確定夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑最佳保溫層厚度的計算方法
作者：杜曉敏
在夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑圍護結構各部分空調采暖能耗中，外墻能耗比例占19%~26%[1]。要降低建筑物的能耗，需考慮墻體保溫節(jié)能。墻體的保溫層厚度影響空調采暖運行能耗和保溫材料的投資成本，合理選擇其厚度使得在整個生命周期內建筑運行能耗及建筑成本最低，確定最佳保溫層厚度對建筑節(jié)能工作具有重要指導意義。目前國內外針對保溫層厚度的研究主要有生命周期方法[2-3] 、P1-P2經(jīng)濟性模型[4-5] ，或是采用采暖空調度日數(shù)結合現(xiàn)值的方法[6]和基于環(huán)境性能[7] 的方法。本研究在前人的基礎上，運用TRNSYS能耗模擬和生命周期理論，分別計算建筑生命周期直接成本和環(huán)境成本，從而得出在夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑分別使用巖棉板和�；⒅楸厣皾{的最佳保溫層厚度。
1 基準住宅能耗模擬
基準住宅計算模型為馬鞍山市一棟六戶五層居民樓，層高3m，兩室一廳一廚一衛(wèi)，每戶建筑面積為91m2。圍護結構為普通混凝土空心砌塊，導熱系數(shù)為0.73 W/(m．K)。該建筑體形系數(shù)為0.4，南向、北向、東向、西向窗墻比為0.4、0.31、0.06、0.09，空調換氣次數(shù)
為1.0次/h[8]，使用年限按50年計。圖1為該基準住宅平面圖。
1.1計算參數(shù)
根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》（JGJ134-2001），住宅內部熱擾設定：室內照明得熱每天為0.0141kWh／rn2，室內人員、設備等得熱平均強度為4.3 W／m2。夏季室內溫度設定為260C，冬季室內溫度設定為180C，夏季空調和冬季采暖額定能效比分別取
2.3和1.9。
1.2能耗模擬方案
為遏制外墻保溫材料起火，選擇防火等級為A的巖棉板（方案A）和�；⒅楸厣皾{（方案B）作為建筑外墻保溫材料，取不同保溫層厚度( 20mm、30mm40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm)進行能耗模擬。
1.3能耗模擬結果
依據(jù)上述基準住宅模型及設定工況，使用TRNSYS能耗軟件進行建筑全年能耗模擬，動態(tài)計算出其全年的采暖負荷、空調負荷和總負荷，再根據(jù)采暖、空調設備的額定能效比得到相應的采暖、空調以及總能耗量。方案A、B的全年能耗如表1所示。
從表1可以看出，方案B的各項能耗指標大于方案A的各項能耗指標，且兩者之間的差值趨勢隨保溫層厚度的增加而減小，當保溫層厚度從80mm增加到100mm時，方案A的耗冷量反超方案B的耗冷量，可見保溫層越厚，巖棉的優(yōu)勢逐漸變小。
2 建筑生命周期清單計算模型
傳統(tǒng)的建筑物能量系統(tǒng)是由建筑內的各種能耗設備組成，主要是采暖空調設備，邊界是建筑圍護結構。建筑節(jié)能又分成兩個獨立的領域：一是組成建筑本體的圍護結構等建筑材料，主要由建筑設計師通過建筑結構設計完成；二是建筑設計中的各種耗能設備，主要由設備工程師通過水、暖、電的系統(tǒng)設計完成。因此建筑物能量系統(tǒng)生命周期由圍護結構材料生命周
期和能源生命周期組成，這兩條生命周期主線在建筑物使用階段交匯[9]。具體如圖2所示。
由于巖棉板和�；⒅閮煞N無機保溫材料壽命在建筑物生命周期50年內，無需進行二次乃至多次施工[10]，故模型不考慮保溫材料的拆除與施工能耗。另一方面，由于研究的保溫材料及保溫層厚度不同，使得圍護結構傳熱系數(shù)不同，因此建筑運行階段空調冷熱源能耗不同，故模型考察與保溫相關的材料生產(chǎn)和圍護結構采暖空調運行階段，材料生產(chǎn)階段只考慮差異部分的保溫材料，建筑運行階段只考慮空調冷熱源，結合TRNSYS全年能耗模擬結果，得到建筑物的生命周期數(shù)據(jù)清單Q，計算式如下：
式中：Hi為不同保溫層厚度下保溫材料的使用量，kg/m2；Mj為1kg保溫材料生產(chǎn)的生命周期數(shù)據(jù)清單，kgC為建筑物使用壽命，本文定為50年；qi為不同厚度下建筑全年的采暖空調耗電量，kWh/m2；Nj為1kWh電力生產(chǎn)的生命周期數(shù)據(jù)清單，kg;qj為不同的保溫層厚度，從20mm變化到100mm，每次增加10mm;j為電力及保溫材料的生命周期數(shù)據(jù)清單因子。
3 外墻最佳保溫層厚度
隨著保溫層厚度的增加，保溫材料的使用量增加，則其生產(chǎn)成本增加；而隨著保溫層厚度的增加，保溫效果增強，采暖空調耗電量減少，因此建筑的采暖空調運行成本會減少，兩者之和的總成本有一個先減后增的趨勢，其間存在一個最低點，此最低點就是外墻的最佳保溫層厚度。
3.1生命周期直接成本下的最佳保溫層厚度
根據(jù)市場一般價格，巖棉用于外墻保溫的單價為10 元/kg，�；⒅楸厣皾{2.8元/kg[11-12]，電力單價為0.5元/kWh。根據(jù)模擬計算所得住宅一年的采暖空調能耗，可以計算出在2種模擬方案下住宅在其生命周期內的采暖空調電費。由計算結果可知，隨著保溫層厚度的增加，方案A、B的采暖空調費隨之減小。即在采暖空調費的基礎上，將保溫材料的生產(chǎn)成本考慮其中，生命周期直接成本包括采暖空調運行成本和保溫材料生產(chǎn)成本。方案A和方案B的總成本如表2所示：
從表2可知，在直接成本下，方案A的最佳保溫層厚度為50mm，最低生命周期總成本為544.1元／m2;方案B住宅外墻最佳保溫厚度為60mm，最低生命周期總成本為576.3 元/m2。國內《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》中規(guī)定外墻保溫層厚度為30mm，而在德國的建筑節(jié)能標準中則規(guī)定其外墻保溫層厚度為200mm～300mm，因此認為直接成本下兩種保溫材料的最佳保溫層厚度在將來的居住建筑節(jié)能中是切實可行的。
結合生命周期數(shù)據(jù)清單，將電力及保溫材料生產(chǎn)生命周期數(shù)據(jù)清單中的原煤折算成標準煤，得出兩種模擬方案最佳保溫層厚度下的住宅能耗及C02排放指標如表3所示。
3.2生命周期環(huán)境成本下的最佳保溫層厚度
根據(jù)Stepwise2006的環(huán)境成本計算方法[10-14] ，僅考慮電力及保溫材料生產(chǎn)清單因子中溫室氣體及CO2的環(huán)境成本。即在直接成本的基礎上，將空調運行和保溫材料生產(chǎn)造成的環(huán)境能源消耗考慮其中，從而構成了生命周期環(huán)境成本。則方案A、方案B的總成本如表4所示。
從表4可知，在考慮環(huán)境成本的情況下，方案A住宅外墻最佳保溫層厚度為60mm，最低生命周期環(huán)境成本為628.1元／m2；方案B住宅外墻最佳保溫厚度為60mm，最低生命周期環(huán)境成本為670.8元/m2。
2種模擬方案在最佳保溫層厚度下的住宅能耗及C02排放指標如表5所示。
3.3兩種情況下的外墻最佳保溫層厚度比較
比較方案A、方案B在最佳保溫層厚度下的生命周期直接成本及環(huán)境成本可得，在夏熱冬冷地區(qū)，生命周期直接成本下方案A的最佳厚度小于生命周期環(huán)境成本下的最佳厚度，方案B在兩種成本下的最佳厚度相等。保溫層厚度增加，會使電力生產(chǎn)帶來的環(huán)境成本減小及保溫材料生產(chǎn)帶來環(huán)境成本增加，而方案A在考慮環(huán)境成本之后其最佳厚度變大了，即說明電力生產(chǎn)帶來的環(huán)境影響大于巖棉板生產(chǎn)帶來的環(huán)境影響，故需要增加巖棉板厚度來減少電力生產(chǎn)帶來的環(huán)境影響。
4 結論
1)針對夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點，選取巖棉板和玻化微珠保溫砂漿這兩種保溫材料作為研究對象，以馬鞍山市某住宅建筑作為基準模型，利用TRNSYS平臺模擬該模型的全年能耗，建立了建筑生命周期清單計算模型用以計算在直接成本和環(huán)境成本下的最佳保溫層厚度。
2)在生命周期直接成本下巖棉板的最佳保溫層厚度為50mm;玻化微珠的最佳保溫層厚度60mm。
3)在生命周期環(huán)境成本下巖棉板和玻化微珠的最佳保溫層厚度均為60mm。
5摘 要：
以夏熱冬冷地區(qū)馬鞍山市的某住宅建筑為案例模型，利用TRNSYS軟件模擬其全年能耗變化。在能耗模擬的基礎上，應用建筑生命周期成本理論計算出巖棉板和�；⒅楸厣皾{兩種無機保溫材料在生命周期直接成本和環(huán)境成本下的最佳外墻保溫層厚度。研究結表明：在生命周期直接成本下，巖棉板和玻化微珠的最佳保溫層厚度分別為50mm.60mm；境成本下兩種保溫材料的最佳保溫層厚度均為60mm。研究結果為建筑節(jié)能圍護結構改造提供優(yōu)化參數(shù)。
