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南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 摘 要 建筑墙体中使用保温层是最有效的节能措施之一，但是现有的保温 层厚度是根据节能标准而定，并没有从建筑寿命周期中总体考虑保温层 的最优厚度。因此，本文从建筑生命周期评价(lca)理论出发，综合考 虑了实际气候下墙体传热，对目前我国目前的空调能源结构、保温材料 价格、建筑物寿命、空调设备性能、银行利率等因素进行研究。建立了 实用的完善的保温层厚度的经济学模型。 利用频域回归方法(fdr)计算一维墙体非稳定传热； 并就湿分对墙体 传热的影响进行了研究。利用辐射时间序列(rts)方法将墙体传热转化 为负荷。 将计算出的采暖空调负荷与保温层厚度的经济学模型相结合，最终 形成了实用的建筑围护结构保温层最优厚度计算软件，该软件界面友 好，操作方便，可确定我国不同地理位置所对应的气候条件下围护结构 各种保温层的最佳厚度。这一研究成果可作为围护结构设计标准使用， 同时可对旧建筑的节能改造提供数据参考。 关键词：关键词：保温层经济厚度，生命周期评价(lca)，频域回归(fdr)方法，辐 射时间序列(rts)，热湿耦合 基于成本的墙体保温层厚度多学科优化研究 ii abstract using thermal insulation materials in the envelope of the building is one of the most effective energy-saving measures. however, the existing insulation thickness is determined by the energy conservation design standard without considering the life cycle of building. based on the theory of life cycle assessment (lca)of building, an improved economical optimum mathematical model of insulation thickness is developed, considering heat transfer of exterior wall under the actual climate, air-conditioning energy structure, cost of insulation materials, building life, performance of air-conditioning equipment, interest rate and so on. calculating transient heat transfer trough wall using frequency-domain regression (fdr) method and effect of moisture on heat transmission of envelope is also taken into account. then, heat transfer is transformed into heat loads by radiant time series method (rtsm). combining air-conditioning loads and the economical mathematical model of insulation thickness, a practical software for calculating optimum thermal insulation thickness of building envelope is developed, the software with friendly interface is convenient to be used. it can be used to identify the optimum thermal insulation thickness of various envelopes under the natural climate of different geographical positions. the results can be used as building envelope design standards, and provide reference data for energy-saving reconstruction of the old building. keywords: economical insulation thickness, life cycle assessment(lca)， frequency-domain regression method (fdr), radiant time series method (rtsm), coupled heat and mass transfer 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图 录 图 2. 1 生命周期评价技术框架 . 6 图 2. 2 生命周期评价技术框架 . 6 图 2. 3 建筑物的全生命周期 . 7 图 3. 1 含空气层的多层平壁结构输入输出. 21 图 3. 2 墙 i 的幅频特性 . 30 图 3. 3 墙 i 的相频特性 . 30 图 3. 4 墙的幅频特性 . 31 图 3. 5 墙的相频特性 . 31 图 3. 6 墙 i 的周期反应系数 . 31 图 3. 7 墙 i 的墙体逐时传热的热量 . 32 图 3. 8 墙的体逐时传热量 . 32 图 4. 1 单层结构的网格划分 . 38 图 4. 2 多层墙体网格划分 . 41 图 4. 3 中间节点的温度分布 . 44 图 4. 4 中间节点的湿度分布 . 44 图 4. 5 室外空气干球温度 . 44 图 4. 6 室外空气含湿量 . 44 图 4. 7 墙体内表面相对湿度 . 45 图 4. 8 石膏层、玻璃纤维绝热层上的相对湿度. 45 图 4. 9 玻璃纤维绝热层、砖界面上相对湿度. 45 图 4. 10 墙壁外表面相对湿度 . 45 图 5. 1 辐射时间序列法概述 . 49 图 5. 2 室外空气综合温度 . 53 图 6. 1 一维墙体传热建筑信息输入 . 60 图 6. 2 热湿耦合传热建筑信息输入 . 60 图 6. 3 一维墙体传热材料信息输入 . 60 图 6. 4 热湿耦合传热材料信息输入 . 60 图 6. 5 经济信息输入 . 61 基于成本的墙体保温层厚度多学科优化研究 vi 图 6. 6 结果输出 . 61 图 6. 7 西向墙体保温层厚度 . 63 图 6. 8 东向墙体保温层厚度 . 63 图 6. 9 南向墙体保温层厚度 . 63 图 6. 10 北向墙体保温层厚度 . 63 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 表 录 表 2. 1 建筑生命周期各阶段的能源使用情况. 9 表 2. 2 各种空调能源折合一次能的参考值. 17 表 2. 3 不同供热方式的一次能源利用率比较. 17 表 3. 1 墙体的结构和材料的热特性 . 30 表 3. 2 室外逐时空气综合温度(). 31 表 4. 1 每层墙体材料的物性参数 . 44 表 4. 2 墙体传热比较 . 46 表 5. 1 墙体的热的辐射和对流所占比例. 50 表 5. 2 0 v 、 1 v 和 2 v 的值 . 52 表 5. 3 值 . 52 表 5. 4 南外墙逐时的热量与冷负荷比较. 54 表 5. 5 太阳辐射吸收系数值 . 55 表 5. 6 各月 21 日的赤纬角和时差 . 57 表 5. 7 室内空气温湿度取值 . 58 表 6. 1 建筑墙体构造 . 62 基于成本的墙体保温层厚度多学科优化研究 viii 主要符号表 主要符号表 拉丁字母拉丁字母 c 费用，元 f c 保温材料的单价，元/kg o c 运输工具燃料单价，元/kg p c 比热，j/kgk m c 比湿，kg/kg m。 cl 夏季空调负荷，kj m d 固体骨架的质扩散系数，/kg m sm 。 d 运输距离，km d 运输距离，km e 能耗，kj eer 能效比 g 通货膨胀率 hl 冬季采暖负荷，kj o h 运输工具的燃料热值，kj/kg lv h 蒸发潜热,/w hr kg i 改进的银行利率, 逐时各向太阳辐射强度,w/m 2 i 银行贷款利率 k 传热系数，w/(m 2k) l 保温层的厚度，m m 单位建材生产能耗,kj m 建筑材料使用量，ton per 一次能源利用率 pwf 贴现系数 .q b p 饱和水蒸气压力，pa p 施工或拆除方法单位能耗，kj/unit p 施工或拆除方法的施工总量，ton q 墙体热流量，(w/m 2) r 循环回收废旧建材的比率 承诺书 本人郑重声明： 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下独立完 成的。 除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含 任何他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的 其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允 许论文被查阅和借阅， 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 研究课题的提出 建筑能耗在社会总能耗中占有很大的比例, 在西方发达国家, 建 筑能耗占社会总能耗的 30%45%， 而我国目前社会经济水平和生活水平 都还不高的情况下，建筑能耗已占到社会总能耗的 2025，正逐步 上升到 30%，并且高的建筑能耗造成了大量化石燃料的使用，带来越来 越严重的污染。世界上建筑用能排放的 2 co 占总的 2 co 排放量的 1/3 1。 我国现在建设高潮持续不断，每年新增房屋面积高达 16 亿20 亿 2 m， 但是不仅既有的近 400 亿 2 m建筑中的 99为高耗能建筑，新增建筑中 95以上仍属入高耗能建筑。2002 年全国空调高峰负荷已达到 4500 万 kwh，相当于 2.5 个三峡电站建成后的满负荷出力。按照目前建筑能耗 水平发展，到 2020 年，我国建筑能耗将达到 1089 亿吨标准煤，超过 2000 年的 3 倍，空调高峰负荷将相当于 10 个三峡电站满负荷出力。目 前我国建筑保温隔热水平与气候条件相近的发达国家相比，大体上外墙 差 45 倍， 屋顶差 2.55.5 倍， 外窗差 1.52.5 倍， 门窗透气性差 3 6 倍。因此，从总体上说，我国单位建筑面积采暖能耗是同等条件下发 达国家的 3 倍左右 2。 所以我国建筑能耗损失相当严重,情况十分紧迫 , 建筑节能已是国家的重大战略问题。 2005 年 7 月，建设部、国家质量监督检验检疫总局联合发布了 gb50189-2005公共建筑节能设计标准 ，该标准推出的目的是使新建、 改建和扩建的公共建筑与 20 世纪 80 年代的公共建筑相比较，全年在采 暖、通风、空气调节和照明方面的总能耗减少 50。其中围护结构分担 节能率 2513；2005 年国务院还下发了国务院办公厅关于进一 步推进墙体材料革新和推广节能建筑的通知 (国办发200533 号) 对建筑节能工作提出了五个方面、十三项工作要求和措施。即要求:凡 财政拨款或补贴的行政机关办公用房、公共建筑、经济适用房、示范建 筑小区和国家投资的生产性项目等 ,都要执行建筑节能设计标准,选用 和采购新型墙体材料。新建建筑要向强制执行国家已颁布的建筑节能设 计标准推进,逐步提高新型墙体材料的生产和应用比例,增加节能建筑 面积。力争到 2006 年,新建建筑严格执行建筑节能设计标准 ,有条件的 基于成本的墙体保温层厚度多学科优化研究 2 城市率先执行节能率 65%的地方标准。到 2010 年,严寒、寒冷地区应执 行节能率 65%的标准。 为了实现节能标准，在建筑墙体中使用保温层是最有效的措施之一, 虽然我国建筑业已将保温层广泛应用于建筑结构中,但很少考虑在动态 气候环境中其最佳厚度应是多少,而这种厚度涉及到所使用建筑材料成 本价格、建筑物使用过程中能源的价格，特别是在冬、夏季节的电力供 应。为此，本课题在对建筑墙体动态气候条件下传热传质性能的研究的 基础上，结合建筑物建造和使用过程能耗的经济学模型，对目前我国能 源结构、保温材料价格、建筑物寿命、空调设备性能等因素影响下建筑 墙体最佳保温层厚度进行研究。 从工程上看,建筑节能和对旧建筑节能改造技术研究是一个富有挑 战性的课题,在民用建筑、商业建筑和工业建筑中均有重要的应用前景。 保温层厚度的选取直接影响着节能的效果， 一般来说，保温层厚度越大， 初期投资大，后期运行费用少，但是对于某些地区(如夏热冬暖地区)， 保温层越厚，夜间室内的热量不容易传出，势必增加空调的冷负荷。因 此，在我国电力结构和气候条件下，基于成本的建筑围护结构保温层厚 度多学科优化研究，使建筑物在整个寿命周期内耗能最小，对新建建筑 物的结构和材料选用、旧建筑物的节能改造具有指导意义，同时对我国 建筑节能标准的改进具有重要意义。 从学术上看，复合多孔材料耦合传热传质机理十分复杂，在动态气 候条件下，材料内的耦合传热传质过程中伴随着相变。在更深更广的层 面上探索物质和能量在建筑围护结构内的传输规律，并加以有效地应用 于建筑围护结构的节能设计，是建筑围护结构内热湿耦合传递研究的新 方向。也是建筑环境工程领域内建筑结构学、建筑材料学、多孔介质传 热传质学和经济学等多门学科的交叉点。 1.2 国内外研究现状及发展概况 在建筑墙体中使用保温层是最常用也是最有效的措施,1973 年世界 性的石油危机以后，外墙保温技术在许多国家得到长足的发展。 在我国， 建筑节能工作正有计划地由北向南推进，先后发布实施了民用建筑节 能设计标准(采暖居住建筑部分) 、 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标 准 、 夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准 。在国家技术政策和节能 标准的推动下，近年来，外墙保温技术迅速发展，但我国目前的建筑节 南京航空航天大学硕士学位论文 3 能水平，还远低于发达国家，目前绝大部分都是采用火力发电和燃煤锅 炉，同时给环境带来严重的污染。所以建筑节能还是本世纪我国建筑业 的一个重要的课题。 目前工程上应用的保温层材料厚度主要由节能标准确定，节能标准 规定了外墙最高传热系数，由此可以推出外墙保温层的厚度，但是这个 厚度是最经济的么？由于我国建筑保温隔热与发达国家还有比较大的 差距，现有的节能 65%是与八十年代的建筑物比较的，就算达到这个标 准，与发达国家还有差距。文献3中提出一种外墙经济热阻与保温层 经济厚度计算方法，但是墙体传热采用稳态的计算方法，保温材料的投 资费用计算也不完善，更严重的按此种方法计算出的复合保温外墙的经 济热阻，多数都低于建筑热工设计规范的最小传热阻，不要说保温 节能，就连居住卫生要求的室内热环境都达不到。这样就没有了参考价 值。某大学的一位老师在 20 世纪 90 年代，曾把内墙、外墙、基础、楼 板、屋面、门窗等的造价都包括进去从总体上研究建筑的保温节能， 并建立了一个巨大而复杂的方程组，但研究结果至今未见报道。 国外节能节能标准比国内严格的多，但是仍在不断寻找最优厚度。 文献4-6讨论了不同燃料、不同气候条件下的保温材料的最优厚度。 但是均用了采暖度日数法计算墙体传热能耗，且经济学模型还不太完 善。文献7讨论了不同保温层厚度对环境的影响。文献8从室内制冷 设备方面讨论保温层材料的最优厚度。文献9从太阳辐射方面考虑保 温层的最优厚度。文献10-11采用了控制体积有限差分的方法求解一 维墙体传热方程，但是没有考虑湿分对墙体传热的影响。文献12虽然 考虑了凝结蒸汽对保温材料的影响，但是墙体传热仍使用了稳态的计算 方法。 对于建筑墙体这种多孔性材料而言，由于含湿及其室外温湿度的变 化，其热物性参数随所在地区、季节、朝向的不同而异，为了了解热质 方面的影响，有许多学者对此进行了研究，积累了大量研究成果。但对 于热质耦合的认识还基本停留在定性阶段，在墙体结构设计中，还没有 充分考虑热质耦合传递的影响。一方面墙体材料的含湿导致传热系数变 大，另一方面室内外的吸放湿的潜热负荷也会导致了空调负荷的变大。 基于成本的墙体保温层厚度多学科优化研究 4 1.3 本文研究的内容及主要的工作 总体来说，本课题在对建筑墙体在实际气候条件下传热传质性能研 究的基础上，结合建筑物建造和使用过程能耗的经济学模型，对目前我 国空调能源结构、保温材料价格、建筑物寿命、空调设备性能、银行利 率等因素影响下建筑墙体最佳保温层厚度进行研究。 具体来说，本文的主要研究内容包括： 1 根据生命周期理论(lca)建立保温材料厚度的经济学模型。此经济学 模型不光考虑到保温材料的价格、建筑物的寿命、空调设备性能、能源 结构等因素，还要考虑通货膨胀率、银行利率等对保温层厚度的影响。 2 本文首先利用了频域回归方法(fdr)求解一维墙体传热，另外为了研 究动态气候下湿度对墙体传热的影响，本文以 luikov 方程为基础，利 用 mtdma 的方法求解热湿耦合方程，得出湿度对墙体传热的影响。 3 利用辐射时间序列(rts)方法将墙体传热转化为负荷。将计算出来的 夏季空调负荷和冬天采暖负荷分别带入到保温层厚度的经济学模型中， 得出建筑物保温层最优厚度。 4 采用 matlab 和 vc+联合编程，形成实用的保温层最优厚度的计算软 件，最后对全文作出了总结，重点指出了本论文的研究成果，最后提出 了需要进一步研究的问题。 南京航空航天大学硕士学位论文 5 第二章 经济学模型建立 2.1 生命周期评价(lca)简介 一种产品从原料开采开始，经过原料加工、产品制造、产品包装、 运输和销售，然后由消费者使用、回收和维修，最终再循环或作为废弃 物处理和处置，整个过程称为产品的生命周期(lc)。资源消耗和环境污 染物的排放在每个阶段都可能发生，因此污染预防和资源控制也应贯穿 于产品生命周期的各个阶段。生命周期评价(life cycle assessment, lca)是对某种产品或某项生产活动从原料开采、加工到最终处置即整个 生命周期环境影响和资源消耗的一种评价方法。 目前，有许多对生命周期评价的通俗定义，其中以国际环境毒理学 和化学学会(society of environmental toxicology and chemistry, setac)和国际标准化组织(international organization for standa- dization,iso)的定义最为权威 13。环境毒理学和化学学会(setac)对生 命周期评价的定义为：lca 是一个评价与产品、工艺或行动相关的环境 负荷的客观过程，它通过识别和量化能源与材料使用和环境排放，评价 这些能源与材料使用和环境排放的影响，并评估和实施影响环境改善的 机会。该评价涉及产品、工艺或活动的整个生命周期，包括原材料提取 和加工，生产、运输和分配，使用、再使用和维护，再循环以及最终处 置。 ” ，并将生命周期评价的基本结构归纳为四个有机联系部分:定义目 标与确定范围(goal and scope definition);清单分析( inventory analysis );影响评价(impact assessment)和改善评价(improvement assessment ) 14(图 2.1)。国际标准化组织(iso)认为生命周期评价是 对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评 价 ， 在iso14040 标 准 中 把lca 实 施 步 骤 分 为 目 标 和 范 围 定 义 (iso14040 )，清单分析(iso14041)，影响评价(iso14042)和结果解释 (iso14043)四个部分 15(图 2.2)。 确定研究目的和范围是生命周期评价研究的第一步。一般需要先确 定评价目标，然后根据评价目标来界定研究对象的功能、功能单位、系 统边界、环境影响类型等等。这些工作随研究目标的不同变化很大，没 有一个固定的标准模式可以套用，但必须要反映资料收集和影响分析的 基于成本的墙体保温层厚度多学科优化研究 6 根本方向。另外，lca 研究是一个反复的过程，根据收集到的数据和信 息，可以修正最初设定的范围来满足研究的目标。在某些情况下，由于 某种没有预见到的限制条件、障碍，研究目标本身也可能需要修正。 图 2.1 生命周期评价技术框架 (setac,1993) 图 2.2 生命周期评价技术框架 （iso,1997） 清单分析的任务是收集数据，并通过计算给出该产品系统各种输入 输出，作为影响评价的依据。输入的资源包括物料和能源，输出除了产 品外，还有向大气、水体和土壤的排放。在计算能源时要考虑使用的各 种形式的燃料和电力、能源的转化和分配效率以及与该能源相关的输入 输出。清单分析共有三种类型:基于过程的清单分析;基于经济投入产出 的清单分析和复合清单分析，其中基于过程的清单分析因其直观明了的 特点而应用最为广泛。 结果解释是根据生命周期评价前几个阶段的研究或清单分析的发 现，以尽量客观的方式分析结果、形成结论、解释局限、提出建议并报 告生命周期解释的结果，尽可能提供对所确立的研究目的和范围相符且 易于理解的、完整的和一致的说明 16。 我国科技界对 lca 方法的关注始于 90 年代中期，有代表性的如席 德立 1995 年在清洁生产一书中对 lca 方法的介绍。郝吉明等 1997 年在可持续发展论中对 lca 的方法和应用做了的综合介绍。此外， 还有杨建新等人的介绍性文章。lca 研究尽管在我国起步较晚， 但发展 很快，并得到了国家有关部门的高度重视。如国家环保(总)局在 1997 年印发的 国家环保局关于推行清洁生产的若干意见的通知中就要 求对清洁产品的环境标志认证管理。要逐步实行产品生命周期评价，评 价产品在原料选用、工艺技术、生产过程、消费使用，直至报废后处置 全过程中的环境影响，促使企业在开展清洁生产的基础上，使其产品获 得环境标志。另外，国家自然科学基金委员会已批准了多项有关生命周 南京航空航天大学硕士学位论文 7 期评价与管理的研究项目，如“我国企业环境行为生命周期管理对策研 究”(杨建新,1997),“考虑环境因素的产品生命周期评价理论与实践研 究(张群，1999)”， “木薯酒精汽车的全生命周期三 e 评估和多目标优 化”(浦耿强，2001)等 17。 2.2 生命周期评价在建筑上的应用 理论上来讲，将一栋建筑视为一个产品系统，便可运用生命周期评价 方法对其整个生命周期的输入、输出及潜在的环境影响进行综合和评价。 一般建筑物的生命周期可以分成以下五个阶段 18-19，即建筑材料的准备阶 段、建筑的施工建造阶段、建筑使用阶段、建筑拆除阶段和废弃建材处置 阶段。图2.3为典型的建筑物生命周期系统示例。建筑物的生命周期能耗 也就是以上各个阶段的能源消耗以及相关的运输活动的能源消耗。 图 2.3 建筑物的全生命周期 由于任何一座实体建筑物都可能包含60多种基本材料和大约2000件 单独的产品，每种产品都有自己的寿命和独一无二的生产、维修和处置方 法，因此，任何建筑的数据收集和分配决策都远远超出了大多数研究小组 的能力所及，不得不设立大量默认的假设，但即使是这样，研究工作仍很 复杂。 在这种背景下， 为了增强 lca方法在建筑领域研究应用的可操作性， 不少研究者采取了缩小研究范围， 仅对建筑生命周期的部分阶段或建筑引 基于成本的墙体保温层厚度多学科优化研究 8 起的特定环境影响进行评价 16， 或者只研究某种建筑材料的生命周期影响 20,撇开生命周期内的其他环境影响以及所有与能源无关的物质流、信息 流，运用lca方法框架中较为成熟且客观的部分(目标和范围的确定、清单 分析以及结果解释)进行研究。这样，既可以客观地、定量化地分析、评 价建筑生命周期各阶段的能耗状况，还能避开lca方法中颇受研究执行人 主观性影响，且目前仍存在较多争议的环境影响评价部分。 2.3 建筑能源消耗清单计算模型 建筑作为一个复杂的产品系统，和普通产品相比有较大的不同。尽 管将研究范围限制在能源消耗方面，所要面临的仍然是一个纷繁浩杂的 大系统。 能源消耗指标包括了建筑物生命周期的每一个阶段，每个阶段能源 消耗的载体由建筑材料和机械设备组成，因此建筑是一个复杂的工业产 品，从这一角度看，许多商用的 lca 软件资料库(如 simapro, boustead 等)，和一些有关学者专家对有些建筑材料的研究数据结果，在适当的 假设条件和转换下，可以用于本研究。国外学者研究提出建筑物的生命 周期总能耗包括建筑材料的制造、建材运输、建筑物的施工、建筑的使 用与管理、拆除及最终处置几个阶段 21-22。在建筑的每个生命周期阶段 当中，能源使用也都异常复杂。表 2.1 展示了建筑生命周期各阶段的能 源使用情况。这些能源包括煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、电力、天 然气等商品能源，和秸秆、薪柴等非商品能源。能源结构也增添了建筑 生命周期能源消耗系统的复杂性，但由于本研究的主要关注对象为各阶 段能源消费的数量，而不是能源结构或是其他物理特征及其相应的潜在 环境影响，因此，在具体研究中并不会引入能源结构。 南京航空航天大学硕士学位论文 9 表 2.1 建筑生命周期各阶段的能源使用情况 生命周期阶段 能源使用情况 建材准备阶段 建筑物建造阶段和使用阶段的日常维护、修缮所需建筑 原材料、中间材料和产品的开采、生产和加工以及中间 环节涉及到的运输过程的能源消耗。 建筑建造阶段 工地现场的材料加工、机械施工、工法消耗以及中间环 节涉及到的所有运输过程的能源消耗。 建筑使用阶段 建筑物完工交付使用后，通风、照明、采暖、空调、炊 事、热水、家用电器、电梯等一系列为实现建筑设计用 途而产生的以及在日常维护过程中涉及到的运输过程的 能源消耗 拆除阶段 建筑物解体、拆除的能源消耗 废旧建材处置 阶段 建筑物在日常维护阶段和拆除后所产生废旧建筑材料的 运物、分拣、处理、再利用和无用废弃建材在最终处置 场所处置的过程所涉及到的能源消耗。 本研究中建筑物的生命周期总能耗可用下式计算 18: totmanuerectoccupdemodis eeeeee=+ （2-1） 式中: tot e建筑物生命周期总能耗(kj ); manu e建材生产阶段总能耗(kj); erect e建造施工阶段总能耗(kj); occup e居住使用阶段总能耗(kj); demo e破坏拆除阶段总能耗(kj); dis e废旧建材处置阶段总能耗(kj)。 各阶段的能耗计算公式为: 1) 建筑物建材生产阶段( manu e) ,manumanu prodmanu renov eee=+ （2-2） , 1 (1/100) n manu prodiii i emwm = =+ （2-3） 式中: ,manu prod e建筑物建造时所使用建材生产的总能耗(kj); 基于成本的墙体保温层厚度多学科优化研究 10 ,manu renov e为建筑物翻修过程中所使用建材的生产能耗(kj); n建筑物所使用的建材种类数; i m 建材品种i的使用量，通常以重量(ton, kg)或体积( 3 m)表示; i w 表示在建造过程中建材i被废弃的比率，以百分比(%)表示; i m 表示单位建材i的生产能耗(kj)。也称内含能量(embodied energy)或是源生能量(primary energy),包括原材料的开采、运输，产 品的加工等整个生产过程的能源消耗。 考虑到各种建材寿命不一，在建筑物的预期寿命中，有些建材要根 据寿命情况重复计算。以建筑涂料为例，若其使用寿命为 10 年，在建 筑的整个生命周期当中(参照普通建筑设计标准，50 年寿命为准)，除了 建造阶段所消耗涂料外，还需要考虑另外四次的维护修缮消耗。 , 1 bui manu renovmanu prod mat y ee y = （2-4） 注：表示对结果取整。 式中： bui y建筑物的使用寿命，单位(年)，一般为建筑物主体结构使用 年限; mat y各类建材的使用寿命，单位(年)； 2）建造施工阶段能耗( erect e) 建造部分的耗能随着建筑类型和施工方法的不同，而有很大的差 异。此阶段耗能的估算是以施工工法与建材运输为主要参考量。 ,erecterect procestrans mat eee=+ （2-5） 式中： ,erect proces e建造施工能耗(kj); ,erect mat e施工过程中建材运输能耗(kj); 它们的计算公式分别为: 建造施工能耗: , 1 m erect procesjj j epp = = （2-6） 式中: m采用施工方法的种类数; j p该种施工方法的施工总量，通常以面积(m 2)、重量(ton, kg) 南京航空航天大学硕士学位论文 11 或体积( 3 m)表示； j p该种施工方法的单位能耗(kj/unit)。 施工过程中建材的运输能耗随着建筑的建材消耗量、运输距离及其 运输方式的不同而变化，可以用下式进行计算。 , 1 (1/100) n trans matiiic i emwdt = =+ （2-7） 式中： n建筑物所使用的建材种类数; i d建筑材料从建材加工厂运到建筑工地的平均距离，公里(km); c t不同运输方式运送单位建材的耗能， （kj/tonkm） 。 3)居住使用阶段（ occup e） 此阶段是分析建筑物能耗五个阶段中最长久的一个阶段，一般来说 其能耗所占比例也最大。对于一般的钢筋混凝土建筑，居住使用阶段的 能耗约占建筑物生命周期总能耗的 7080%左右，即使是现在最有能耗 效率的建筑物，其使用阶段均能耗也占到 5060% 23。居住使用阶段能 耗可分为空调能耗、采暖能耗、热水能耗、烹饪能耗、照明能耗、电器 设备能耗等。其中又以空调和采暖能耗最高(约 1070%)。因此，很多 研究者在空调与采暖方面的研究投入不少精力，希望得到一种精确的能 耗评估模式以及节能的方法。可这些评估模式和节能方法常受到地理条 件和当地气候的限制，因此很难得到一个通用评估模式。所以，本研究 将以建筑物外围护结构形成的采暖空调能耗作为居住使用阶段的耗能 （ use e)，再加上居住期间建筑物整修过程中所使用建材的运输耗能 ( ,trans renov e)，即为此阶段总耗能。 ,occupusetrans renov eee=+ （2-8） , 1 (1/100) 1) n bui trans renoviiiic i mat y emwddt y = =+ （ （2-9） 式中， i d 表示运送建筑材料维修过程中产生的废物运到最终处置地点的 距离（通常是建筑物当地的卫生垃圾掩埋场） ，(km)。 use e具体计算方法将在下面具体叙述。 4)破坏拆除阶段（ demo e） 基于成本的墙体保温层厚度多学科优化研究 12 不同结构的建筑拆除过程很不一样，如土木结构的建筑主要是人力 或机械拆除，钢筋混凝土结构的建筑多采用爆破、机械拆除等，钢结构 的建筑是用人工解体等。因此这一阶段的能源消耗其实不是什么样的建 筑物，而是使用了什么样的拆除施工方法。国外有学者统计出了建筑物 不同拆除施工法的单位能耗。根据不同施工方法的单位能耗可以计算此 阶段的能耗。国内也有学者提出，本阶段的能耗包括拆除作业能耗和覆 土、填充材料的运输能耗。其中拆除能耗按建造能耗的 90%计算。计算 公式和建造阶段类似。 1 m demojj j epp = = （2-10） 式中: m 表示采用拆除方法的种类数; j p该种拆除方法的施工总量，通常以面积(m 2)、重量(ton, kg) 或体积( 3 m)表示； j p该种拆除方法的单位能耗(kj/unit)。 5)废旧建材处理阶段 废旧建材可以分为可回收建材和不可回收建材两大部分。其中玻 璃、木材、铝材、钢材等建材一般可回收再利用，对于拆除的砖块、石 块，当地居民一般用来铺路、修筑挡土墙等，但在新建建筑时不予使用。 其它材料都当作建筑垃圾混合处理用于路基填埋，根据建筑物生命周期 评价的系统边界，对于不可回收建材的处置能耗只是将建材从建筑地点 运往处置地点的运输能耗。可回收建材的处置能耗包括从建筑地点运往 处置点的运输能耗和二次加工的能耗。当然，从建筑整个生命周期的能 耗循环系统来看，当重新加工后的建材再次投入到建筑中，就应在建筑 生命周期总能耗中减去这部分的能耗。由于我国目前在废弃建材处理 上，并没有明确的法律规范，本文只考虑此阶段废旧建材到最终处置地 点的运输能耗。 因此，这一阶段的能耗计算公式可表述为: ,distrans recycletrans was eee=+ （2-11） , 1 n trans recycleiiic i emrdt = = （2-12） 南京航空航天大学硕士学位论文 13 , 1 (1) n trans wasiic i emrdt = = （2-13） 式中， ,trans recycle e废弃建材回收再循环运输过程能耗，(kj); ,trans was e废弃建材运往最终处置地点的耗能。(kj); i r 循环回收废旧建材的比率。 i d 建筑材料从建筑工地运到建材加工厂的平均距离，公里(km); 2.4 模型简化与处理 建筑作为一个复杂的产品系统，尽管将研究范围限制在能源消耗方 面，所要面临的仍然是一个纷繁浩杂的大系统。迄今为止，分析建筑系 统的许多 lca 研究也都在试图把 lca 方法应用于这些个别的、 特定的实 体建筑中，但得出合适的结果仍比较困难。在建筑的每个生命周期阶段 当中，能源使用也都异常复杂。以建筑材料的准备阶段为例，一栋建筑 的建成往往需要几十种不同的基本材料、上千件单独的产品以及数以万 吨计的建筑材料总量。这些材料和产品的获取和生产加工工艺往往又各 有不同，因此其所消耗的能量也各不相同。此外，建筑物在使用过程中 的修缮和维护也需要消耗一定数量的建筑材料，它们在准备过程所消耗 的能源也必须被整合入此阶段的能源消费。因此，任何建筑的数据收集 和分配决策都远远超出了大多数研究小组的能力所及，不得不设立大量 默认的假设，但即使是这样，研究工作仍很复杂 16。 基于本课题，对公式进行简化，并作以下假设与简化。 1 只考虑保温材料的能量消耗状况，其他建筑材料并不涉及。 2 由于建筑物材料复杂，保温材料各式各样，同种保温材料不同厂 商消耗的能量也不同，因此，无法求出保温材料精确的生命周期能耗， 本文大胆采用保温材料的价格来代替生产阶段的能耗，即认为保温材料 的单价已能代表单位保温材料的能源消耗水平，其它阶段的能源消耗情 况也转换成货币形式。能源消耗模型转变为经济学模型。 3 废旧建材处置阶段又为可回收建材处理能耗和不可回收建材处理 能耗。由于我国在建筑法规上尚无确切规范，且考虑可再生时计算比较 复杂，本文假设废弃保温材料为不可再生，只需计算废旧建材运送到垃 圾处理场的耗费。 4 采暖空调运行费用只考虑外墙传热所造成的负荷,冷风渗透的耗 基于成本的墙体保温层厚度多学科优化研究 14 热量、室内热源等不直接响围护结构的传热，因此可以不考虑。 5 建筑物施工与拆除阶段的能耗与保温材料种类有关,而与保温层 厚度没有关系，即这两个阶段的耗费可以忽略。故可以简化为三个阶段 费用：保温材料生产费用，材料运输费用,采暖空调运行费用。 通过以上假设，单位面积外墙的总费用由保温材料生产耗费，运输 耗费和建筑物采暖空调运行耗费三部分组成。即 totmanutransuse cccc=+ （2-14） （1） 保温材料生产耗费 保温材料生产阶段费用分为建造施工阶段的保温材料生产费用和维 修时候的保温材料生产费用， ,manumanu prodmanu renov ccc=+ （2-15） 式中， ,manu prod c建造施工阶段保温材料的耗费。 ,manu renov c 维修阶段的保温材料耗费； 由于维修保温材料费用是将来值，保温层第一次维修在 mat y年后， 第二次在 2 mat y年后。所以要转化成现值。 计算公式分别为 , (1/100) manu prodf cmwc=+ （2-16） , 1 (1) mat n manu renovmanu prod iy i cc i = + （2-17） 其中，ml=，1 bui mat y n y =， i表示表示改进的银行利率,可以用下式计算 当 gi 时， 1 gi i i = + （2-19） 式中,m保温材料单位面积使用量，(kg/m2)或( 3 m/m2)； 南京航空航天大学硕士学位论文 15 保温材料的密度，( 3 /kg m )； l保温层的厚度，(m)； w表示在建造过程中保温材料被废弃的比率，(%)； f c为单位保温材料的价格，元/kg 或元/ 3 m； bui y建筑物的使用寿命，单位(年)，一般为建筑物主体结构使用年 限； mat y保温材料的使用寿命，单位(年); n保温材料要更换的次数, 表示对结果取整； g通货膨胀率； i