唐明伟预制混凝土夹心保温外墙保温层低碳设计研究

目录181541前言 前言在全球气候治理的紧迫背景下，建筑行业作为能源消费的关键领域，亟需通过系统性变革实现低碳转型。根据国际能源署（IEA）的最新研究数据，建筑运营阶段的能耗约占全球终端能源消费的36%，其碳排放量更达到全社会总量的39%。这一现状凸显出提升建筑能效的战略意义——特别是在供暖与制冷系统优化方面，2010-2050年间住宅与商业建筑的温控需求将分别激增79%和84%的情况下[1]。当前，构建全生命周期的碳减排体系已不仅是技术层面的升级需求，更是建筑业履行《巴黎协定》承诺的核心抓手。通过被动式设计、可再生能源整合及智能管理系统等创新手段，行业完全可能将能效标准从“达标项”转化为“竞争力指标”，从而在保障人居舒适度的前提下，重塑建筑与环境的新型共生关系。由于气候变化导致的极端天气事件（如暴雨、干旱、台风等）对建筑物的设计和建造提出了新的要求，建筑行业需要综合考虑建筑物的抗震、防火、保温等方面，以提高建筑物的适应性和抗灾能力[2]。本文通过建立的综合经济分析模型分析预制墙体保温层的经济性和减碳效果，用以优选最佳的预制墙体保温层低碳设计方案，减少装配式建筑的能耗和碳排放。目前，将装配式建筑技术与低碳设计理念相结合的建筑形式，因其具有节能环保、快速施工、灵活性和可持续发展等优势，有很大发展前景。随着技术的不断创新和政策的支持，低碳装配式建筑将在未来得到更广泛的应用和推广。2预制混凝土夹心保温外墙保温层低碳设计研究方法2.1预制混凝土夹心保温外墙保温层低碳设计研究方法概述本文综合考虑预制混凝土夹心保温外墙保温层经济性能和碳排放的影响，通过修改传统建筑外墙保温层P1-P2经济分析模型，给出了一种预制墙体保温隔热低碳设计优化方法，可用于优选预制混凝土夹心保温层最佳低碳设计优化方案[3]。图2.1给出预制墙体保温隔热低碳设计优化方法的流程图。由于预制混凝土夹心保温外墙是在工厂进行预制，所以墙体保温层厚度的变化不影响现场施工[3]。图2.1预制混凝土夹心保温外墙隔热低碳设计优化方法流程图2.2预制墙体构件全生命周期碳排放量的测算2.2.1预制墙体构件生产阶段的碳排放在预制墙体构件生产阶段，对所使用的材料进行碳排放计算。这包括墙体的主要构成材料，如混凝土、钢筋、保温材料等。通过对每种材料的生产过程、能源消耗和碳排放情况进行分析，计算出每种材料的碳排放量[4]。预制混凝土夹心保温外墙的生产阶段工艺的完善和优化，有助于提高生产效率、降低生产成本，同时提高预制混凝土夹心保温外墙产品的品质和可靠性，生产阶段流程如图2.2。图2.2预制墙体构件生产阶段流程图生产阶段的废物利用率按1.5%考虑。生产阶段是预制墙体构件碳排放的主要来源，单位面积预制墙体的碳排放清单和材料特性参数见表2.1。不同保温材料的预制墙体生产阶段碳排放量和单位面积碳排放量见表2.2。表2.1预制墙体的碳排放清单和材料特性参数材料名称导热系数W/m·K密度kg/m3比热容J/kg·K消耗量碳排放因子kgCO2e/单位碳排放量kgCO2e混凝土C301.74250092032.945m³29510204.714热轧钢筋0.03578500.484.958t234012181.806钢材0.03578500.480.500t20501076.250EPS板0.039252414.800.286m³50201435.721用电量60.890kWh0.776949.671人工23.150表2.2不同保温材料的预制墙体生产阶段碳排放量不同保温材料的预制墙体膨胀聚苯乙烯EPS挤塑聚苯乙烯XPS聚氨酯PU岩棉RW碳排放量kgCO2e24971.31024665.13025410.09225223.738单位面积碳排放量kgCO2e/m2296.430292.795301.531299.4272.2.2预制墙体构件运输阶段的碳排放预制墙体在生产完成后需要运输到施工现场，包括从原材料生产地到施工现场的运输以及墙体组件的运输等。通过考虑运输距离、运输工具的能效和燃料类型等因素，进行碳排放量的计算[5]。混凝土的默认运输距离是40km，其他建材的默认运输距离为500km。这意味着在建筑工程中，混凝土的供应尽量选择距离工地较近的供应商，以减少运输成本和能源消耗。而对于其他建材，可以更广泛地选择供应商。预制构件运输流程如图2.3。图2.3预制墙体构件运输阶段流程图通过对哈尔滨市内运输公司的走访，收集了运输过程中常用车辆的种类和行驶的总距离。不同卡车对应不同的油耗水平。在运输过程中，一般物料的运输采用20t卡车，特殊物料的运输采用29.5t卡车，碳排放因子为0.115kgCO2e/(t·km)。这两辆卡车每百公里的油耗分别为20L和35L。预制墙体运输阶段碳排放清单见表2.3。不同保温材料的预制墙体运输阶段碳排放量和单位面积碳排放量见表2.4。表2.3预制墙体运输阶段碳排放清单材料名称消耗量单位重量（t）碳排放因子kgCO2e/(t·km)碳排放量kgCO2e混凝土C3032.945m³76.2840.104529.961热轧钢筋4.958t4.9580.115476.092钢材0.5t0.50.11548.013EPS板0.61t0.610.11558.575表2.4不同保温材料的预制墙体运输阶段碳排放量不同保温材料的预制墙体消耗量预制墙体重量（t）碳排放因子kgCO2e/(t·km)碳排放量kgCO2e单位面积碳排放量kgCO2e/m2EPS夹心保温预制墙体0.286t82.6360.1151112.64013.208XPS夹心保温预制墙体1.608m³91.7820.1151208.70414.348PU夹心保温预制墙体0.342t85.6920.1151118.01813.272RW夹心保温预制墙体0.812t86.1620.1151163.15013.8082.2.3预制墙体构件施工阶段的碳排放通过对施工过程中的能耗和排放情况进行分析，计算出施工过程中的碳排放量[6]。对居民人均能源消耗的相关碳排放量进行折算，得出在施工现场人工碳排放因子为6.61kgCO2e/人·工日。预制混凝土夹心保温外墙施工阶段有序、高效进行，可以确保墙体的质量和性能达到设计要求，并进一步提高施工效率和施工质量。预制混凝土夹心保温外墙的施工阶段可以分为以下几个工艺流程，如图2.4。图2.4预制墙体构件施工阶段流程图通过施工现场调研和专家咨询，在现场装配过程中，收集了某地铁公司建设的多个项目的日常施工用电和柴油费用账单，计算出平均每日用电和柴油消耗。计算出预制墙体施工过程中产生的碳排放量[7]。预制墙体施工阶段碳排放清单如表2.5所示。由于现场对于不同保温材料预制墙体构件的施工流程基本相同，故不同保温材料的预制墙体在施工阶段的碳排放量相同。表2.5预制墙体施工阶段碳排放清单能源名称日均消耗量单位墙体施工天数（天）碳排放因子碳排放因子单位柴油46.77L572.59TCO2/TJ电力67.6KWh50.777kgCO2e/KWh人工6人56.61kgCO2e/（人·工日）总计989.39kgCO2e单位面积碳排放量11.74kgCO2e/m22.2.4预制墙体构件使用运行阶段的碳排放在运行使用阶段预制墙体本身并未增加额外的能耗，反而因为使用不同的保温材料，减少了建筑物使用空调而产生的能耗。在哈尔滨住宅建筑中，建筑产生的能耗主要来自采暖所产生的，建筑材料是建筑运行阶段的主要碳排放来源，照明系统和家用电器产生的碳排放微乎其微，可忽略不计[8]。不同保温材料的预制墙体使用阶段碳排放清单如表2.6所示。表2.6不同保温材料的预制墙体运输阶段碳排放量不同保温材料的预制墙体使用寿命（年）空调系统年均电消耗量(kW·h)/m2电力碳排放因子kgCO2e/kWh碳排放量kgCO2e单位面积碳排放量kgCO2e/m2EPS夹心保温预制墙体20172.490.77692580.14930.628XPS夹心保温预制墙体20173.070.77692989.16135.483PU夹心保温预制墙体20137.120.77692130.57125.282RW夹心保温预制墙体20186.810.77692902.65334.4562.2.5预制墙体构件拆除阶段的碳排放对于建筑废弃物的回收不仅可以减少对环境的污染，还可以回收再利用，产生一定的经济收益。预制构件由于其制作的特殊性，其回收率可高达70%，即由于预制构件的回收可减少的碳排放量为生产阶段的70%[9]。根据研究可知，混凝土及水泥制品回收之后可用于生产再生骨料、回填材料等，钢材等各种金属回收之后可作为粗钢继续使用。保温材料中的纤维素是一种很好的可再生材料，回收之后可以再利用，以减少碳排放。不同保温材料的预制墙体废弃物回收后碳排放减少量清单见表2.7。表2.7不同保温材料的预制墙体拆除阶段碳排放量废物回收材料种类回收利用率（%）碳排放减少量kgCO2eEPS夹心保温预制墙体构件701994.421XPS夹心保温预制墙体构件701802.849PU夹心保温预制墙体构件701784.028RW夹心保温预制墙体构件701811.0702.3建筑预制墙体保温层综合评价指标本文研究给出了一个综合评价指标（b），用于定量比较和优选预制墙体保温层低碳设计方案。通过对预制墙体构件进行全生命周期碳排放量计算和综合经济性分析，基于使用层次分析法（AHP）确定各级指标的权重值，在构件AHP模型时，根据前文计算的碳排放量和经济成本，分析预制墙体保温的各种影响因素在综合评价指标中所占比例[10]。不同保温材料类型预制墙体的综合评价指标，由公式（2-1）计算：b=A.ECB+B.ENB（2-1）式中，ECB是预制墙体保温的环境效益净现值，元/m2。ENB是预制墙体保温经济效益的净现值，元/m2。通过计算预制构件全生命周期碳排放量和综合经济性分析，计算出每个方案的经济分数和环境分数，确定环境权重A和经济权重B，其中A+B=1。对于不同保温设计方案的b数值大小进行比较，b值越大说明该设计方案的综合经济性能越好。对不同的保温设计方案进行对比分析，评估预制墙体保温方案的经济性能，确定最佳的保温隔热低碳设计方案，以最大程度降低建筑成本和碳排放。3严寒地区气候特点和实例建筑3.1严寒地区气候特点我国严寒地区是指最冷月室外平均气温低于-10℃或室外日平均气温低于5℃的地区，我国建筑热工设计分布图，如图3.1所示。由于严寒地区建筑室内外温差较大，导致严寒地区建筑能耗较高，因此，对建筑围护结构热工性能有较高的要求，设置适当厚度的建筑外墙保温层是严寒地区建筑节能的重要要求和技术措施。图3.1我国建筑热工设计分布图本文以哈尔滨地区为例，研究严寒地区预制混凝土夹心保温外墙保温层优化设计。目前，哈尔滨正在积极创建国家装配式建筑示范城市，因此以哈尔滨市某装配式住宅建筑为例，研究的预制混凝土夹心保温外墙保温层优化结论更具代表性。哈尔滨在严寒地区属于中温带大陆性季风气候，冬长夏短，常年气温较低且温差大，导致建筑能耗较高，冬季寒冷且持续时间较长[11]。哈尔滨地区逐日干球温度统计和逐时太阳辐射如图3.2所示，图中包含哈尔滨市日均温度、日最高温度和日最低温度。图3.2哈尔滨逐日干球温度和逐时太阳辐射3.2实例建筑3.2.1建筑项目概况本研究以哈尔滨地区某典型装配式住宅建筑为例，结构体系为全装配式预制混凝土，该建筑为两层住宅小别墅建筑，无地下室。建筑尺寸长×宽×高为10.8m×7.8m×6.9m，一、二层层高分别为3.3m、3.6m，建筑面积168.48m2，使用CAD软件绘制该建筑一层平面图，如图3.3。图3.3建筑一层平面图在本研究案例中，采用预制混凝土夹心保温外墙板作为围护结构的构造材料。该墙板的模型尺寸长×宽×高为1.5m×1.5m×0.31m。墙板的总厚度为310mm，其中外墙板厚度60mm，夹心保温层以EPS为例进行模拟，其厚度为140mm，内墙板厚度80mm，饰面层厚度为30mm。预制混凝土夹心保温外墙基本构造示意图如图3.4所示。图3.4预制混凝土夹心保温外墙基本构造示意图3.2.2预制墙体保温材料本研究选取了四种常用的保温材料作为预制墙体夹心保温的材料，分别为膨胀聚苯乙烯（EPS）、挤塑聚苯乙烯（XPS）、聚氨酯（PU）和岩棉（RW）。常用的围护结构保温隔热材料各自具有独特的特点和适用范围，下面对它们进行详细介绍：（1）膨胀聚苯乙烯（EPS）：EPS是一种轻质、多孔的保温材料，具有良好的保温性能和隔热性能。它具有导热系数低、抗压性能良好和吸水性能较低的特点。EPS适用于墙体、屋面和地板等部位的保温隔热[12]。（2）挤塑聚苯乙烯（XPS）：XPS是一种高密度、闭孔结构的保温材料，具有较低的导热系数和较高的抗压性能。它具有良好的防潮性和耐久性，适用于地下室、屋面、墙体和地板等保温性能要求较高的部位[13]。（3）聚氨酯（PU）：PU是一种多功能的保温隔热材料。它由聚醚或聚酯与异氰酸酯反应生成的聚合物组成。它具有良好的粘结性和施工性能，适用于墙体、屋面和地板等部位的保温隔热。（4）岩棉（RW）：RW是一种以天然岩石为原料制成的无机纤维材料。它通过高温熔融岩石并喷出纤维，然后经过加工制成板材或毡状材料。具备良好的抗压性和耐久性，适用于墙体、屋面和管道等部位的保温隔热[14]。案例建筑围护结构使用预制混凝土夹心保温外墙其保温层热工参数的具体数据如表3.5所示。表3.5预制混凝土夹心保温外墙保温层热工参数材料名称导热系数W/m·K密度kg/m³比热容J/kg·K成本（元）碳排放因子kgCO2e/单位膨胀聚苯乙烯EPS0.039252414.85005020/t挤塑聚苯乙烯XPS0.030355346.4580669/m³聚氨酯PU0.024302475.213505220/t岩棉RW0.04510012206501980/t4预制混凝土夹心保温墙体保温层低碳设计影响因素分析4.1保温材料类型对预制墙体保温层低碳设计的影响4.1.1保温材料类型本研究通过建立全生命周期碳排放量化模型，采用过程分析法对单位面积内不同保温材料的预制墙体构件全生命周期碳排放量进行计算。图4.1给出了不同保温材料的单位面积全生命周期碳排放量。图4.1不同保温材料单位面积全生命周期碳排放量分析图4.1可知，EPS作为预制墙体夹心保温材料时，单位面积碳排放量最少。RW作为预制墙体保温材料时，单位面积碳排放量最多。EPS、XPS、PU和RW分别作为预制墙体保温材料时，计算的单位面积全生命周期的碳排放量为328.34kgCO2e/m2、332.97kgCO2e/m2、330.77kgCO2e/m2和337.94kgCO2e/m2。4.1.2保温材料厚度图4.2给出了计算的不同保温材料LCT随保温层厚度的变化情况。随着保温层厚度增加，LCT的数值先减少后增加，此时会存在一个特定的最小值，对应着预制墙体保温隔热的最佳保温层厚度。当LCT达到最小值时，EPS、XPS、PU和RW的最佳保温层厚度分别为0.069m、0.059m、0.035m和0.048m，相对应的LCT值分别为140.01元/m2、142.39元/m2、160.61元/m2和151.79元/m2。图4.2给出了计算的不同保温材料LCS随保温层厚度的变化情况。随着保温层厚度增加，LCS的数值则呈先增加后减少的变化，此时会存在一个特定的最大值，对应着预制墙体保温隔热的最佳保温层厚度，LCS值为13.33元/m2、11.66元/m2、-9.17元/m2和2.37元/m2。综合考虑，四种保温材料的优先排序为EPS＞XPS＞RW＞PU。以上现象表明不同保温材料有不同的最佳保温层厚度和经济性能。图4.2不同保温材料的LCT值4.2碳排放成本对预制墙体保温层低碳设计的影响国家的碳税和碳交易为定量确定碳排放成本提供了数据支持和政策支持，对于预制墙体保温层低碳设计而言，碳交易市场的发展可以促进低碳设计的实施，使用低碳保温材料和建筑技术可以降低能源消耗，进而降低碳排放量和经济成本。图4.3给出了计算的不同保温材料LCT总投资增加值随保温层厚度的变化情况。图4.3不同保温材料的LCT增加值考虑碳排放成本后，在相同情况下，随着保温层厚度增加，四种保温材料的投资成本均有所增加，EPS、XPS、PU和RW的LCT值分别增加了1.953元/m2、1.778元/m2、1.101元/m2和1.72元/m2。对图4.3进行分析，计算可知，不同保温材料的LCT增加值增幅为0.58%~1.83%。在考虑碳排放成本对预制墙体保温层低碳设计的影响时，四种保温材料的总投资将会有所增加，但同时四种保温材料的投资净现值也均有所提高。图4.3给出了计算的不同保温材料LCS净现值随保温层厚度的变化情况。考虑碳排放成本后，EPS、XPS、PU和RW的LCS值分别增加了19.81元/m2、17.71元/m2、11.60元/m2和16.47元/m2。对图12进行分析，计算可知不同保温材料的LCS增加值的增幅为8.65%~10.47%。经对比分析，可知LCS值的增幅要比LCT值的增幅高很多。这说明，在建筑设计阶段考虑碳排放成本的影响，可以提高预制墙体保温层的经济效益。5预制墙体保温层低碳设计综合评价指标分析5.1预制墙体保温层低碳设计层次分析结构模型采用yaahp软件对预制墙体保温层低碳设计进行了层次分析，AHP方法将复杂的决策问题分解为多个层次，包括目标层、准则层和方案层，并通过构建对比矩阵来评估各个层次之间的相对重要性，对预制墙体保温隔热低碳设计优化方案进行分析。然后，根据准则的权重和方案的评估，可以计算出各个方案的权重，从而进行对比，找出权重最大的方案，即为最优设计方案。图5.1层次结构模型图采用基于AHP的方法构建了预制墙体保温层低碳设计层次结构模型，详见图5.1。使用AHP在实际工程中进行应用，可以帮助决策者在设计阶段选择更科学、合理的设计方案。5.2评价指标权重的确定对于预制墙体保温层低碳设计综合评价指标值的计算，首先，通过对已有数据进行计算，得出了各个因素之间两两相比较之后的重要性分析结果。然后，将专家的评价和意见导入到yaahp软件的群决策面板中，从而得到了更加准确的各个层次之间的权重数据。这样的做法可以充分利用专家的知识和经验，确保决策过程更加科学和可靠。方案层AHP综合权重指标，通过综合数据计算和专家评价，本文能够更全面地分析和评估各个因素的重要性，为决策提供更可靠的依据。5.3综合评价指标计算基于使用层次分析法（AHP）确定各级指标的权重值，在构建AHP模型时，根据前文计算的碳排放量和经济成本，分析预制墙体保温的各种影响因素在综合评价指标中所占比例。对不同的保温设计方案进行对比分析，评估预制墙体保温方案的经济性能，确定最佳的保温隔热低碳设计方案，以最大程度降低建筑成本和碳排放[15]。图5.2综合评价指标值针对EPS、XPS、PU和RW四种保温材料，由yaahp软件计算出不同保温材料类型预制墙体的综合评价指标值（b），对于不同保温设计方案的b数值大小进行比较，b值越大说明该设计方案的综合经济性能越好。计算不同保温材料的综合评价指标值（b），详见图5.2。EPS、XPS、PU和RW四种夹心保温类型的预制墙体综合评价指标值（b）分别为0.3005、0.2791、0.2037和0.2167，综合评价指标值优先顺序为EPS＞XPS＞RW＞PU。在哈尔滨地区民用建筑预制混凝土夹心保温墙体保温层的最佳设计方案是设置0.069m厚EPS保温层，可以使建筑预制墙体保温层的节能减碳效果最佳。6结语本文主要研究和研究成果总结如下：（1）提出了一种预制混凝土夹心保温外墙保温层低碳设计方法，考虑了保温材料全生命周期的碳排放量和经济成本，可以确定保温材料种类和保温层最佳厚度，比选预制混凝土夹心保温外墙保温层最佳设计方案。（2）提出了一种基于层次分析法（AHP）的预制混凝土夹心保温外墙保温层评价指标，综合考虑经济性能和环境影响，可用于分析和比选预制墙体保温层低碳设计方案。（3）计算的哈尔滨地区某住宅楼的EPS、XPS、PU和RW四种保温材料的综合评价指标值分别是0.3005、0.2791、0.2037和0.2167，保温层优先顺序分别为EPS＞XPS＞RW＞PU。（4）考虑碳排放成本的影响可以提高预制混凝土夹心保温外墙保温层的经济性能，哈尔滨地区某住宅楼的EPS、XPS、PU和RW最佳保温厚度分别为0.069m、0.059m、0.035m和0.048m，采用0.069m厚度的EPS是预制混凝土夹心保温外墙保温层最佳设计方案。参考文献崔航.净零能耗建筑碳排放及减排方法研究[D].沈阳建筑大学,2022.侯彦平.全球气候变化问题与中国多边外交[D].黑龙江大学,2021.R.Aso,W.M.Cheung.Towardsgreenerhorizontal-axiswindturbines:analysisofcarbonemissions,energyandcostsattheearlydesignstage[J].JournalofCleanerProduction,2022,87:263-274.李启明,欧晓星.低碳建筑概念及其发展分析[J].建筑经济,2020,(2):41-43.LiX,XieW,XuL,etal.Holisticlife-cycleaccountingofcarbonemissionsofprefabricatedbuildingsusingLCAandBIM[J].EnergyandBuildings,2022,266:112136.ZhangY,YanD