節(jié)能視角下的泡沫混凝土外墻厚度選擇及分析

鄒祖緒， 李元林

(武漢輕工大學(xué)土建學(xué)院，湖北 武漢420023)

隨著我國建筑節(jié)能事業(yè)的實施和推進(jìn)，新型墻體材料在不斷的被研發(fā)，泡沫混凝土作為一種無機(jī)輕質(zhì)材料得到了人們廣泛的關(guān)注，它具有輕質(zhì)、保溫隔熱性能好、隔音耐火性能好以及防水能力強(qiáng)等特性[1]，與國內(nèi)應(yīng)用較多的有機(jī)保溫材料和無機(jī)保溫材料相比具有明顯的建筑保溫優(yōu)勢，是未來建筑節(jié)能重要的保溫材料發(fā)展方向[2]，由于其保溫隔熱、節(jié)約能源，保護(hù)屋面、防止?jié)B漏，節(jié)約造價、施工快捷等優(yōu)點已大量應(yīng)用于屋面保溫隔熱層，是我國村鎮(zhèn)住宅屋面保溫隔熱材料的首選材料[3，4].近年來，泡沫混凝土作為保溫材料已經(jīng)開始從屋面保溫隔熱層轉(zhuǎn)移到保溫墻體的應(yīng)用上來，泡沫混凝土作為自保溫外墻材料，降低了建筑物的自重，省去外保溫處理，使建筑保溫造價降低，與建筑同壽命.趙華等提出了用生命周期成本分析的模型，分析了泡沫混凝土自保溫墻體材料的成本與效益，從而得出泡沫混凝土砌塊在夏熱冬冷地區(qū)使用具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益[5]，目前，國內(nèi)對泡沫混凝土作為外墻保溫材料的研究相對較少，特別是最佳經(jīng)濟(jì)厚度的研究，該文以武漢某住宅建筑為例，利用DeST-h軟件模擬計算泡沫混凝土作為外墻自保溫墻體材料的節(jié)能效果，借助minitab16的曲線擬合功能確定了其最佳的經(jīng)濟(jì)厚度，為泡沫混凝土作為建筑節(jié)能墻體材料進(jìn)一步發(fā)展提供經(jīng)濟(jì)性的意見.

1 建筑模型

該文研究的建筑模型為一棟六層兩單元的住宅，層高3 m，總建筑空調(diào)面積2 154.24 m2.正南北朝向，樓梯間不采暖，采暖期為75 d，空調(diào)期為105 d，建筑體形系數(shù)為0.307，外墻總面積為1 417.32 m2，該建筑平面圖如圖1所示，泡沫混凝土為自保溫墻體材料，與建筑同壽命，計算期為50 a，為比較泡沫混凝土節(jié)能材料對建筑能耗的影響效果，以該住宅建筑未采取保溫隔熱措施時的外墻結(jié)構(gòu)作為基準(zhǔn)模型，基準(zhǔn)模型的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法及其傳熱系數(shù)如表1所示.

2 能耗模擬與結(jié)果分析

圖1 建筑平面圖Fig.1 Building plans

表1 基準(zhǔn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體部分參數(shù)Tab.1 Benchmark building enclosure body parameters

Dest是由清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系開發(fā)的建筑環(huán)境模擬分析軟件，該軟件已通過傅立葉變換方法對建筑熱過程模擬具有較強(qiáng)的可靠性[6]，可完成建筑物能耗預(yù)測、空調(diào)方案模擬等，對提高設(shè)計質(zhì)量、保證設(shè)計可靠性、保證建筑環(huán)境質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)作用.因此，該文借助DeST-h住宅建筑熱環(huán)境模擬工具包，在建筑描述、室外氣象條件、室內(nèi)熱擾量及室溫設(shè)定值確定的情況下，對該住宅的全年動態(tài)負(fù)荷進(jìn)行了計算，在模擬計算時，除外墻的厚度不同，其它條件均相同，按以下條件進(jìn)行模擬計算:

1)室外全年計算氣象參數(shù)采用武漢市典型氣象年;

2)采暖季開始日期:11月15日，采暖季結(jié)束日期:次年的2月1日，空調(diào)日開始日期:6月1日，空調(diào)日結(jié)束日期:9月15日;

3)衛(wèi)生間和廚房不控溫，通風(fēng)只設(shè)定房間與外界的通風(fēng)，選定的是通風(fēng)范圍定義，作息制度、室內(nèi)家具系數(shù)按軟件默認(rèn)值設(shè)定;

4)采暖、空調(diào)是變頻空調(diào)器，空調(diào)采用間歇運行方式，室溫上下限分別為26℃和18℃，容忍溫度上下限分別為29℃和16℃，濕度上下限分別為80%和20%;

2.1 凈現(xiàn)值指標(biāo)

凈現(xiàn)值(NPV)[7]是指按照一定的基準(zhǔn)收益率，把整個計算期內(nèi)每年所發(fā)生的凈現(xiàn)金流量折算到期初的現(xiàn)值之和，它是工程評價中的動態(tài)評價指標(biāo)之一，它反映了投資方案在其計算期內(nèi)的獲利能力，在方案評選過程中，當(dāng)NPV＞0時，方案的獲利能力較強(qiáng)，方案是可行的，當(dāng)NPV=0時，方案勉強(qiáng)可以通過，當(dāng)NPV＜0時，方案不能被通過.其計算公式如下所示:

式中A為計算期內(nèi)每年的節(jié)能收益;B為與未保溫材料相比，采用保溫材料所增加的投資;n為計算期;I*為基準(zhǔn)收益率;

其中式中的基準(zhǔn)收益率的計算公式為:

當(dāng)g＞I時

當(dāng)g＜I時

式中，I*為折現(xiàn)率，3.14%;g為通貨膨脹率，取3.3%;I為銀行貸款利率，取6.55%.

2.2 方案經(jīng)濟(jì)厚度分析

該文利用DeST-h模擬軟件模擬了墻體厚度從200～330 mm變化的全年能耗以及未做保溫處理的基準(zhǔn)外墻的全年能耗，從表2和表3分析可知，采用泡沫混凝作為自保溫外墻的各組不同方案的凈現(xiàn)值均＞0，各方案均是可行的，同時，熱負(fù)荷指標(biāo)有了明顯的減小，冷負(fù)荷指標(biāo)也有所降低，降低的幅度相對較平緩，以泡沫混凝土作為墻體材料具有較好的保溫效果，隨著泡沫混凝土保溫墻體厚度的增加，能耗降低的越多，當(dāng)墻體厚度為330 mm時，節(jié)能率達(dá)到了57.83%，當(dāng)墻體厚度為290 mm時，凈現(xiàn)值最大為569.45元/m2，是所選方案下的經(jīng)濟(jì)厚度，隨著墻體厚度的增加，保溫成本也在不斷增加，雖然能耗在不斷降低，但是降低的幅度趨于平緩，所以凈現(xiàn)值出現(xiàn)了降低的趨勢，由此可以得出并不是保溫層的厚度越大所取得的經(jīng)濟(jì)效果就越好，而是當(dāng)凈現(xiàn)值達(dá)到最大值時才是最佳的自保溫墻體厚度.

表2 基準(zhǔn)外墻模型冷熱負(fù)荷指標(biāo)Tab.2 Benchmark external model coolingand heating load index

表3 泡沫混凝土自保溫墻體材料不同厚度經(jīng)濟(jì)性分析Tab.3 Foam concrete insulation wall material different thickness economic analysis

2.3 方案經(jīng)濟(jì)厚度計算

由于方案所選取的自保溫墻體的厚度是不連續(xù)的，從表2中分析得出的經(jīng)濟(jì)厚度只是一個接近值，因此，該文借用minitab16對所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，選取不同墻體厚度 200，210，220，230，240，250，260，270，280，290，300，310，320，330 以及對應(yīng)的凈現(xiàn)值561.27，563.34，564.67，566.45，567.33，567.6，568.48，568.91，569.18，569.45，569.13，568.05，567.28，566.65 作為擬合的基本數(shù)據(jù)，可以得到擬合曲線如圖2所示，得到的擬合函數(shù)為f(x)=477+0.654x －0.00116x2，對該擬合函數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)求導(dǎo)可以得到最佳保溫墻體經(jīng)濟(jì)厚度281.89 mm自保溫外墻具有較好的節(jié)能效果，其節(jié)能率為50%～60%，在其壽命期內(nèi)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效果，通過minitab16的數(shù)據(jù)擬合功能，分析出了泡沫混凝土作為自保溫外墻時的最佳經(jīng)濟(jì)厚度，在該文所選方案中的最佳經(jīng)濟(jì)厚度為281.89 mm.目前，將泡沫混凝土應(yīng)用在外墻保溫相對較少，因此，本文為進(jìn)一步促進(jìn)泡沫混凝土自保溫外墻在夏熱冬冷地區(qū)的發(fā)展提供了指導(dǎo)性的意見.

圖2 凈現(xiàn)值擬合曲線Fig.2 The net present value fitting curve

3 結(jié)論

泡沫混凝土作為一種無機(jī)輕質(zhì)且自保溫材料，可作為節(jié)能材料的首選，該文借助DeST-h能耗模擬軟件，以武漢某住宅為實例，驗證了泡沫混凝土作為

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