導(dǎo)語(yǔ)：外墻和屋面保溫層經(jīng)濟(jì)論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要摘要：根據(jù)生命周期分析法的原理，利用單位面積圍護(hù)結(jié)構(gòu)（考慮墻體或屋面）的采暖總耗費(fèi)的數(shù)學(xué)模型，得出了一個(gè)簡(jiǎn)單的保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的計(jì)算式。使用該方法對(duì)大連地區(qū)典型節(jié)能住宅建筑外墻和屋面的保溫層厚度進(jìn)行了計(jì)算分析。分析結(jié)果表明摘要：在實(shí)際工程中，外墻和屋面的保溫層厚度應(yīng)根據(jù)各地區(qū)各建筑物的具體條件計(jì)算得到，而不應(yīng)簡(jiǎn)單地直接取用推薦值或憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，這樣才能有效地提高建筑物的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于我國(guó)節(jié)能建筑的工程設(shè)計(jì)具有一定的參考和應(yīng)用價(jià)值。

摘要：節(jié)能建筑生命周期耗費(fèi)分析法LCCA保溫層經(jīng)濟(jì)厚度

1引言

在外墻和屋面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)中設(shè)置保溫層以提高外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻，是改善我國(guó)目前嚴(yán)寒和嚴(yán)寒地區(qū)居住建筑采暖能耗大、熱環(huán)境差等狀況重要的有效的辦法。在保溫材料確定的情況下，保溫層厚度是決定建筑保溫水平的重要參數(shù)。一般隨著保溫層厚度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的絕熱性能提高，從而降低建筑負(fù)荷，采暖設(shè)備造價(jià)和采暖系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用也相應(yīng)降低；但同時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建造費(fèi)用也相應(yīng)增加，因此，一定存在某一特定的保溫層厚度，即經(jīng)濟(jì)厚度δop，使建筑物總費(fèi)用（建造費(fèi)用和經(jīng)營(yíng)費(fèi)用之和）最小。保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的合理計(jì)算可以防止因根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇保溫層厚度所造成的綜合效益損失，因此，探究保溫層厚度的計(jì)算方法對(duì)建筑節(jié)能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，計(jì)算保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的方法有很多種，包括采暖年平均最小費(fèi)用法[1、Lagrange乘子法[2、生命周期耗費(fèi)分析法[3,4等。由實(shí)際情況可知，保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的影響因素很多，假如其數(shù)學(xué)模型復(fù)雜、參數(shù)眾多且不易確定，往往會(huì)造成使用不便，最終仍然流于經(jīng)驗(yàn)判定。因此，應(yīng)探尋比較接近客觀現(xiàn)實(shí)，又易于計(jì)算的方法。采用生命周期耗費(fèi)分析法對(duì)建筑物總耗費(fèi)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，是國(guó)外（如美國(guó)等）使用較多的一種方法，對(duì)于我國(guó)也具有一定的參考價(jià)值。

2數(shù)學(xué)模型

對(duì)于節(jié)能建筑能耗的分析，國(guó)外大都采用生命周期耗費(fèi)分析法（即“LifeCycleCostAnalysis”,簡(jiǎn)稱“LCCA”）.LCCA法是全面評(píng)價(jià)事物性能的方法，即對(duì)建筑物從建造、使用至拆除的整個(gè)過(guò)程（即建筑物的生命周期）進(jìn)行全面性的整體評(píng)估，從宏觀上為節(jié)約能源提供了方向。本模型主要分析了建筑物在其生命周期中的采暖能耗，從單位面積圍護(hù)結(jié)構(gòu)（考慮墻體或屋面）的年采暖總費(fèi)用出發(fā)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，提出了在節(jié)能建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中計(jì)算保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的數(shù)學(xué)模型，得出一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算經(jīng)濟(jì)厚度公式。

2.1外墻和屋面的單位面積熱損失

冬季建筑物采暖熱負(fù)荷包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量和冷風(fēng)滲透的耗熱量，其中冷風(fēng)滲透的耗熱量不直接影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻，在計(jì)算保溫層經(jīng)濟(jì)厚度時(shí)只考慮外墻和屋面耗熱量的影響。

2.1.1單位面積熱損失可用下式計(jì)算摘要：

Q＝K·ΔT

式中Q－單位面積的耗熱量，W/m2；

K－傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

ΔT－冬季室內(nèi)外溫差，℃。

2.1.2單位面積年熱損失可用采暖度日數(shù)計(jì)算摘要：

QA＝86400·DD·K

式中QA—年采暖耗熱量，J/m2；

DD－采暖度日數(shù)，℃·d；

K－圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

21.3圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)為摘要：

K＝

式中Ri、Ro－分別為內(nèi)、外表面的換熱阻，m2·K/W；

Rw－圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻，m2·K/W；

Rin－保溫層的熱阻，m2·K/W。

Rin＝

式中δ－保溫層厚度，m;

λ－保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m/K。

2.2單位面積年采暖總費(fèi)用

建筑物年采暖總費(fèi)用等于保溫層的投資費(fèi)用和采暖耗熱費(fèi)用之和，即摘要：

Ct＝Cin+Ch（1）

式中Ct－單位面積年采暖總費(fèi)用，￥/m2；

Cin－單位面積保溫層的投資費(fèi)用，￥/m2；

Ch－單位面積年采暖耗熱費(fèi)用，￥/m2。

2.2.1保溫層的投資費(fèi)用Cin按下式計(jì)算摘要：

Cin＝Ci·δ（2）

式中Ci－單位體積保溫材料的造價(jià)，￥/m3；

δ－保溫層厚度，m。

2.2.2采暖所用耗熱量的費(fèi)用Ch采用生命周期耗費(fèi)分析法（即僅考慮資金的時(shí)間價(jià)值）進(jìn)行計(jì)算摘要：

Ch＝PWF·Ce（3）

式中PWF－貼現(xiàn)系數(shù)（PresentWorthFactor），即將資金的將來(lái)值折算成現(xiàn)值；

Ce－單位面積采暖年運(yùn)行費(fèi)用，￥/m2·a。

（4）

式中QA—同前，J/m2；

Cf－煤價(jià)，￥/kg；

η－采暖系統(tǒng)的總效率，η＝η1·η2；

η1－室外管網(wǎng)輸送效率，一般取0.9；

η2－鍋爐的運(yùn)行效率，一般取0.68；

Hc－煤的發(fā)熱量，kJ/kg。

貼現(xiàn)系數(shù)PWF的確定方法如下摘要：

若g＝i，PWF＝（1+i）-1；

若g＜i，則I＝（i－g）/（1+g）；

若g＞i，則I＝（g－i）/（1+i）；

那么，PWF＝[1-(1+I)-N/I。

式中i－銀行利率，%；

g－通貨膨脹率，%；

N－使用年限，a；

I－貼現(xiàn)率，%。

2.3經(jīng)濟(jì)厚度的計(jì)算

綜合以上各式（1）～（4），整理得到摘要：

（5）

如前所述，建筑采暖總費(fèi)用Ct存在一個(gè)最小值Ct，min，其對(duì)應(yīng)的厚度值即為經(jīng)濟(jì)厚度δop。

由得摘要：

（6）

3實(shí)例計(jì)算及分析

3.1建筑概述

以大連市一座節(jié)能住宅建筑為例。其主體采用框架結(jié)構(gòu)，六層樓，層高2.8m，南北向，單框雙玻塑鋼窗，樓梯間不采暖。墻體和屋面構(gòu)造取用目前大連地區(qū)節(jié)能建筑常用的構(gòu)造（見表1），本算例對(duì)各種構(gòu)造的保溫層經(jīng)濟(jì)厚度進(jìn)行分析。

表1大連地區(qū)常用節(jié)能建筑構(gòu)造構(gòu)造

部件

基體

保溫層

材料

厚度(mm)

導(dǎo)熱系數(shù)λ(W/㎡·k)

保溫材料

導(dǎo)熱系數(shù)λ(W/㎡·k)

屋面

類型1

鋼筋混凝土

100

1.74

苯板

0.047

類型2

鋼筋混凝土

100

1.74

苯板

0.047

水泥珍珠巖保溫塊

0.160

墻體

類型1

大孔空心磚（頁(yè)巖）

300

0.58

外貼擠塑苯板

0.025

類型2

大孔空心磚（頁(yè)巖）

300

0.58

外貼EPS

0.050

類型3

大孔空心磚（頁(yè)巖）

300

0.58

內(nèi)貼帶鋼絲網(wǎng)苯板

0.047

類型4

大孔空心磚（頁(yè)巖）

300

0.58

內(nèi)抹保溫砂漿

0.060

主要建筑設(shè)計(jì)參數(shù)如下摘要：

建筑體積摘要:Vo=13748.61m3；

表2.墻體(類型1)構(gòu)造[5材料名稱

導(dǎo)熱系數(shù)λ

(W/㎡·k)

厚度

δ(mm)

聚合物砂漿

0.930

3

擠塑聚苯乙烯泡沫板

0.030

――

聚合物砂漿

0.930

3

砂漿找平層

0.930

20

大孔空心磚（頁(yè)巖）

0.580

300

白灰砂漿

0.810

20

建筑外表面積摘要：Fo=3834.95m2；

建筑面積摘要：Ao=4758.34m2；

體形系數(shù)摘要：S=Fo/Vo=0.28m-1%26lt;0.3m-1；

換氣體積和次數(shù)摘要：V=8936.6m3，

n=0.65次/h；

窗墻面積比摘要：南摘要：0.27，北摘要：0.22；

采暖期室外平均溫度摘要：Te＝－1.6℃；

采暖期度日數(shù)摘要：DD=2541℃·d/y。

3.2計(jì)算結(jié)果及分析

3.2.1保溫層厚度和費(fèi)用的關(guān)系

圖1.保溫層厚度和費(fèi)用的關(guān)系

當(dāng)墻體及保溫層的構(gòu)造和材料一定時(shí)，保溫層厚度直接影響建筑采暖的經(jīng)濟(jì)性。本文選用類型1的墻體進(jìn)行分析，該墻體的具體結(jié)構(gòu)見表2[5。

擠塑苯板的容重為15kg/m3，單位體積的造價(jià)為Ci＝260￥/m3；選用遼寧鞍山半煙末煤，煤發(fā)熱量Hc＝20.9MJ/kg，其價(jià)格Cf＝0.22￥/Kg；當(dāng)前國(guó)家年貸款利率i＝6.21％，通貨膨脹率g＝2％，使用年限N＝10，經(jīng)計(jì)算得，PWF＝9.27；Ro＝0.04㎡·K/W，Ri＝0.11㎡·K/W。圖1反映了保溫層厚度和相應(yīng)費(fèi)用之間的關(guān)系。

由圖1可見，建筑采暖過(guò)程中，保溫層的投資費(fèi)用Cin隨保溫層厚度δ的增加呈線性增大，而采暖所用耗熱費(fèi)用Ch和保溫層厚度δ之間是非線性關(guān)系，開始隨δ增大而迅速降低，當(dāng)δ達(dá)到一定值時(shí)，Ch變得平緩，可見繼續(xù)增大δ并不能使Ch得到明顯地節(jié)??；從而導(dǎo)致建筑年采暖總費(fèi)用Ct隨著δ的增加，先減小后有所增長(zhǎng)，在δop＝40mm時(shí)存在一個(gè)最小值，為9.6萬(wàn)元。

3.2.2不同結(jié)構(gòu)的保溫層經(jīng)濟(jì)厚度分析

部件

保溫材料

設(shè)計(jì)厚度(mm)

計(jì)算經(jīng)濟(jì)厚度(mm)

差值(mm)

屋頂

類型1

苯板

50

64

16

類型2

苯板

30

29

-1

水泥珍珠巖保溫塊

120

114

-6

墻體

類型1

外貼擠塑苯板

20～35

40

5~20

類型2

外貼EPS

50

46

-4

類型3

內(nèi)貼帶鋼絲網(wǎng)苯板

30～40

46

6~16

類型4

內(nèi)抹保溫砂漿

30～40

47

7~17

表3.保溫層設(shè)計(jì)厚度和計(jì)算經(jīng)濟(jì)厚度比較

對(duì)大連市節(jié)能建筑各種常用構(gòu)造的保溫層經(jīng)濟(jì)厚度進(jìn)行計(jì)算，并和目前設(shè)計(jì)中采用的保溫層厚比較，計(jì)算結(jié)果見表3（表3中屋面和墻體的類型構(gòu)造和表1對(duì)應(yīng)）。

由表3可知，在本文選用參數(shù)的條件下，計(jì)算經(jīng)濟(jì)厚度和實(shí)際工程設(shè)計(jì)中采用的保溫層厚度比較接近，但是存在差值，分析產(chǎn)生差值的原因如下摘要：一是設(shè)計(jì)參數(shù)的差異，如各地的煤價(jià)不同等因素；另一個(gè)原因是工程中的設(shè)計(jì)厚度僅從傳熱系數(shù)角度考慮以滿足節(jié)能設(shè)計(jì)的要求，而計(jì)算經(jīng)濟(jì)厚度δop則綜合考慮了建筑物在其生命周期中的經(jīng)濟(jì)性。

在本文計(jì)算條件下，計(jì)算經(jīng)濟(jì)厚度一般大于設(shè)計(jì)厚度，即δop＞δ設(shè)計(jì)。例如，類型1墻體保溫層計(jì)算經(jīng)濟(jì)厚度為δop=40mm，當(dāng)設(shè)計(jì)值取用20mm時(shí)，二者差值可達(dá)20mm。和取用經(jīng)濟(jì)厚度的保溫層相比較，雖然取用20mm的保溫層也可以滿足節(jié)能設(shè)計(jì)的要求，而且保溫層投資費(fèi)用降低了一半，但卻使年采暖總費(fèi)用增加了2萬(wàn)元（見圖1），可見計(jì)算經(jīng)濟(jì)厚度對(duì)工程的經(jīng)濟(jì)性影響很大。同時(shí)，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，考慮到保溫材料實(shí)際保溫性能和理論值有所差距而應(yīng)留有一定的裕量，故提高相應(yīng)保溫層的設(shè)計(jì)厚度很有必要。

3.2.3不同墻體EPS保溫層厚度比較

主體結(jié)構(gòu)

主體厚度

(mm)

主體傳熱系數(shù)

k(w/m2.K)

EPS板厚(mm)

推薦值

計(jì)算值

差值

粘土空心磚

240

0.580

50

47

-3

370

0.582

40

38

-2

490

0.586

30

30

混凝土空心砌塊

190

0.593

60

51

-9

粘土實(shí)心磚

240

0.547

60

46

-14

370

0.567

50

37

-13

490

0.592

40

30

-10

表4.不同墻體EPS保溫層厚度比較

當(dāng)保溫材料一定，墻體的主體結(jié)構(gòu)不同時(shí)，保溫材料的厚度也應(yīng)不同。本文取用EPS保溫結(jié)構(gòu)，對(duì)不同主體結(jié)構(gòu)的墻體[6,7進(jìn)行比較分析，計(jì)算結(jié)果見表4。由表4可見摘要：在本文計(jì)算條件下，EPS保溫層的計(jì)算經(jīng)濟(jì)厚度小于推薦（設(shè)計(jì)）厚度，即δop＜δ設(shè)計(jì)，并且對(duì)于不同外墻主體結(jié)構(gòu)，差值大小不同；采用粘土實(shí)心磚時(shí)，差值超過(guò)10mm，可見推薦值有些偏大。綜合表3、4可知，在實(shí)際工程中，外墻和屋面的保溫層厚度應(yīng)根據(jù)各地區(qū)各建筑物的具體條件計(jì)算得到，而不應(yīng)簡(jiǎn)單地直接取用推薦值或憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，這樣才能有效地提高建筑物能耗的經(jīng)濟(jì)性。

4有關(guān)經(jīng)濟(jì)厚度的幾點(diǎn)探索

如前文所述，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的影響因素眾多，在對(duì)其進(jìn)行分析和計(jì)算過(guò)程中，一些重要的因素常作簡(jiǎn)化處理，直接影響了保溫層經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算的準(zhǔn)確性。因此，筆者認(rèn)為以下幾方面的新問(wèn)題還待于深入探究摘要：

4.1計(jì)算通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷時(shí)，普遍使用室外平均計(jì)算溫度Te，然而實(shí)際上熱流隨著外界氣候、環(huán)境、時(shí)間等因素時(shí)刻發(fā)生變化。為此，應(yīng)建立動(dòng)態(tài)負(fù)荷和保溫層厚度之間的關(guān)系式。

4.2目前，保溫層厚度的確定方法一般僅考慮冬季采暖費(fèi)用，對(duì)于冬季采暖夏季不用空調(diào)的地區(qū)比較適用；但若在兩者都采用的地區(qū)，在計(jì)算經(jīng)濟(jì)厚度時(shí)，應(yīng)考慮到夏季空調(diào)費(fèi)用的影響。探究表明，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能，在非最熱月或夜間氣溫低時(shí)不利于建筑散熱，反而導(dǎo)致年空調(diào)冷負(fù)荷增大。

4.3保溫層經(jīng)濟(jì)厚度是從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度來(lái)確定的（使建筑總費(fèi)用最?。?。然而，在能源緊張和環(huán)境惡化的今天，保溫層厚度的選擇不僅關(guān)系到節(jié)約能源新問(wèn)題，同時(shí)也關(guān)系到環(huán)境保護(hù)新問(wèn)題。假如圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱性能良好（不一定經(jīng)濟(jì)），從而熱源的出力減小，燃料用量隨之減少，產(chǎn)生的污染物量也降低（如圖3所示[8），則有利于環(huán)境的保護(hù)。確切地說(shuō)，“經(jīng)濟(jì)厚度”應(yīng)改為“最優(yōu)厚度”，選取的厚度應(yīng)使經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的效益最佳。有關(guān)建筑物對(duì)環(huán)境影響的課題，必須從建筑物的生命周期中去進(jìn)行全面性的整體評(píng)估。在計(jì)算保溫層的厚度時(shí)，考慮的因素見圖4[8。

5結(jié)論

保溫層厚度的選擇關(guān)系到節(jié)能建筑的造價(jià)和運(yùn)行成本的經(jīng)濟(jì)性新問(wèn)題。生命周期耗費(fèi)分析法（LCCA）計(jì)算保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的數(shù)學(xué)模型，考慮了建筑物在其生命周期中的采暖能耗，具有科學(xué)、簡(jiǎn)單、方便等特征。當(dāng)缺少采暖系統(tǒng)數(shù)據(jù)資料時(shí)，利用設(shè)計(jì)規(guī)范（采用不同地區(qū)年度日數(shù)法計(jì)算采暖總熱量，忽略了室外氣象參數(shù)的影響）、了解墻體或屋面構(gòu)造即可計(jì)算出保溫層經(jīng)濟(jì)厚度，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中其針對(duì)性和適應(yīng)性較好，對(duì)于工程設(shè)計(jì)具有一定的參考和應(yīng)用價(jià)值，可用于新建或舊有建筑改造以及新型保溫材料的設(shè)計(jì)計(jì)算。

實(shí)際工程中，外墻和屋面的保溫層厚度應(yīng)根據(jù)各地區(qū)各建筑物的具體條件計(jì)算得到，而不應(yīng)簡(jiǎn)單地直接取用推薦值或憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，這樣才能有效地提高建筑物的經(jīng)濟(jì)性。在呼吁可持續(xù)發(fā)展的今天，從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境兩方面綜合考慮保溫層厚度，應(yīng)該更為合理，意義更為重大。

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