長沙市居住建筑保溫層最佳厚度的研究

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，建筑能耗的比例不斷增加。2004年，中國的建筑能耗占社會總能耗的25.5%，預計2020年，總建筑面積能耗將增加到社會總能耗的35%。據(jù)統(tǒng)計，中國用于供暖的通用設(shè)備的能耗占總建筑面積的55%以上。提高圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能，可減少空調(diào)的能耗，但又增加了建筑材料成本，使保溫層的使用壽命有限。因此，在回波率和保溫層設(shè)計時，考慮到保溫層投資和回波率，存在最小保溫層厚度值，稱為最佳厚度。目前,中國對保溫層最佳厚度的研究很少,壽命周期法是保溫層最佳厚度最為普遍的計算方法,即利用采暖度日數(shù)進行能耗計算,通過建立外墻保溫層最佳厚度數(shù)學模型,探討外墻總費用最低的最佳保溫層厚度和節(jié)能效益.以前的研究均沒有考慮太陽輻射對外墻傳熱的影響,在保溫層最佳厚度計算時只考慮了冬季采暖能耗,忽略了保溫層對夏季制冷能耗的影響.此外,缺乏對保溫材料經(jīng)濟優(yōu)越性評價的研究.因此本文提出運用等效空調(diào)度日數(shù)和采暖度日數(shù)及P1-P2經(jīng)濟性模型來計算居住建筑壽命周期內(nèi)保溫層最佳厚度的方法,并對長沙市居住建筑8個朝向和3種外表面顏色的典型外墻的保溫層最佳厚度進行了計算.1內(nèi)部空調(diào)和供暖能耗的耗帶1.1等效空調(diào)+采暖季空調(diào)度日數(shù)和采暖度日數(shù)是最簡單最直接的建筑能耗分析方法.國外一些學者根據(jù)經(jīng)驗公式計算室外綜合溫度,用以替代室外平均溫度,使建筑圍護結(jié)構(gòu)能耗計算更加準確合理,但這種方法涉及參數(shù)多,多種參數(shù)假設(shè)取值使準確性降低,綜合溫度亦不能反映太陽輻射對不同朝向墻體傳熱的影響.同時,空調(diào)度日數(shù)和采暖度日數(shù)與空調(diào)系統(tǒng)的運行并不相符,需要確定反映空調(diào)系統(tǒng)運行的空調(diào)季和采暖季,才能更加準確地計算制冷能耗和采暖能耗.等效空調(diào)(采暖)度日數(shù)定義為,在空調(diào)季(采暖季)中當某天室外日平均綜合溫度高于(低于)基礎(chǔ)室溫時,將高于(低于)基礎(chǔ)室溫的度數(shù)乘以1d,所得出乘積的累加值.墻體各朝向計算公式如下: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*為等效空調(diào)度日數(shù);HDD*為等效采暖度日數(shù);NC,NH分別為空調(diào)季和采暖季計算天數(shù);ΔTDC,ΔTDH分別為空調(diào)季和采暖季等效溫差,各朝向墻體的等效溫差有所不同,℃;Tsa為墻體某朝向室外綜合溫度,℃;Tb為基礎(chǔ)室溫,冬季取18℃,夏季取26℃.墻體各朝向等效空調(diào)(采暖)度日數(shù)數(shù)值不同,更適合計算墻體負荷.室外氣象資料取自于中國氣象局氣象信息中心氣象資料室及清華大學建筑技術(shù)科學系提供的建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集.文獻研究確定了夏熱冬冷地區(qū)長沙市居住建筑空調(diào)季為6月1日到9月15日,采暖季為11月15到次年3月15日,并對空調(diào)季和采暖季內(nèi)等效溫差的計算進行了研究,根據(jù)模擬軟件eQUEST計算的墻體負荷和已知的傳熱系數(shù)及面積,反算得出不同外表面顏色時各向墻體的空調(diào)季與采暖季等效溫差.長沙市各朝向等效空調(diào)度日數(shù)CDD*和等效采暖度日數(shù)HDD*如表1所示.1.2外墻采暖能耗分析冬季單位面積外墻的瞬時熱損失為:qw=kw(Tb-Tsa).(3)式中:qw為單位面積外墻熱損失,W/m2;kw為外墻的傳熱系數(shù),W/(m2·K).當采暖季Tsa≤Tb時,單位面積外墻損失的熱量Qw,H可用下式計算:Qw,Η=86400kwΝΗ∑j=1(Τb-Τsa)j=86400kwΗDD*.(4)Qw,H=86400kw∑j=1NH(Tb?Tsa)j=86400kwHDD?.(4)當空調(diào)季Tsa≥Tb時,單位面積外墻熱量Qw,C為:Qw,C=86400kwΝC∑j=1(Τsa-Τb)j=86400kwCDD*.(5)Qw,C=86400kw∑j=1NC(Tsa?Tb)j=86400kwCDD?.(5)假設(shè)保溫材料在墻體中位置的變化對墻體傳熱系數(shù)無影響,則外墻總傳熱系數(shù)kw可表達為:kw=1Ri+Rw+Rins+Ro.(6)kw=1Ri+Rw+Rins+Ro.(6)式中:Ri和Ro分別為室內(nèi)和室外空氣的熱阻,m2·K/W;Rins為保溫層的熱阻,Rins=x/λins,x為保溫層厚度,m,λins為保溫材料的導熱系數(shù),W·m/K.無保溫層與有保溫層外墻總傳熱系數(shù)之差可表示為:Δkw=1Rwt-1Rwt+Rins.(7)其中Rwt為基層墻體的總熱阻,Rwt=Ri+Rw+Ro.長沙地區(qū)位于夏熱冬冷氣候區(qū),根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》(JGJ134—2001)的規(guī)定,在對該地區(qū)居住建筑進行能耗分析時,設(shè)制冷設(shè)備為間歇式電制冷空調(diào)器,空調(diào)額定能效比EER取2.3;采暖設(shè)備部分使用電熱型風冷熱泵空調(diào)器,部分仍使用電熱型采暖器,綜合采暖額定能效比η取1.9.單位面積外墻采暖能耗費用Ew,H可表達為:Ew,Η=CF86400kwΗDD*LΗVη.(8)式中:CF為燃料的單價;LHV為燃料的低熱燃燒值,對于電熱型風冷熱泵空調(diào)器和采暖器,LHV=3.6×106J/(kW·h).此時外墻采暖費用可表達為:Ew,Η=CE0.024kwΗDD*η.(9)其中CE為電的單價,元/(kW·h).夏季空調(diào)耗電費用為:Ew,C=CE0.024kwCDD*EER.(10)2儲層的最佳厚度2.1保溫層存儲成本美國學者Duffie提出了P1-P2經(jīng)濟性模型分析方法,可用于保溫層最佳厚度的計算,表達式為: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為能耗費用(節(jié)能費用)在經(jīng)濟性分析年限Ne內(nèi)總支出的現(xiàn)值因數(shù),即經(jīng)濟性分析年限內(nèi)總能耗費用(節(jié)能費用)與首年的比值;d為市場貼現(xiàn)率;PWF為現(xiàn)值因數(shù);i為燃料價格的年增長率;P2為分析年限Ne內(nèi)對保溫層的支出資金總額(包括維修費等)與初投資的比值;D為首付百分比;Ms為年維修費與初投資的比值;Rv為再售價與初投資的比值;NL為貸款期(年)限;Ne為經(jīng)濟性分析期(年)限,取保溫材料的壽命周期;Nmin取Ne與NL較小的一個;m為貸款利率.單位面積保溫層的成本可用下式計算:Cins=Cix+Cp.(13)式中:Cins為保溫層成本,元/m2;Ci為保溫材料單價,元/m3;x為保溫層厚度,m;Cp為其他綜合費用,元/m2,包括保溫系統(tǒng)其他材料費、人工費、不可預見費用等.在壽命周期內(nèi)總投資現(xiàn)值LCT為保溫材料投資與空調(diào)供暖能耗總投資現(xiàn)值之和,可表示為:LCT=P1(Ew,H+Ew,C)+P2Cins.(14)壽命周期內(nèi)凈現(xiàn)值LCS為空調(diào)供暖所節(jié)能費用現(xiàn)值與投資費用現(xiàn)值之差,即LCS=0.024Ρ1CEΔkw(CDD*EER+ΗDD*η)-Ρ2Cins.(15)不考慮保溫材料的技術(shù)難度,假設(shè)施工均可行,則壽命周期內(nèi)總投資費用現(xiàn)值LCT最小或壽命周期內(nèi)收益凈現(xiàn)值LCS最大時為最優(yōu)保溫層厚度,令公式(14)或(15)對保溫層厚度x的偏導數(shù)為零,得出保溫層最佳厚度xop的計算公式為:xop=√0.024Ρ1λinsCEΡ2CiDD-Rwtλins?(16)DD=CDD*EER+ΗDD*η.(17)2.2保溫層最佳厚度取該地區(qū)典型墻體(20mm石灰砂漿+190mm空心磚+20mm水泥砂漿,R=0.49m2·K/W),對5種常見保溫材料最佳厚度進行計算.假設(shè)各保溫層其他綜合費用為45元/m2(其他材料費需要25元/m2,人工費15元/m2,不可預見費用取5元/m2).保溫材料的特性參數(shù)及價格如表2所示,經(jīng)濟性參數(shù)見表3,長沙電價取0.59元/(kW·h).圖1為長沙市8個朝向3種顏色墻體的5種保溫材料的最佳厚度圖.最佳保溫層厚度由低到高分別為聚氯乙烯、聚氨酯、擠塑聚苯乙烯、膨脹聚苯乙烯和珍珠巖,范圍為6.5～23.6cm.不同朝向墻體中南向保溫層最佳厚度最小,其次為東南和西南,東北向保溫層最佳厚度最大,各保溫材料由于朝向的不同最大相差0.9～4cm.因此,由于外墻朝向的影響,不同朝向的外墻,其保溫材料宜采用不同厚度.外表面顏色對東向和東北向的墻體保溫層最佳厚度的影響較大,且顏色越深,保溫層厚度越大.圖2和圖3分別顯示了20年壽命周期內(nèi)的最佳厚度保溫層的總投資現(xiàn)值LCTop以及收益凈現(xiàn)值LCSop.材料的種類是導致保溫層最佳厚度、LCTop和LCSop有顯著差異的最大原因,5種保溫材料的LCTop由大到小依次為聚氯乙烯,珍珠巖,聚氨酯,擠塑聚苯乙烯,膨脹聚苯乙烯,范圍在142～239元/m2;5種保溫材料的LCSop遞減順序恰好相反,范圍為136.9～329.8元/m2;膨脹聚苯乙烯壽命周期內(nèi)總投資現(xiàn)值最低,收益凈現(xiàn)值最大,不同外表面顏色的各朝向墻體其最佳厚度為15.3～18cm,LCTop為136.9～152.7元/m2,LCSop為225.8～329.8元/m2.朝向和墻體外表面顏色對保溫材料的LCTop影響相對較小,各保溫材料東北向LCTop最大,高于南向(最小)7.4%～13.7%;淺顏色的外墻LCTop最小,由淺色變?yōu)樯钌珪r,LCTop增加約0.6%;朝向和墻體外表面顏色對LCSop影響均較大,各保溫材料東北向LCSop最大,高于南向(最小)30%～38.5%;深色外表面顏色時LCSop最大,由淺色變?yōu)樯钌?LCSop增加2.0%～19.4%.保溫材料的導熱性能與造價是兩個重要因素,需要綜合考慮以確定最優(yōu)的保溫材料.因此,引入性價指標CA對保溫絕熱材料進行技術(shù)經(jīng)濟評價的優(yōu)選方法:即用保溫材料的單位體積價格乘以其導熱系數(shù),乘積越小者,技術(shù)經(jīng)濟效果越好;以北向中間色墻體為例,圖4顯示了保溫材料的CA與LCTop和LCSop的耦合關(guān)系,隨著保溫材料CA的增加,LCTop呈冪函數(shù)趨勢增加,同時LCSop呈冪函數(shù)降低.根據(jù)5種保溫材料CA值,可以比較出5種保溫材料技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)越性依次為聚氯乙烯<珍珠巖<聚氨酯<擠塑聚苯乙烯<膨脹聚苯乙烯.墻體的保溫層最佳厚度與氣候條件、現(xiàn)值因數(shù)、基層熱阻、保溫材料的導熱系數(shù)等很多因素有關(guān).圖5顯示了基層墻體熱阻對保溫層最佳厚度的影響,隨著基層熱阻的增加,保溫層最佳厚度呈線性遞減,導熱系數(shù)越大者,其最佳厚度下降越快.因此在5種保溫材料中珍珠巖最佳厚度下降最快,其他材料最佳厚度均緩慢下降.現(xiàn)值因數(shù)PWF包括壽命周期、能源價格的增長率以及貼現(xiàn)率3個參數(shù),圖6顯示了PWF對保溫層最佳厚度的影響,隨著PWF的增加,保溫層最佳厚度有不同程度的增加,其導熱系數(shù)越大者,增加的速度越快.DD值包括氣象參數(shù)及空調(diào)及采暖系統(tǒng)能效比的影響,不同地區(qū)乃至相同地區(qū)不同朝向均不相同.圖7顯示了隨著DD增加,保溫層最佳厚度以冪函數(shù)趨勢增加.3保溫層最佳厚度計算空調(diào)建筑采用保溫層最佳厚度,可以防止根據(jù)經(jīng)驗選擇絕熱材料厚度所造成的綜合效益損失,因此最佳保溫層厚度的計算對建筑節(jié)能和建筑市場的發(fā)展具有重要的指導意義.本研究的目的在于為設(shè)計師提供了一種選擇保溫材料及計算最佳保溫層厚度的方法,能保證外墻在保溫層壽命周期內(nèi)所產(chǎn)生的全年能耗費用和保溫層造價之和最低及收益最大.該方法不僅適用于夏熱冬冷地區(qū),還適用于其他氣候區(qū)以及不同供熱方式的保溫層最佳厚度的求解.本研究在計算過程中忽略了保溫材料施工技術(shù)的難度和由于保溫材料的不同導致其他綜合費用的差異,計算結(jié)果僅供設(shè)計師參考.4保溫層材料性價本文考慮了太陽輻射對各朝向外墻的傳熱影響,提出了用等效空調(diào)和采暖度日數(shù)及P1-P2經(jīng)濟性分析模型來計算壽命周期內(nèi)保溫層最佳厚度的方法,對長沙市居住建筑不同外表面顏色和8個朝向的典型外墻的5種保溫層最佳厚度進行計算,分析了現(xiàn)值因數(shù)、基層熱阻和氣候因素對5種保溫材料最佳厚度的影響,并提出根據(jù)保溫層材料的性價指標來比較材料優(yōu)越性的方法.結(jié)果表明,長沙地區(qū)最佳保溫層厚