长沙市居住建筑保温层最佳厚度的研究

长沙市居住建筑保温层最佳厚度的研究

随着经济的快速发展，建筑能耗的比例不断增加。2004年，中国的建筑能耗占社会总能耗的25.5%，预计2020年，总建筑面积能耗将增加到社会总能耗的35%。据统计，中国用于供暖的通用设备的能耗占总建筑面积的55%以上。提高围护结构的保温性能，可减少空调的能耗，但又增加了建筑材料成本，使保温层的使用寿命有限。因此，在回波率和保温层设计时，考虑到保温层投资和回波率，存在最小保温层厚度值，称为最佳厚度。目前,中国对保温层最佳厚度的研究很少,寿命周期法是保温层最佳厚度最为普遍的计算方法,即利用采暖度日数进行能耗计算,通过建立外墙保温层最佳厚度数学模型,探讨外墙总费用最低的最佳保温层厚度和节能效益.以前的研究均没有考虑太阳辐射对外墙传热的影响,在保温层最佳厚度计算时只考虑了冬季采暖能耗,忽略了保温层对夏季制冷能耗的影响.此外,缺乏对保温材料经济优越性评价的研究.因此本文提出运用等效空调度日数和采暖度日数及P1-P2经济性模型来计算居住建筑寿命周期内保温层最佳厚度的方法,并对长沙市居住建筑8个朝向和3种外表面颜色的典型外墙的保温层最佳厚度进行了计算.1内部空调和供暖能耗的耗带1.1等效空调+采暖季空调度日数和采暖度日数是最简单最直接的建筑能耗分析方法.国外一些学者根据经验公式计算室外综合温度,用以替代室外平均温度,使建筑围护结构能耗计算更加准确合理,但这种方法涉及参数多,多种参数假设取值使准确性降低,综合温度亦不能反映太阳辐射对不同朝向墙体传热的影响.同时,空调度日数和采暖度日数与空调系统的运行并不相符,需要确定反映空调系统运行的空调季和采暖季,才能更加准确地计算制冷能耗和采暖能耗.等效空调(采暖)度日数定义为,在空调季(采暖季)中当某天室外日平均综合温度高于(低于)基础室温时,将高于(低于)基础室温的度数乘以1d,所得出乘积的累加值.墙体各朝向计算公式如下:CDD*=ΝC∑j=1(Τsa-Τb)j=ΝCΔΤDC‚Τsa≥ΤbCDD∗=∑j=1NC(Tsa−Tb)j=NCΔTDC‚Tsa≥Tb;(1)ΗDD*=ΝΗ∑j=1(Τb-Τsa)j=ΝΗΔΤDΗ‚Τsa≤Τb.(2)HDD∗=∑j=1NH(Tb−Tsa)j=NHΔTDH‚Tsa≤Tb.(2)式中:CDD*为等效空调度日数;HDD*为等效采暖度日数;NC,NH分别为空调季和采暖季计算天数;ΔTDC,ΔTDH分别为空调季和采暖季等效温差,各朝向墙体的等效温差有所不同,℃;Tsa为墙体某朝向室外综合温度,℃;Tb为基础室温,冬季取18℃,夏季取26℃.墙体各朝向等效空调(采暖)度日数数值不同,更适合计算墙体负荷.室外气象资料取自于中国气象局气象信息中心气象资料室及清华大学建筑技术科学系提供的建筑热环境分析专用气象数据集.文献研究确定了夏热冬冷地区长沙市居住建筑空调季为6月1日到9月15日,采暖季为11月15到次年3月15日,并对空调季和采暖季内等效温差的计算进行了研究,根据模拟软件eQUEST计算的墙体负荷和已知的传热系数及面积,反算得出不同外表面颜色时各向墙体的空调季与采暖季等效温差.长沙市各朝向等效空调度日数CDD*和等效采暖度日数HDD*如表1所示.1.2外墙采暖能耗分析冬季单位面积外墙的瞬时热损失为:qw=kw(Tb-Tsa).(3)式中:qw为单位面积外墙热损失,W/m2;kw为外墙的传热系数,W/(m2·K).当采暖季Tsa≤Tb时,单位面积外墙损失的热量Qw,H可用下式计算:Qw,Η=86400kwΝΗ∑j=1(Τb-Τsa)j=86400kwΗDD*.(4)Qw,H=86400kw∑j=1NH(Tb−Tsa)j=86400kwHDD∗.(4)当空调季Tsa≥Tb时,单位面积外墙热量Qw,C为:Qw,C=86400kwΝC∑j=1(Τsa-Τb)j=86400kwCDD*.(5)Qw,C=86400kw∑j=1NC(Tsa−Tb)j=86400kwCDD∗.(5)假设保温材料在墙体中位置的变化对墙体传热系数无影响,则外墙总传热系数kw可表达为:kw=1Ri+Rw+Rins+Ro.(6)kw=1Ri+Rw+Rins+Ro.(6)式中:Ri和Ro分别为室内和室外空气的热阻,m2·K/W;Rins为保温层的热阻,Rins=x/λins,x为保温层厚度,m,λins为保温材料的导热系数,W·m/K.无保温层与有保温层外墙总传热系数之差可表示为:Δkw=1Rwt-1Rwt+Rins.(7)其中Rwt为基层墙体的总热阻,Rwt=Ri+Rw+Ro.长沙地区位于夏热冬冷气候区,根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ134—2001)的规定,在对该地区居住建筑进行能耗分析时,设制冷设备为间歇式电制冷空调器,空调额定能效比EER取2.3;采暖设备部分使用电热型风冷热泵空调器,部分仍使用电热型采暖器,综合采暖额定能效比η取1.9.单位面积外墙采暖能耗费用Ew,H可表达为:Ew,Η=CF86400kwΗDD*LΗVη.(8)式中:CF为燃料的单价;LHV为燃料的低热燃烧值,对于电热型风冷热泵空调器和采暖器,LHV=3.6×106J/(kW·h).此时外墙采暖费用可表达为:Ew,Η=CE0.024kwΗDD*η.(9)其中CE为电的单价,元/(kW·h).夏季空调耗电费用为:Ew,C=CE0.024kwCDD*EER.(10)2储层的最佳厚度2.1保温层存储成本美国学者Duffie提出了P1-P2经济性模型分析方法,可用于保温层最佳厚度的计算,表达式为:Ρ1=ΡWF(Νe,i‚d)=Νe∑j=1(1+i)j-1(1+d)j={1d-i[1-(1+i1+d)Νe]‚i≠d,Νe1+i‚i=d；(11)Ρ2=D+(1-D)ΡWF(Νmin‚0‚d)ΡWF(ΝL‚0‚m)+ΜsΡWF(Νe,i,d)-Rv(1+d)Νe.(12)式中:P1为能耗费用(节能费用)在经济性分析年限Ne内总支出的现值因数,即经济性分析年限内总能耗费用(节能费用)与首年的比值;d为市场贴现率;PWF为现值因数;i为燃料价格的年增长率;P2为分析年限Ne内对保温层的支出资金总额(包括维修费等)与初投资的比值;D为首付百分比;Ms为年维修费与初投资的比值;Rv为再售价与初投资的比值;NL为贷款期(年)限;Ne为经济性分析期(年)限,取保温材料的寿命周期;Nmin取Ne与NL较小的一个;m为贷款利率.单位面积保温层的成本可用下式计算:Cins=Cix+Cp.(13)式中:Cins为保温层成本,元/m2;Ci为保温材料单价,元/m3;x为保温层厚度,m;Cp为其他综合费用,元/m2,包括保温系统其他材料费、人工费、不可预见费用等.在寿命周期内总投资现值LCT为保温材料投资与空调供暖能耗总投资现值之和,可表示为:LCT=P1(Ew,H+Ew,C)+P2Cins.(14)寿命周期内净现值LCS为空调供暖所节能费用现值与投资费用现值之差,即LCS=0.024Ρ1CEΔkw(CDD*EER+ΗDD*η)-Ρ2Cins.(15)不考虑保温材料的技术难度,假设施工均可行,则寿命周期内总投资费用现值LCT最小或寿命周期内收益净现值LCS最大时为最优保温层厚度,令公式(14)或(15)对保温层厚度x的偏导数为零,得出保温层最佳厚度xop的计算公式为:xop=√0.024Ρ1λinsCEΡ2CiDD-Rwtλins‚(16)DD=CDD*EER+ΗDD*η.(17)2.2保温层最佳厚度取该地区典型墙体(20mm石灰砂浆+190mm空心砖+20mm水泥砂浆,R=0.49m2·K/W),对5种常见保温材料最佳厚度进行计算.假设各保温层其他综合费用为45元/m2(其他材料费需要25元/m2,人工费15元/m2,不可预见费用取5元/m2).保温材料的特性参数及价格如表2所示,经济性参数见表3,长沙电价取0.59元/(kW·h).图1为长沙市8个朝向3种颜色墙体的5种保温材料的最佳厚度图.最佳保温层厚度由低到高分别为聚氯乙烯、聚氨酯、挤塑聚苯乙烯、膨胀聚苯乙烯和珍珠岩,范围为6.5～23.6cm.不同朝向墙体中南向保温层最佳厚度最小,其次为东南和西南,东北向保温层最佳厚度最大,各保温材料由于朝向的不同最大相差0.9～4cm.因此,由于外墙朝向的影响,不同朝向的外墙,其保温材料宜采用不同厚度.外表面颜色对东向和东北向的墙体保温层最佳厚度的影响较大,且颜色越深,保温层厚度越大.图2和图3分别显示了20年寿命周期内的最佳厚度保温层的总投资现值LCTop以及收益净现值LCSop.材料的种类是导致保温层最佳厚度、LCTop和LCSop有显著差异的最大原因,5种保温材料的LCTop由大到小依次为聚氯乙烯,珍珠岩,聚氨酯,挤塑聚苯乙烯,膨胀聚苯乙烯,范围在142～239元/m2;5种保温材料的LCSop递减顺序恰好相反,范围为136.9～329.8元/m2;膨胀聚苯乙烯寿命周期内总投资现值最低,收益净现值最大,不同外表面颜色的各朝向墙体其最佳厚度为15.3～18cm,LCTop为136.9～152.7元/m2,LCSop为225.8～329.8元/m2.朝向和墙体外表面颜色对保温材料的LCTop影响相对较小,各保温材料东北向LCTop最大,高于南向(最小)7.4%～13.7%;浅颜色的外墙LCTop最小,由浅色变为深色时,LCTop增加约0.6%;朝向和墙体外表面颜色对LCSop影响均较大,各保温材料东北向LCSop最大,高于南向(最小)30%～38.5%;深色外表面颜色时LCSop最大,由浅色变为深色,LCSop增加2.0%～19.4%.保温材料的导热性能与造价是两个重要因素,需要综合考虑以确定最优的保温材料.因此,引入性价指标CA对保温绝热材料进行技术经济评价的优选方法:即用保温材料的单位体积价格乘以其导热系数,乘积越小者,技术经济效果越好;以北向中间色墙体为例,图4显示了保温材料的CA与LCTop和LCSop的耦合关系,随着保温材料CA的增加,LCTop呈幂函数趋势增加,同时LCSop呈幂函数降低.根据5种保温材料CA值,可以比较出5种保温材料技术经济优越性依次为聚氯乙烯<珍珠岩<聚氨酯<挤塑聚苯乙烯<膨胀聚苯乙烯.墙体的保温层最佳厚度与气候条件、现值因数、基层热阻、保温材料的导热系数等很多因素有关.图5显示了基层墙体热阻对保温层最佳厚度的影响,随着基层热阻的增加,保温层最佳厚度呈线性递减,导热系数越大者,其最佳厚度下降越快.因此在5种保温材料中珍珠岩最佳厚度下降最快,其他材料最佳厚度均缓慢下降.现值因数PWF包括寿命周期、能源价格的增长率以及贴现率3个参数,图6显示了PWF对保温层最佳厚度的影响,随着PWF的增加,保温层最佳厚度有不同程度的增加,其导热系数越大者,增加的速度越快.DD值包括气象参数及空调及采暖系统能效比的影响,不同地区乃至相同地区不同朝向均不相同.图7显示了随着DD增加,保温层最佳厚度以幂函数趋势增加.3保温层最佳厚度计算空调建筑采用保温层最佳厚度,可以防止根据经验选择绝热材料厚度所造成的综合效益损失,因此最佳保温层厚度的计算对建筑节能和建筑市场的发展具有重要的指导意义.本研究的目的在于为设计师提供了一种选择保温材料及计算最佳保温层厚度的方法,能保证外墙在保温层寿命周期内所产生的全年能耗费用和保温层造价之和最低及收益最大.该方法不仅适用于夏热冬冷地区,还适用于其他气候区以及不同供热方式的保温层最佳厚度的求解.本研究在计算过程中忽略了保温材料施工技术的难度和由于保温材料的不同导致其他综合费用的差异,计算结果仅供设计师参考.4保温层材料性价本文考虑了太阳辐射对各朝向外墙的传热影响,提出了用等效空调和采暖度日数及P1-P2经济性分析模型来计算寿命周期内保温层最佳厚度的方法,对长沙市居住建筑不同外表面颜色和8个朝向的典型外墙的5种保温层最佳厚度进行计算,分析了现值因数、基层热阻和气候因素对5种保温材料最佳厚度的影响,并提出根据保温层材料的性价指标来比较材料优越性的方法.结果表明,长沙地区最佳保温层厚