夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑最佳保溫層厚度分析

黃志甲 張希楨 鄭飚 祝立萍

安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院

夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑最佳保溫層厚度分析

黃志甲 張希楨 鄭飚 祝立萍

安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院

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(chǔ)上，應(yīng)用建筑生命周期成本理論計(jì)算出巖棉板和?；⒅楸厣皾{兩種無機(jī)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(jié)果表明：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；環(huán)境成本下兩種保溫材料的最佳保溫層厚度均為60mm。研究結(jié)果為建筑節(jié)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造提供優(yōu)化參數(shù)。

建筑能耗 生命周期 保溫層厚度

在夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分空調(diào)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(diào)采暖運(yùn)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(nèi)建筑運(yùn)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(dǎo)意義。目前國內(nèi)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(jì)性模型[4～5]，或是采用采暖空調(diào)度日數(shù)結(jié)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(chǔ)上，運(yùn)用TRNSYS能耗模擬和生命周期理論，分別計(jì)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(zhǔn)住宅能耗模擬

基準(zhǔn)住宅計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)為普通混凝土空心砌塊，導(dǎo)熱系數(shù)為0.73W/(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(diào)換氣次數(shù)為1.0次/h[8]，使用年限按50年計(jì)。圖1為該基準(zhǔn)住宅平面圖。

圖1 基準(zhǔn)住宅平面圖

1.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ134-2001），住宅內(nèi)部熱擾設(shè)定：室內(nèi)照明得熱每天為0.0141kWh/m2，室內(nèi)人員、設(shè)備等得熱平均強(qiáng)度為4.3W/m2。夏季室內(nèi)溫度設(shè)定為26℃，冬季室內(nèi)溫度設(shè)定為18℃，夏季空調(diào)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、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm）進(jìn)行能耗模擬。

1.3 能耗模擬結(jié)果

依據(jù)上述基準(zhǔn)住宅模型及設(shè)定工況，使用TRNSYS能耗軟件進(jìn)行建筑全年能耗模擬，動態(tài)計(jì)算出其全年的采暖負(fù)荷、空調(diào)負(fù)荷和總負(fù)荷，再根據(jù)采暖、空調(diào)設(shè)備的額定能效比得到相應(yīng)的采暖、空調(diào)以及總能耗量。方案A、B的全年能耗如表1所示。

表1 方案A與方案B的全年能耗（kWh/m2）

從表1可以看出，方案B的各項(xiàng)能耗指標(biāo)大于方案A的各項(xiàng)能耗指標(biāo)，且兩者之間的差值趨勢隨保溫層厚度的增加而減小，當(dāng)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(jì)算模型

傳統(tǒng)的建筑物能量系統(tǒng)是由建筑內(nèi)的各種能耗設(shè)備組成，主要是采暖空調(diào)設(shè)備，邊界是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。建筑節(jié)能又分成兩個獨(dú)立的領(lǐng)域：一是組成建筑本體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)等建筑材料，主要由建筑設(shè)計(jì)師通過建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成；二是建筑設(shè)計(jì)中的各種耗能設(shè)備，主要由設(shè)備工程師通過水、暖、電的系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。因此建筑物能量系統(tǒng)生命周期由圍護(hù)結(jié)構(gòu)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。

圖2 建筑物能量系統(tǒng)生命周期模型

由于巖棉板和玻化微珠兩種無機(jī)保溫材料壽命在建筑物生命周期50年內(nèi)，無需進(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)不同，因此建筑運(yùn)行階段空調(diào)冷熱源能耗不同，故模型考察與保溫相關(guān)的材料生產(chǎn)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)采暖空調(diào)運(yùn)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(yùn)行階段只考慮空調(diào)冷熱源。結(jié)合TRNSYS全年能耗模擬結(jié)果，得到建筑物的生命周期數(shù)據(jù)清單Q，計(jì)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，kg；C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(diào)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(qiáng)，采暖空調(diào)耗電量減少，因此建筑的采暖空調(diào)運(yùn)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(diǎn)，此最低點(diǎn)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(jià)格，巖棉用于外墻保溫的單價(jià)為10元/kg，?；⒅楸厣皾{2.8元/kg[11～12]，電力單價(jià)為0.5元/kWh。根據(jù)模擬計(jì)算所得住宅一年的采暖空調(diào)能耗，可以計(jì)算出在2種模擬方案下住宅在其生命周期內(nèi)的采暖空調(diào)電費(fèi)。由計(jì)算結(jié)果可知，隨著保溫層厚度的增加，方案A、B的采暖空調(diào)費(fèi)隨之減小。即在采暖空調(diào)費(fèi)的基礎(chǔ)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(diào)運(yùn)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：

表2 兩種模擬方案直接成本的總成本（元/m2）

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(nèi)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定外墻保溫層厚度為30mm，而在德國的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中則規(guī)定其外墻保溫層厚度為200mm～300mm，因此認(rèn)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(shí)可行的。

結(jié)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(biāo)準(zhǔn)煤，得出兩種模擬方案最佳保溫層厚度下的住宅能耗及CO2排放指標(biāo)如表3所示。

表3 不同模擬方案住宅能耗及CO2排放指標(biāo)

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(jì)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(chǔ)上，將空調(diào)運(yùn)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(gòu)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。

表4 兩種模擬方案的直接成本與環(huán)境成本之和（元/m2）

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CO2排放指標(biāo)如表5所示。

表5 不同模擬方案住宅能耗及CO2排放指標(biāo)

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(jié)論

1）針對夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)，選取巖棉板和?；⒅楸厣皾{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(zhǔn)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(jì)算模型用以計(jì)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；?；⒅榈淖罴驯貙雍穸?0mm。

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。

[1]付衡,龔延風(fēng),余效恩,等.南京地區(qū)居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗比例研究[J].新型建筑材料,2013,(5):32-36

[2]Kemal Comakli,Bedri Yüksel.Optimum insulation thickness of external walls for energy saving[J].Applied Thermal Engineering,2003,23(4):473-479

[3]Anders C Schmidt,Allan A Jensen.A Comparative Life Cycle Assessment of Building Insulation Products Made of Stone Wool and Flax[Z].Impact Assessment and Interpretation Int.,2004

[4]M S Sooylemez,M ünsal.Optimum insulation thickness for refrigeration applications[J].Energy Conversion Management, 1999,40(1):13-21

[5]于靖華,楊昌智,田利偉,等.長沙地區(qū)居住建筑外墻保溫層最佳厚度研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào),2008,36(9):16-20

[6]王厚華,吳偉偉.居住建筑外墻外保溫厚度的優(yōu)化研究[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2008,31(8):937-940

[7]張榮鵬.基于LCA鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑的環(huán)境性能評價(jià)[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2009

[8]夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(JGJ134-2001)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001

[9]黃志甲.建筑物能量系統(tǒng)生命周期評價(jià)模型與案例研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2003

[10]ISO.Buildings and Constructed Assets-service-life Planning-Part 5:Life-cycle Costing[Z].2008

[11]ISO.Petroleum and Natural Gas Industries-life-cycle Costing-Par -t2:Guidance on Application of Methodology and Calculation Methods[Z].2001

[12]ISO.Petroleum and Natural Gas Industries Life-cycle Costing-Par -t3:Implmentation Guideline[Z].2001

[13]ISO.Petroleum and Natural Gas Industries-life-cycle Costing-Par -t1:Methodology[Z].2000.

[14]Hauschild M,Potting J.Spatial differentiation in life cycle impact assessment-The EDIP2003 methodology[R].Denmark:Danish Ministry of The Environment,2005

Optim iza tion Ana lys is of Ins ula tion La ye r Thic kne s s of Re s ide ntia l Building in Hot Sum m e r a nd Cold Winte r Zone

HUANG Zhi-jia,ZHANG Xi-zhen,ZHENG Biao,ZHU Li-ping
School of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Technology

The TRNSYS simulation software was used to simulate the annual energy consumption of the residential building in city of Ma’anshan in hot summer and cold winter area.On this basis,the theory of life cycle cost was used to calculate the direct cost and environmental cost targets for the best exterior wall insulation layer thickness of two inorganic insulation material including rock wool and vitrified small ball.The results show that under the theory of life cycle direct cost the best exterior wall insulation layer thickness of rock wall and vitrified small ball are 50mm and 60mm,under the theory of environmental cost the best exterior wall insulation layer thickness of two insulation materials are 60mm.The results of this paper can provide optimized parameters for building energy-saving envelope reconstruction.

building energy consumption,life cycle,insulation thickness

1003-0344（2015）05-063-4

2014-3-28

黃志甲（1963～），男，博士，教授；安徽省馬鞍山市湖東路59號（243032）；0555-2316527；E-mail:hzj@ahut.edu.cn

住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目（2013-K1-34）；安徽省住房城鄉(xiāng)建設(shè)科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（2013YF-33）