286建筑物围护结构节能材料的优化设计分析.doc

建筑物围护结构节能材料的优化分析长春工程学院 马 爽摘 要：本文依据民用建筑节能设计标准，在实现总体节能50%，建筑物围护结构节能应达到30%的要求。以静态传热模型为基础，采用模糊综合评判的方法，建立以耗热量指标比、单位热阻造价比、材料的性能和环境影响品质值为变量的目标函数。编制计算模型，根据市场调研建立供计算模型使用的数据库，计算分析在三种不同约束条件下：窗墙面积比变化、定造价、定材料时最优围护结构的组合。关键词：围护结构组合；耗热量指标；经济性；劣度Optimization analyse of energy saving of construction envelop configurationChangchun Institute of Technology MA ShuangAbstract: This paper according to construction energy conservation criterion, if want to achieve energy conservation 50% in total, then the envelop configuration of buildings whose energy conservation must to reach 30%. Base on diathermanous static state model establish a target function which variables are index of energy consumption and cost of per heat barrier, to analyze the indexes of variable conditions of the construction, then achieve the optimal resultants of envelop configuration.Key words:envelop configuration; index of energy consumption; economical factor; inferior degree我国建筑目前普遍存在耗能大、效率低、围护结构的保温隔热性能差等问题，并具有夏季空调用电量大、冬季采暖能耗高的特点。由于采暖和空调能耗太高，我国房屋建筑普遍达不到节能要求。目前我国现有房屋建筑面积达到400亿m2，已超过所有发达国家。近几年每年房屋竣工面积约20亿m2，但只有50006000万m2是节能建筑，尚不足3%，也就是说有97%的房屋属于高耗能建筑。因此如何实行建筑节能，降低能源消耗和环境污染，提高能源利用效率，是我国可持续发展必须研究解决的重大课题1,2。为了更好的发展建筑节能，真正做到有效的利用能源，不仅仅要在墙体、窗户亦或是地面或屋顶中的某一单方面上下功夫，更合理的节能措施是要综合起来，做到系统地节能，并且考虑节能性的同时，又不失对经济性的重视。本论文的出发点就在于此，通过全面地收集现阶段较为普遍应用的节能材料，将建筑节能的概念应用到整个建筑物的围护结构保温材料中。进行整体的评价，综合运用能量消耗、经济性、环境影响、材料性能等方面来评价围护结构组合的优劣性。1 围护结构模型1.1 物理模型本文物理模型的建立是基于简化的原则，假设建筑物为典型的多层住宅楼，形状为规则的六面体，不同朝向的外墙上开有不同面积的窗户；屋面与室外空气直接接触，需要考虑保温处理的围护结构；地面与室外土壤直接接触，根据非保温地面的传热系数，只有第一地带的传热系数不满足节能要求，所以，只需对第一地带的地面进行保温处理，即是距外墙2m以内的地面。1.2 目标函数的建立准则：围护结构组合优劣性，是建筑物围护结构的耗热量指标比值、单位热阻造价比值、围护结构材料性能和环境影响四个因素的综合评价。解决问题的方法是引入一个新的无量纲数，称其为劣度。为围护结构耗热量指标比值、单位热阻造价比值、材料性能品质和环境影响品质四者分别加权的和。耗热量指标比值，是由优化围护结构组合的耗热量指标与原始围护结构组合耗热量指标相比得出；单位热阻造价品质同理；材料性能和环境影响的数值，则由将定性的评价定量化得到。这四个变量，分别从不同的方面考察围护结构组合的品质。对于围护结构的节能性和经济性，相应比值越小表示节能性和经济性越好，其劣度越低，而材料性能因素和环境因素的品质值越大代表材料越好，所以，将性能品质和环境影响品质的值分别取倒数，再进行加权，最终劣度的值的最小者，即为优化的最终结果。建立目标函数的数学形式如下：式中劣度，由耗热量指标、单位热阻造价、材料性能和环境影响四者影响；优化选用的围护结构的耗热量指标，W/m2；原始围护结构的耗热量指标，W/m2；耗热量指标比值的权重；优化选用的围护结构系统单位热阻造价，元/m2m2/W；原始围护结构系统单位热阻造价，元/m2m2/W；单位热阻造价比值的权重；围护结构材料性能因素的品质；围护结构材料性能因素的品质的权重；围护结构材料环境影响的品质；围护结构材料环境影响的品质的权重。诚然，的最小值是0，表示该组合的耗热量指标和单位热阻造价均为0，材料性能各方面都极好（= ），对环境毫无不利影响（= ），这是最优情况，也是不可能实现的情况。无上限，但如果围护结构均为节能材料，中耗热量指标比是小于1的，因为其对比基准是最原始的无保温措施围护结构的耗热量指标；而对于单位热阻造价比，考虑到建筑物围护结构保温节能材料的日益更新，材料的价格波动也较大，故无确切的比值可以估计，如果技术的产业化发展的迅速，有可能比值就小于1，但若技术的发展滞后于经济的发展，那么第二部分的比值则大于1，各种材料更新后两个影响因素的值也是波动的、不确定的。从各种因素对最优化评价的影响考虑，随着日后有更权威的数据加入到目标函数中，此权值会相应改变的。2 计算模型2.1 模型目标设计通过模型计算，可以使建筑物围护结构材料的选用更规范化、快捷化，更有实用价值，从而达到节能性、经济性及其他综合效益的同时实现。模型制定的总体任务是实现对现有围护结构材料的优化组合，计算各种组合情况下的耗热量指标、单位热阻造价、材料性能和环境影响品质，并提供给定条件下优化组合供建筑物设计者参考选择。图 2 数据流程图2.2 数据库概念结构设计实体关系模型（Entity-Relationship Module，简称E-R模型），E-R图中的矩形表示实体，菱形表示实体间的联系，联系的类型可用1：1或M：N表示，椭圆表示实体的有关属性。图 3是模型的E-R图。图 3 数据库实体关系模型2.3 优化综合评价模块综合评价是在各分项计算的基础上进行的。同时可以分别评价分析单项影响因素最优的围护结构组合，也可以根据需要改变约束条件，例如改变工程的总造价、改变各影响因素的权重,如图4所示。图 4 优化评价模块3 约束条件变化材料分析3.1 窗墙面积比变化由模型计算得知，无论窗墙面积比如何变化，最优的围护结构组合中，墙体材料均为“240空心砖+100岩棉”；由于“单层塑钢窗+单框双玻”和“单层木塑钢窗+单框双玻”这两种窗户的传热系数相同，所以，两者的节能性相同，但由单位热阻造价比值可以看出，采用木窗时，比值小于采用塑钢窗，显然，这是由于木窗的单价低于塑钢窗很多；屋面材料为“80挤塑聚苯+180钢混圆孔板”。作为承重层的“粘土砖”和作为保温层的“岩棉”，两者具有明显的用量优势。就经济性而言，“加气混凝土”更优于“空心砖”。“聚苯板”保温层的节能经济性也很好，在窗墙比为0.35和0.4时，它和“岩棉”的用量是很接近的。考虑单位热阻造价时，“加气混凝土”和“钢混”屋面板有几乎相同的用量，“水泥聚苯板”是最好的屋面保温材料，“聚苯板”仅次于它。3.2 定造价模型房间造价为2000元时，由于经济条件的限制，“粘土砖”墙体更易满足其要求，而不论是墙体保温材料，还是屋面保温层，“聚苯板”都是最理想的。窗户类型则为各种木窗。造价为3000元时，墙体结构中，混凝土砌块墙体的优势相对突出一点。“聚苯板”与“岩棉”的墙体保温层用量几乎均等；窗墙比为小于等于0.5时，塑钢窗的份额与木窗接近，当窗墙比为大于等于0.5时，木窗就大大超过了塑钢窗；“挤塑型聚苯板”保温屋面有较好的节能性。在定造价的条件下，只考虑耗热量指标比值，优化出的围护结构组合的综合劣度只是随窗墙面积比的增大而线性增加；如果考虑单位热阻造价比，围护结构的劣度值不规则变化。对比两种约束条件下的劣度值可以看出，考虑耗热量指标比的劣度值更低一些，即是由此条件优化出的围护结构组合有更好的综合品质。综合来看，墙体结构中，混凝土砌块墙体的优势相对突出一点。“聚苯板”与“岩棉”的墙体保温层用量几乎均等；窗墙比为小于等于0.5时，塑钢窗的份额与木窗接近，当窗墙比为大于等于0.5时，木窗就大大超过了塑钢窗；“挤塑型聚苯板”保温屋面有较好的节能性。3.3 定材料本文以“混凝土空心砌块”、“空心砖”和“实心粘土砖”墙体材料为例进行分析，综合比较的最优组合分别为“190混凝土砌块+80qb聚苯+单层木窗+单框双玻+80wb挤塑聚苯+130钢混圆孔板”、“ 240空心砖+100qb岩棉（80聚苯）+单层木窗+单框双玻+80wb挤塑聚苯+130（180）钢混圆孔板”、“ 240粘土砖+80qb聚苯+单层木窗+单框双玻+80wb挤塑聚苯+180钢混圆孔板”。各种组合的劣度值都会随着窗墙面积比的增大而增大，所以实际情况中根据所需进行选择组合。三种材料各个指标对比分析如下： 图 5 分项比较 (1) 图 6 分项比较 (2)图 7 分项比较 (3)由分析比较图可以明显地看出，有“空心砖”的围护结构组合的节能性较好一些，单位热阻造价比在窗墙面积比小于0.35时也是最小的；而有“粘土砖”的围护结构组合的环境影响和材料性能都比另两种材料的组合差一些；造价上三者却相差无几；最终的劣度也是“粘土砖”的值最高，“空心砖”稍微低于“混凝土空心砌块”一点。4 结论本文建立了规则建筑物的物理模型和模糊综合评判数学模型，将建筑物围护结构的耗热量指标比、单位热阻造价比、材料性能以及环境影响四个指标值作为模型的分析项。建立了围护结构材料墙体、窗户和屋面的数据库，供给算模型调用。材料数据库有无限的扩张性，使用者可以将原始数据库中不存在的材料添加进去。随着数据库内容的扩充，此优化计算模型输出的结果会相应发生变化，所以，此模型有一定的实用性。文中各种材料的传热系数和价格来源并不统一，与实际工程中的数据也会有一定差距。本文采用的模糊综合评判方法，在权重确定上缺少足够客观的数据，就会影响最终优化组合的准确性。由于搜集的材料数量有限，优化模型的