基于價值分析的住宅建筑維護結(jié)構(gòu)節(jié)能材料優(yōu)選的研究

劉麗妍，石振武

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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基于價值分析的住宅建筑維護結(jié)構(gòu)節(jié)能材料優(yōu)選的研究

劉麗妍，石振武

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

摘要：建筑業(yè)節(jié)能建筑、綠色建筑正在興起，但由于成本相對較高，導(dǎo)致節(jié)能材料的應(yīng)用并不普遍。根據(jù)價值工程理論，對現(xiàn)有的住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能材料進行價值分析，在外墻外保溫系統(tǒng)材料和外門窗材料的多種方案中，優(yōu)選出符合哈爾濱市地理氣候特點的節(jié)能方案。優(yōu)選出的方案在保證功能性的前提下提升使用價值，降低建造成本。

關(guān)鍵詞：節(jié)能建筑；圍護結(jié)構(gòu)；價值分析

隨著我國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國的建筑市場發(fā)展十分迅速，現(xiàn)在每年大約以20億m2的建設(shè)量在增長。而隨著既有建筑量的不斷增多，建筑耗能即建筑項目在建造和使用過程中所耗費的能源，已與工業(yè)耗能、交通耗能并列成為我國能源消耗的3個主要領(lǐng)域，具有很強的節(jié)能潛力。預(yù)計在2020年，我國的建筑總面積可增加至150億m2，如果采用科學(xué)有效的節(jié)能措施，全國建筑能耗用電增量僅為2 300億kWh，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2.6億t，約為我國2004年煤炭產(chǎn)量的18.6%；與不采取任何節(jié)約措施相比，建筑用電每年可節(jié)約3 500億kWh， 相當(dāng)于三峽發(fā)電站年發(fā)電量的4倍。應(yīng)用和發(fā)展節(jié)能建筑，選擇合理的節(jié)能措施，是建筑行業(yè)今后發(fā)展的主要方向。

1價值工程原理簡述

由于建筑耗能在能源消耗中所占比例較重，推行節(jié)能建筑、應(yīng)用節(jié)能材料就是在各種節(jié)能途徑中最為有效和能直接解決能源消耗問題的方式之一。但是由于建筑節(jié)能措施的增加，會或多或少地增加建筑成本，如何在保證其價值的情況下，降低成本，保證成本和功能的最佳匹配性，是在實際項目中需要考慮的問題。而運用價值工程理論實行建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能措施的選擇，是綜合材料特點、結(jié)合目標(biāo)需求的整體分析和評價，可達到提升價值、降低成本的目的。

1.1　價值工程原理

價值工程的三要素為價值、功能和成本，基于這三者之間的概念表達公式為

V=F/C.

式中：V為產(chǎn)品價值，是研究對象的功能和成本的綜合評價，經(jīng)常用于表示產(chǎn)品的綜合經(jīng)濟效益；F為功能，是指研究的對象能夠達到某些特定要求的一種屬性；C為產(chǎn)品的生命周期成本，一般情況下全生命周期成本包括生產(chǎn)成本和使用成本兩大部分。

由表述公式可以看出，產(chǎn)品呈現(xiàn)出的價值隨它本身功能值的上升而上升，隨著總成本下降而下降。在其功能需求不變的情況下，它的成本越低，價值越高；成本越高，價值反而越小。同理，在其成本不變的情況下，功能越大，價值就越大；功能越小，價值就越小。要提高產(chǎn)品的價值，不能只是單一地要求產(chǎn)品功能的提升或者成本的降低，必須結(jié)合功能和成本兩個方面共同作用。

1.2　價值工程的工作程序

價值工程的工作程序本質(zhì)就是針對研究目標(biāo)提出問題、分析問題和解決問題的過程，一般按照內(nèi)容的對象不同劃分為準(zhǔn)備、分析、創(chuàng)新和實施4個階段。首先，確定的研究對象是住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)(外墻、門窗)的各項節(jié)能材料；其次，對所研究的對象，即建筑圍護結(jié)構(gòu)的各項措施進行功能評價；最后，計算其功能系數(shù)、成本系數(shù)和價值系數(shù)。價值系數(shù)最大的為最優(yōu)選項。

2哈爾濱市可應(yīng)用于圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能措施

哈爾濱市位于我國北方嚴(yán)寒地區(qū)，夏季短促，冬季漫長而寒冷，一年之中有180 d左右的平均氣溫低于5 ℃，屬于冬冷夏熱型氣候。夏季需要降溫，冬季需要抗寒保暖，以至于建筑能耗普遍較大。如果能提高建筑物室內(nèi)保溫隔熱結(jié)構(gòu)的隔熱抗寒能力，住宅建筑將會具有很強的節(jié)能潛力。而圍護結(jié)構(gòu)作為影響建筑物能耗的重點部位之一，即具備保溫的功能，也能散失部分室內(nèi)的熱量，是影響室內(nèi)熱環(huán)境的重點結(jié)構(gòu)。本文結(jié)合哈爾濱地區(qū)的氣候特點，針對最容易消耗熱能的圍護結(jié)構(gòu)，通過價值分析選出適合的節(jié)能措施，達到節(jié)約能源，降低能耗，促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的目的。

建筑物的外圍護結(jié)構(gòu)主要由門窗、墻體、屋面等構(gòu)件構(gòu)成，這些主要構(gòu)件的傳熱性能決定了建筑物保溫隔熱的效果，直接影響了建筑物的能量消耗。想要使建筑物最大限度地節(jié)約能量，則需要減少能量損失，改善這些主要構(gòu)件自身的保溫隔熱性能。有研究結(jié)果表明，建筑物的耗熱量中窗戶約占29%、外墻約占28%、屋頂約占8.6%，是耗熱的主要部位。若要降低建筑物的熱損耗，提高建筑物的節(jié)能效果，必須合理地采用新型的保溫材料，改善現(xiàn)有的圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

2．1　外墻體外掛外保溫系統(tǒng)材料

墻體外掛外保溫系統(tǒng)是應(yīng)用一些固定材料將保溫材料砌掛在外墻上，再壓入玻璃纖維網(wǎng)格布形成保護層，最后用膩子和涂料找平。運用這種保溫系統(tǒng)密度大、抗?jié)B能力好并且導(dǎo)熱系數(shù)相對較小、吸水率低，符合我國現(xiàn)行的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，相比其他系統(tǒng)更適用于北方地區(qū)。而在外墻外掛保溫系統(tǒng)中，保溫材料熱工性能的好壞關(guān)鍵在于所使用材料的導(dǎo)熱系數(shù)的高低，所使用材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，其所具備的保溫隔熱性能就越好。目前，在哈爾濱市住宅建筑中可使用的有4種保溫材料：模塑聚苯板(EPS)、巖棉保溫板、酚醛保溫板和STP超薄真空絕熱保溫板。

模塑聚苯板(EPS)是用原料為內(nèi)含有部分揮發(fā)性液體發(fā)泡劑的聚苯乙烯顆粒，再經(jīng)過加工發(fā)泡變?yōu)閮?nèi)結(jié)構(gòu)具有一些封閉的微孔材料后，用模具加工而成的保溫材料。這種材料在保溫隔熱的基礎(chǔ)上還有可抗低溫和抗酸堿腐蝕的特點，防震性能優(yōu)越且結(jié)構(gòu)均勻、施工便捷，在大多數(shù)的實際外墻保溫工程中都有應(yīng)用。

巖棉保溫板是將巖石等礦石材料高溫融化后，采用離心制棉的工序，將融化的礦石液體轉(zhuǎn)化為非連續(xù)性纖維，再在此纖維中加入憎水劑、粘結(jié)劑和防塵油等物質(zhì)后經(jīng)過一段時間的沉降和固化而成。這種保溫系統(tǒng)導(dǎo)熱系數(shù)低，具有防火、吸聲和保溫透氣的性能，施工安裝便利且節(jié)能效果顯著。但因巖棉材料為多孔狀式的開放保溫材料，透濕性較好，所以在應(yīng)用巖棉保溫材料時多搭配防潮層，提升巖棉保溫系統(tǒng)的防潮性。

酚醛保溫板是在酚醛樹脂中摻入固化劑、發(fā)泡劑等其他的輔助劑而制成的一種硬質(zhì)閉孔酚醛泡沫。這種保溫材料的防火抗燃能力高， 導(dǎo)熱穩(wěn)定性和抗化學(xué)性也符合施工過程中輕便、防火等技術(shù)要求。

STP超薄真空絕熱保溫板是由高強度復(fù)合不透氣膜和無機纖維材料通過真空封裝復(fù)合后覆加砂漿的一種保溫板材。基于它真空的原理，這種材料可以用作保溫、防火、裝飾等多重作用，也可充分利用板材間的中空度并適當(dāng)填充一些絕熱保溫材料，使其導(dǎo)熱系數(shù)更低，更具有節(jié)能環(huán)保的特質(zhì)。

2.2　外門窗材料

建筑物中門窗部位的耗熱量約占整個建筑物耗熱量的60%，是節(jié)能設(shè)計中的主要部分。外門窗部分涉及的節(jié)能措施主要集中于改進其氣密性和增強其保溫隔熱性能兩大方面。因哈爾濱市地處嚴(yán)寒地區(qū)，在門窗材料的選擇上應(yīng)側(cè)重于材料的保溫隔熱性能，控制門窗的導(dǎo)熱系數(shù)，在選用玻璃時就應(yīng)該采用具備更高保溫性能的玻璃材料，例如：Low-E中空玻璃、多層中空玻璃等。而門窗的型材大多可選用塑性材料、隔熱性能良好的鋁合金或鋼制材料、木材-金屬復(fù)合型材料。

塑性門窗材料，其主要成分為聚氯乙烯，附加一定比例的紫外線吸收物質(zhì)和穩(wěn)定劑制成，結(jié)合橡膠密封條或者其他錨固方式安裝在建筑物上。與傳統(tǒng)木質(zhì)的材料相比，塑性材料質(zhì)輕，耐腐蝕的同時阻燃、防震，具有良好的保溫性和密封性，導(dǎo)熱系數(shù)低。但因為塑性材料相對其他材料膨脹系數(shù)高、剛性較差，所以并不適合用在風(fēng)壓強較高的地方。

木材-金屬復(fù)合型材料，是采用木材為框架的主體結(jié)構(gòu)，與部分金屬灌注為一體或通過機械方法復(fù)合而成。將兩種材料結(jié)合在一起，可以同時兼顧木料和金屬的不同屬性，改善了木材抗腐蝕性和防火性較差的特點，也增強了金屬材料的韌性需求，抗壓能力和抗折強度都有所增加，導(dǎo)熱系數(shù)較低，保溫節(jié)能效果顯著。

Low-E玻璃，是把多層金屬物質(zhì)或者化合物鍍在玻璃表面上，使其具有更好的阻隔熱輻射的性能，降低玻璃表面的輻射率。根據(jù)不同的金屬物質(zhì)或者化合物，Low-E玻璃可以具備不同程度的對紅外線反射能力和可見光高透性，符合日常生活需求的良好透光性和嚴(yán)寒地區(qū)保溫隔熱效果的要求，降低熱能的傳遞，達到節(jié)能效果。

中空復(fù)合玻璃，是將兩層或多層玻璃之間留有一定空隙，將空隙內(nèi)空氣抽空或者充入其他惰性氣體，再密封粘接四周縫隙而成，它利用玻璃間的真空環(huán)境降低玻璃門窗的導(dǎo)熱系數(shù)，其導(dǎo)熱系數(shù)與普通平板玻璃相比降低了一半以上，達到保溫隔熱的效果。

3價值工程在圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能措施上的應(yīng)用

3.1　功能分析

對建筑材料進行功能分析，即對建筑材料的節(jié)能能力進行分析，其導(dǎo)熱系數(shù)直接決定了其節(jié)能效果的好壞。除了對節(jié)能能力的考慮，還要綜合考慮建筑材料的使用壽命、施工操作的可行性、美觀性等多重因素。對上述的4個影響因素，本文利用專家評分法對每種材料進行評分，其中最優(yōu)的計為10分，最差計為0分，以確定功能評價系數(shù)，如表1、表2所示。

表1　外墻體外掛保溫材料功能系數(shù)分析

表2　門窗功能系數(shù)分析

3.2　修正功能比重

根據(jù)材料的保溫性、使用壽命、施工操作可行性和美觀性在所選擇對象中所看重的程度進行“0~1”評分，將不同功能一一比較，相對重要的記為“1”，相對不重要的記為“0”，各項功能比重如表3所示。

3.3　計算功能系數(shù)

根據(jù)功能系數(shù)分析(見表1、表2)和功能比重(見表3)計算出修正后的功能系數(shù)(見表4、表5)。

表3　功能比重

表4　外墻體外掛保溫材料功能系數(shù)修正

表5 門窗功能系數(shù)修正

3.4　運用價值工程原理進行優(yōu)選

根據(jù)各項節(jié)能措施的預(yù)算成本，得出成本系數(shù)，結(jié)合上述功能系數(shù)，得出最終的價值系數(shù)(見表6、表7)。

表6　外墻體外掛保溫材料價值系數(shù)

由表6和表7可以看出，在選擇外墻體外掛保溫材料時，模塑聚苯板的價值系數(shù)是最高的，說明使用模塑聚苯板這種材料時，在達到節(jié)能保溫的功能效果的同時，它的價值是最高的。在門窗的四項措施中，采用塑性門窗和應(yīng)用中空復(fù)合玻璃的組合形式展現(xiàn)了最高的價值系數(shù)，說明應(yīng)用這樣的方法是達到節(jié)能功能的最優(yōu)選擇。

表7　門窗價值系數(shù)

4結(jié)束語

本文運用價值工程理論對適用于哈爾濱市建筑住宅圍護結(jié)構(gòu)的各項節(jié)能措施進行優(yōu)選，為節(jié)能措施的選擇提供了一種便于實現(xiàn)的有效方法。本文通過圍護結(jié)構(gòu)耗能較多的外墻體部位和門窗部位的價值工程方法的分析應(yīng)用，得出適合哈爾濱地區(qū)節(jié)能措施的相對較優(yōu)選擇，也還可以應(yīng)用此方法對其他方案進行優(yōu)化選擇。節(jié)能建筑的發(fā)展可以改善居住環(huán)境、節(jié)約能源，大力加強節(jié)能建筑的研究和應(yīng)用才能實現(xiàn)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

Energy-saving material optimization of the envelop enclosure of residential buildings based on value analysis

LIU Li-yan,SHI Zhen-wu

(School of Civil Engineering,Northeast Forestry University，Harbin 150040,China)

Abstract：Nowadays, the construction industry is developing energy-saving building, however, its relatively high cost has caused the uncommon application of energy-saving materials. According to the theory of value engineering, this paper proposes a value analysis of current energy-saving materials of the envelop enclosure of residential buildings, in order to select the energy-saving solution which conforms with the geographical and climatic characteristics in Harbin among various schemes of the material of the exterior wall insulation system and external doors and windows. The optimum scheme is to promote the use value and reduce the building cost on the premise of guaranteed functionality. Also, It will provide reference for the construction and development of Harbin, in order to realize the sustainable development of construction industry.

Key words：energy-efficient buildings; building envelope; value analysis

作者簡介：劉麗妍(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：工程經(jīng)濟與項目管理.

收稿日期：2015-09-25

中圖分類號：TU-9

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-4679(2015)06-0048-04