。在此條件下敏感性系數均值為0.038，范圍在 。可見，外圍護結構每增加 0.1W/（m²?K） 的熱傳遞系數，采暖能耗平均值將額外增加 0.29kWh/m² （圖1）。

1.2傳熱系數與制冷能耗的關系

為確保室內環境的舒適度，制冷系統須增加制冷輸出，這自然導致制冷能耗的增長。敏感性分析的實驗數據揭示了：當外圍護結構的傳熱系數提升 0.1W/（m²?K） 時，制冷能耗卻意外地減少了約0.02kWh/m² ;而當傳熱系數增加至 0.6W/（m²?K） 的幅度時，制冷能耗的減少量達到了 0.1kWh/m² （圖1）。

圖1采暖能耗傳熱系數與制冷能耗傳熱系數

在建筑設計環節，應優先考慮使用具有卓越隔熱效能的外墻建材，比如采用高效保溫的聚氨酯泡沫或氣凝膠絕緣層，這些材料能夠有效降低外墻的傳熱系數，從而減輕建筑的制冷負擔并減少制冷所需的能源消耗。在建筑的實際運用過程中，還可以采取一系列措施來進一步提升外墻的隔熱效果，比如在外墻內外側添加額外的隔熱層或采用多層復合墻體結構[3]。

1.3建筑外圍護結構敏感性的比較分析

研究采用單因素分析法與正交試驗法相結合的研究框架，基于EnergyPlus軟件構建嚴寒地區典型公共建筑模型，選取墻體傳熱系數、窗墻比、外窗傳熱系數、氣密性及遮陽系數等核心參數作為研究對象。通過單因素分析法，在基準模型基礎上逐一調整參數值（ ±20% 變化范圍），計算其對采暖、制冷及全年總能耗的敏感性指數。

結論：嚴寒地區墻體傳熱系數對采暖能耗的敏感性系數最高，達0.05，其貢獻率隨值域增大而加速上升。

2近零能耗公共建筑與普通公共建筑的對比

近零能耗公共建筑與普通公共建筑在室內環境、能耗指標及技術體系方面存在顯著差異，這些差異共同決定了其能效表現及可持續性。

2.1室內環境性能實驗數據

近零能耗公共建筑通過高性能圍護結構與智能化環境調控系統，顯著提升室內環境穩定性。吉林建筑大學寒地建筑綜合節能教育部重點實驗室實測數據顯示，室內溫度波動范圍可控制在 ±1.5^°C 內，PMV與PPD指數均值分別為0.3與 8% ，優于普通建筑的±3C 、PMV與PPD均值為0.8與 20% 。此外，近零能耗建筑采用全熱交換新風系統， CO₂ 濃度可穩定低于800ppm（EN 16798-1：2019? 建筑物的能源性能建筑物的通風》），而普通建筑依賴間歇通風， CO₂ 峰值常超1200ppm 熱濕耦合控制技術的應用進一步將相對濕度維持在 40%～60% ，避免普通建筑因圍護結構結露引發的霉菌問題。

2.2 能耗指標差異

吉林建筑科技學院整理的嚴寒地區對比案例的實測數據可得，近零能耗公共建筑單位面積年能耗為45～65kWh/（m²?a） ，較普通建筑 120～180kWh/（m²?a） 降低 60%～70% 。其中，供暖能耗降幅最為顯著（ 75%～ 85% ），主因超低傳熱系數圍護結構 U?0.15W/（m²?K） 與氣密性的協同作用。可再生能源貢獻率方面，近零能耗建筑光伏系統可覆蓋 30%～45% 的電力需求（普通建筑 lt;5% ），其能源平衡指數趨近于零，而普通建筑平衡指數均值高達1.8。

2.3 技術體系特征對比

近零能耗建筑技術體系以“被動優先、主動優化為核心，通過技術體系集成與精細化設計，在室內環境品質、能耗效率及系統協同性方面均顯著優于普通建筑，其技術路徑為嚴寒地區建筑低碳轉型提供了范式支撐。而普通公共建筑則大多采用傳統建筑材料和技術，其圍護結構性能相對較弱，缺乏高效的能源管理和調控機制，導致整體能效較低（表1）。

表1近零能耗公共建筑與普通公共建筑常用節能技術措施對比表

3近零能耗公共建筑全壽命周期技術經濟性分析

近零能耗公共建筑的全壽命周期技術經濟性分析是評估建筑項目經濟可行性和節能效果的重要手段，尤其在嚴寒氣候區，其節能收益和技術措施的實施對于降低建筑運營成本具有關鍵意義。通過對建筑全壽命周期內的技術經濟性分析，可以為建筑設計、施工及運營管理提供科學依據，推動節能減排目標的實現。

在嚴寒氣候區，建筑的采暖需求遠大于其他氣候區域，因此，節能技術的選擇和應用尤為關鍵。主要的節能技術措施包括高效圍護結構設計、智能化采暖與通風系統、可再生能源系統的集成等。其中，高效外墻保溫材料、低輻射玻璃、密閉性強的窗體及屋頂隔熱設計是最為常見且行之有效的節能措施。這些技術措施的實施能夠顯著減少熱損失，提高建筑圍護結構的熱工性能，從而降低采暖能耗。在嚴寒氣候條件下，采暖系統的節能效果尤為明顯，能夠有效減少因極端低溫所導致的能耗波動。

根據全壽命周期分析方法，近零能耗建筑的節能效益不僅體現在運營階段的長期能源節省上，還需要考慮其建設成本和維護費用。各項節能技術的直接增量效益與增量成本比在不同氣候區表現出較大的差異。以圍護結構優化為例，在嚴寒氣候區，增加外墻保溫層厚度和采用高性能窗體材料的增量效益較為明顯，這些措施可在采暖季節大幅度降低能耗，節能效果明顯（圖2）。但與此同時，建設初期的增量成本較高，尤其是在采用高性能保溫材料和低輻射玻璃時，可能需要較高的初期投資。

隨著建筑全壽命周期內的運營期延長，節能技術的回報周期逐漸縮短，最終形成較為可觀的經濟效益。在不同氣候區，節能技術的增量效益和成本比有所差異（圖3）。例如，在熱帶氣候區，圍護結構的保溫性能相對較低，節能收益有限；而在嚴寒氣候區，外墻保溫和窗體優化技術的節能效益則顯著高于熱帶地區，其增量效益與增量成本比更為有利。

因此，近零能耗公共建筑的技術經濟性分析不僅要考慮節能技術在特定氣候區的適應性，還需綜合評估其在全壽命周期內的經濟回報。通過優化節能技術的選擇和實施策略，可以在保證建筑舒適性和功能性的同時，最大化建筑項目的節能收益，降低長期運營成本，推動建筑行業的可持續發展。

圖2節能技術在單位面積直接增量效益圖

圖3節能技術的直接增量效益與增量成本比

4嚴寒地區近零能耗建筑圍護結構技術創新與應用

在嚴寒地區，建筑的圍護結構是影響能源消耗的關鍵因素之一。隨著全球節能減排目標的推進，近零能耗建筑的概念逐漸成為建筑領域的研究熱點。圍護結構的技術創新，特別是在材料選擇、構造設計和施工工藝等方面的革新，對于實現嚴寒地區近零能耗建筑具有重要意義。通過綜合運用高性能保溫材料、真空絕熱技術以及智能控制技術，能夠有效提升建筑圍護結構的熱工性能，從而降低采暖能耗、提高建筑的能效。

4.1 保溫材料的創新與應用

高性能保溫材料的應用是嚴寒地區近零能耗建筑圍護結構技術創新的核心。傳統保溫材料如巖棉、聚苯乙烯等，在極寒氣候條件下的熱隔離效果有限，容易導致熱損失。近年來，高性能聚氨酯泡沫、真空絕熱板（VIP）高效玻璃纖維材料等新型保溫材料的研發與應用，為提高圍護結構的熱阻性能提供了技術保障。真空絕熱板具有極低的熱傳導系數，能夠在較薄的板材厚度下提供優異的保溫性能，是目前高性能保溫材料中的佼佼者。其在嚴寒地區的應用，有效減少了圍護結構的厚度，提高了建筑的使用空間，同時保證了采暖負荷的最小化。

采用高性能外墻保溫材料和真空絕熱板后，建筑圍護結構的熱傳導系數從 0.72W/（m²?K） ）降至0.12W/（m²?K） ，有效減少了熱損失。結果顯示，建筑采暖能耗減少了約 35% ，年節能量為 50kWh/m^2[7]

4.2 節能構造的創新與應用

圍護結構的構造設計在嚴寒地區近零能耗建筑中同樣至關重要。圍護結構的氣密性和熱隔離性能直接影響建筑的能效表現。隨著建筑設計理念的不斷更新，氣密性設計逐漸成為提高建筑圍護結構性能的關鍵措施之一。在嚴寒地區，風寒效應和氣流引起的熱損失較為顯著，因此，圍護結構的氣密性要求更為嚴格。通過采用高密封性的門窗系統、無縫接縫的外墻設計以及合理的外立面構造，可以有效減少空氣滲透和熱傳遞，顯著降低熱量流失。

4.3智能技術的創新與應用

智能控制技術的引入，也是近年來圍護結構技術創新的重要方向之一。在嚴寒地區，建筑的能耗主要集中在采暖和通風系統上。通過引人智能化溫控系統和能源管理系統，能夠根據外部氣象數據、室內溫度變化以及居住者活動需求，動態調節圍護結構的溫度和通風量。例如，采用自適應窗體調節系統，能夠根據外界溫度和日照強度自動調節窗戶的開合狀態，優化室內的自然采暖和通風效果。通過智能溫控系統的實施，建筑采暖系統的能效提升約 20% 8。智能系統能夠根據外部溫度和室內負荷自動調節供熱，避免了過度供暖和能源浪費。

4.4施工工藝的創新與應用

隨著新型保溫材料的不斷涌現，施工工藝需相應進行優化。例如，采用模塊化建筑和預制構件技術，可以有效提高施工效率并確保圍護結構的精準度。此外，濕作業工藝的改進，使得新型高性能保溫材料的施工更加便捷，施工周期得到顯著縮短，同時降低了

人工成本和材料浪費[]

綜上所述，嚴寒地區近零能耗建筑圍護結構的技術創新涵蓋了從材料、構造到施工的多個方面。通過高性能保溫材料的應用、圍護結構的氣密性設計、智能控制技術的引人及施工工藝的創新，能夠在提高建筑能效、降低能耗的同時，確保建筑的舒適性與使用性能。這些技術創新不僅為實現嚴寒地區建筑的節能目標提供了可行路徑，也為未來建筑行業的可持續發展奠定了基礎。隨著相關技術的不斷成熟，近零能耗建筑將在全球范圍內得到更廣泛的應用，推動建筑行業邁向更加綠色、智能的未來[10]

5 結論

研究表明，近零能耗公共建筑在能效與舒適性方面優于普通公共建筑，且全壽命周期技術經濟性分析結果顯示，近零能耗建筑具有較高的長期經濟效益。未來研究應進一步探討近零能耗建筑與可再生能源的融合應用，以及建筑智能化管理系統的優化，以實現更高效、可持續的建筑能源管理

參考文獻：

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