建筑外墻最佳保溫厚度及環(huán)境影響研究*

劉向偉，郭興國，陳國杰，陳友明，羅娜

(1.南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031； 2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082； 3.南華大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

建筑外墻最佳保溫厚度及環(huán)境影響研究*

劉向偉1，郭興國1，陳國杰2,3，陳友明2?，羅娜1

(1.南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031； 2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082； 3.南華大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

建筑外墻保溫能有效地減少建筑能耗，從而減少因能源消耗而引起的環(huán)境污染問題.本文用多層墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱模型進(jìn)行能耗計算，并用P1-P2經(jīng)濟(jì)性模型分析居住建筑外墻的生命周期成本，預(yù)測4個朝向2種常用保溫材料的最佳保溫層厚度和節(jié)能效益.同時，提出等價燃煤量方法，分別計算最佳保溫層厚度和不保溫情況下的CO2和SO2排放量，并分析應(yīng)用最佳保溫層厚度的減排潛力.以長沙地區(qū)為例，結(jié)果表明，保溫層最佳厚度范圍為0.08～0.13 m，生命周期最大凈現(xiàn)值為116.26～133.45元/m2，投資回收年限為3.1～3.5年.根據(jù)性價指標(biāo)，膨脹聚苯乙烯比擠塑聚苯乙烯更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性.當(dāng)采用最佳保溫層厚度時，CO2的排放量減少了17.4～19.51 kg/(m2a)，SO2的排放量減少了0.036～0.04 kg/(m2a)，污染氣體的排放量能減少了75.8%～78.6%.

建筑外墻；保溫層最佳厚度；生命周期成本；現(xiàn)值因子；環(huán)境影響

Abstract：Thermal insulation is an effective way to reduce the energy consumption of buildings.And it is friendly for environment because the reduction of energy consumption means less emission.In this paper，the transient heat transfer model was used to calculate the energy consumption caused by the heat transmission cross the exterior wall into room.P1-P2economic model was used to analyze the life cycle total cost of exterior wall of residential building.The optimum thickness of the commonly used insulation materials including extruded polystyrene and expanded polystyrene was calculated with respect to East，South，West and North.The life cycle savings and payback periods were analyzed.The equivalent coal was calculated according to electricity consumption which is generated by the coal-fired power.Then the emission of CO2and SO2was estimated.The reduction potential of emissions was calculated when optimum insulation thickness was applied in comparison to un-insulated situation.Taking Changsha for example，the results show that the optimum insulation thickness is between 0.08 and 0.13m.The maximum life cycle saving varies from 116.26 to 133.45 yuan/m2.The payback period ranges from 3.1 to 3.5 years.The economic performance of expanded polystyrene is better than that of extruded polystyrene according to the economic indexes.The emission of CO2can be reduced by 17.4～19.51 kg/m2year，and the emission of SO2can be reduced by 0.036～0.04 kg/m2year.The emissions can be reduced by 74.5～78.6%.

Keywords：exterior wall；optimum insulation thickness；life cycle cost；present worth factor；environment impact

目前中國正處在一個建筑業(yè)飛速發(fā)展的階段，人們生活從生存型向舒適型轉(zhuǎn)變，建筑能耗占全社會總能耗的比例持續(xù)上升[1]，預(yù)計至2020年建筑能耗將占社會總能耗的35%[2-3].建筑節(jié)能問題受到政府和全社會的高度關(guān)注.空調(diào)能耗占建筑能耗的50%～60%[4].隨著生活水平的提高，空調(diào)能耗將繼續(xù)增加[5].降低空調(diào)能耗是實現(xiàn)建筑節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一.建筑外墻保溫能有效地減少建筑外墻傳熱引起的空調(diào)負(fù)荷，是實現(xiàn)建筑節(jié)能的重要措施[5-8]，尤其在夏熱冬冷地區(qū).夏熱冬冷地區(qū)過去是非采暖地區(qū)，建筑設(shè)計不考慮采暖要求，也談不上夏季空調(diào)降溫.建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能差，能源利用效率較低[9].而建筑外墻保溫會增加建設(shè)成本.從工程的角度出發(fā)，應(yīng)使建筑生命周期總成本最低，即保溫層投資和建筑生命周期內(nèi)空調(diào)采暖費(fèi)用之和最小使建筑生命周期總成本最低的保溫層厚度即為最佳保溫層厚度.能源消耗涉及到環(huán)境污染問題，其中最受關(guān)注的是溫室效應(yīng)問題.能源消耗引起的CO2排放量占到人為因素產(chǎn)生的CO2總量的80%[10].建筑節(jié)能也意味著有效的減少污染物排放，保護(hù)和改善環(huán)境.

目前最佳保溫層厚度研究主要采用度日法進(jìn)行能耗計算[11-14]，通過建立建筑外墻生命周期經(jīng)濟(jì)性模型，預(yù)測最佳保溫層厚度和節(jié)能效益.少量研究采用多層圍護(hù)結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)熱傳遞模型進(jìn)行能耗計算[15].因為建筑外墻保溫能減少建筑能耗，這也意味著保溫能減少污染物排放.一部分研究者[10，15-17]已開始研究最佳保溫層厚度對減少CO2，SO2及其它溫室氣體排放的影響.在中國，對最佳保溫層厚度的研究較少，而且都采用度日法進(jìn)行能耗計算.度日法是靜態(tài)計算方法，在溫度劇烈變化的氣候條件下其計算結(jié)果有較大誤差.而外墻保溫層對環(huán)境影響方面的研究尚未涉及.故本文采用多層墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱模型進(jìn)行能耗計算，并用P1-P2經(jīng)濟(jì)性模型來分析居住建筑外墻的生命周期成本，預(yù)測最佳保溫層厚度和節(jié)能效益.提出等價燃煤量方法，分別計算最佳保溫層厚度和不保溫情況下的CO2和SO2排放量，并預(yù)測應(yīng)用最佳保溫層厚度時的減排潛力.

1 建筑外墻空調(diào)及采暖能耗費(fèi)用計算

1.1 多層墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱模型

假設(shè)建筑墻體內(nèi)無內(nèi)熱源，一維非穩(wěn)態(tài)熱傳遞方程可表示為[15]：

(1)

式中：x和t分別為空間坐標(biāo)和時間坐標(biāo).Tj，ρj，cj和kj分別為第j層的溫度、密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù).

交界面處的熱傳遞可表示為：

Tj=Tj+1，j=1,2,3,…,N

(2)

(3)

假設(shè)坐標(biāo)由室外指向室內(nèi)側(cè)，相應(yīng)的邊界條件表示為：

qn,e=he(Te-Ts,e)+αI

(4)

qn,i=hi(Ts,i-Ti)

(5)

式中：qn,e和qn,i分別為通過建筑墻體外表面和內(nèi)表面的熱流密度；he和hi分別為室外側(cè)和室內(nèi)側(cè)的對流換熱系數(shù)，he=23.26 W/(m2K),hi=8.72 W/(m2K)[18]；Te和Ti分別為室外和室內(nèi)空氣溫度，制冷工況下Ti為26 ℃，供熱工況下Ti為18 ℃[9]，Te取自典型年氣象參數(shù)[19]；Ts,e和Ts,i分別為建筑墻體外表面和內(nèi)表面溫度；α為建筑墻體外表面太陽輻射吸收系數(shù)；I為垂直照射到建筑墻體外表面的太陽輻射.

1.2 建筑外墻空調(diào)和采暖能耗費(fèi)用計算

單位面積建筑外墻的瞬時熱損失為：

qj=hj(Ti-Ts,i)

(6)

式中：qj為單位面積瞬時熱損失，W/m2.

供冷季單位面積外墻損失的熱量Qc為：

(7)

式中：Nc為供冷天數(shù).

供暖季單位面積外墻損失的熱量Qh為：

(8)

式中：Nh為采暖天數(shù).

(9)

式中：Ec為單位面積外墻空調(diào)能耗費(fèi)用 ，元/m2；CE為電的單價 ，元/kWh；EER為空調(diào)額定能效比.

單位面積建筑外墻采暖能耗費(fèi)用為：

(10)

式中：Eh為單位面積外墻采暖能耗費(fèi)用 ，元/m2；η為采暖額定能效比.

2 生命周期經(jīng)濟(jì)性分析模型

本文考慮資金的現(xiàn)值，采用Duffie 提出的P1-P2經(jīng)濟(jì)性模型分析方法[20]，分析不同保溫層厚度下的生命周期成本，以獲得最佳保溫層厚度.P1-P2經(jīng)濟(jì)性模型的表達(dá)式為：

(11)

(12)

式中：P1為能耗費(fèi)用在經(jīng)濟(jì)分析年限Ne內(nèi)總支出的現(xiàn)值因數(shù)，即經(jīng)濟(jì)分析年限內(nèi)總能耗費(fèi)用與首年的比例；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)保溫層投資總額與初投資之比；D為首付百分比；Ms為年維修費(fèi)與初投資之比；Rv為再售價與初投資之比；NL為貸款期限；Nmin=min(Ne，NL)；m為貸款利率.

單位面積保溫層的成本可表示為：

Cins=Cixins+Cp

(13)

式中：Cins為保溫層成本 ，元/m2;Ci為保溫層單價 元/m3;xins為保溫層厚度 ,m;Cp為其它綜合費(fèi)用 元/m2;包括人工費(fèi)和不可預(yù)見費(fèi)等.

生命周期內(nèi)總投資現(xiàn)值LCT為空調(diào)供暖能耗費(fèi)用與保溫層投資現(xiàn)值之和，其表達(dá)式為：

LCT=P1(Ec+Eh)+P2Cinsxins

(14)

生命周期內(nèi)凈現(xiàn)值LCS為空調(diào)采暖所節(jié)能費(fèi)用現(xiàn)值與保溫層投資現(xiàn)值之差，即：

LCS=LCTun-LCTins=P1(ΔEc+ΔEh)-

P2Cinsxins

(15)

式中:LCTun為不保溫情況下生命周期內(nèi)總投資現(xiàn)值，LCTins為保溫情況下生命周期內(nèi)總投資現(xiàn)值，ΔEc和ΔEh分別為與不保溫情況相比，保溫情況下空調(diào)和采暖所節(jié)能費(fèi)用.

從工程的角度出發(fā)，生命周期內(nèi)總投資現(xiàn)值LCT最小或生命周期內(nèi)凈現(xiàn)值LCS最大時，保溫層厚度最佳.

生命周期內(nèi)凈現(xiàn)值LCS為零時，表示空調(diào)采暖所節(jié)能費(fèi)用現(xiàn)值與保溫層投資現(xiàn)值相等，此時對應(yīng)的分析年限即為投資回收年限Np，可表示為：

(16)

3 燃燒計算

中國目前火電依然占重要市場份額，而煤等燃料的燃燒會排放大量的污染氣體，加重中國當(dāng)前面臨的嚴(yán)峻環(huán)境污染問題.等價燃煤量可以表示為：

(17)

式中:Mcoal為等價燃煤量 ,kg;LHV為煤的低熱燃燒值，LHV=29.295×106,J/kg[21];ηcf為火電機(jī)組的發(fā)電效率；β為電網(wǎng)損耗率;ηcf=0.45，β=0.067 2[22].

燃料燃燒的一般過程可表示為[15-16,21]：

CxHzOwSyNt+aA(O2+3.76N2)

(18)

式中:A,B,E為常數(shù)，可由氧原子平衡方程得到.

CO2和SO2的排放量可表示為：

(19)

(20)

式中:M為燃料的摩爾分子量,g/mol.

煤的分子式為C7.074H5.149O0.521S0.01N0.086[21].

4 結(jié)果與討論

4.1 外墻最佳保溫層厚度

本文以長沙地區(qū)為例，取該地區(qū)典型墻體 (水泥砂漿20 mm+紅磚240 mm+石灰砂漿20 mm)，對2種常用保溫材料厚度進(jìn)行優(yōu)化.材料參數(shù)見表1，經(jīng)濟(jì)性參數(shù)見表2，取第一檔電價0.588(元/kWh)，空調(diào)額定能效比取2.3，采暖額定能效比取1.9[9].

表1 外墻材料參數(shù)

表2 經(jīng)濟(jì)性參數(shù)

生命周期內(nèi)總投資現(xiàn)值LCT隨保溫層厚度變化的曲線如圖1所示.從圖1可以看出，生命周期內(nèi)總投資現(xiàn)值先隨保溫層厚度的增加而減小，當(dāng)保溫層厚度達(dá)到某一值后，生命周期內(nèi)總投資現(xiàn)值隨保溫層厚度的增加而增加.生命周期內(nèi)總投資現(xiàn)值最小時所對應(yīng)的保溫層厚度即為最佳保溫層厚度xop.圖2為長沙地區(qū)4個朝向2種常用保溫材料的最佳厚度.膨脹聚苯乙烯的最佳厚度大于擠塑聚苯乙烯的最佳厚度.保溫層最佳厚度的范圍為0.08～0.13 m.不同朝向的墻體中南向保溫層最佳厚度最小，其次是東向，西向和北向.

圖3和圖4分別顯示了生命周期內(nèi)保溫層最佳厚度對應(yīng)的總投資現(xiàn)值LCTop和凈現(xiàn)值LCSop.

從圖3可看出，膨脹聚苯乙烯的LCTop比擠塑聚苯乙烯的LCTop小，從圖4是可以看出，膨脹聚苯乙烯的LCSop比擠塑聚苯乙烯的LCSop大，這表明膨脹聚苯乙烯比擠塑聚苯乙烯更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性.不同朝向的LCTop和LCSop依次為南向<北向<東向<西向.

圖1 保溫外墻生命周期內(nèi)總投資現(xiàn)值

圖2 保溫層最佳厚度

圖3 不同材料和朝向的LCTop

圖4 不同材料和朝向的LCSop

投資回收年限Np如表3所示，回收年限為3.1～3.5 a.

表3 投資回收年限Np

4.2 外墻保溫的環(huán)境收益

長沙地區(qū)電能供應(yīng)主要為火電，煤燃燒會排放大量污染氣體，破壞生態(tài)環(huán)境.外墻保溫能減少電能消耗從而減少燃煤量，減少污染物排放.本文通過等價燃煤量來評估外墻保溫的環(huán)境影響.最佳保溫層厚度情況下CO2和SO2的排放量如表4所示.不保溫情況下CO2和SO2的排放量如表5所示.當(dāng)采用最佳保溫層厚度時，CO2和SO2的排放量分別減少了17.4～19.51 kg/(m2a)和0.036～0.04 kg/(m2a)；CO2和SO2等污染氣體的排放量減少了75.8%～78.6%.這表明采用最佳保溫層厚度時能大幅度減少CO2和SO2等污染氣體的排放量.

表4最佳保溫層厚度情況下CO2和SO2的排放量

Tab.4 Annual emissions of CO2 and SO2 when the optimuminsulation thickness is appliedkg/(m2 a)

表5不保溫情況下CO2和SO2的排放量

Tab.5 Annual emissions of CO2 and SO2 forun-insulated wallkg/(m2 a)

5 結(jié) 論

本文采用多層墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱模型進(jìn)行能耗計算，并用P1-P2經(jīng)濟(jì)性模型分析居住建筑外墻的生命周期成本，預(yù)測4個朝向2種常用保溫材料的最佳保溫層厚度和節(jié)能效益，并提出等價燃煤量方法，計算采用最佳保溫層厚度時，CO2和SO2等污染氣體排放的減少量.文中以夏熱冬冷地區(qū)長沙為例進(jìn)行案例分析，結(jié)果表明，膨脹聚苯乙烯的最佳厚度大于擠塑聚苯乙烯的最佳厚度.保溫層最佳厚度的范圍為0.08～0.13 m.生命周期最大凈現(xiàn)值為116.26～133.45元/m2.投資回收年限為3.1～3.5 a.根據(jù)性價指標(biāo)，膨脹聚苯乙烯比擠塑聚苯乙烯更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性.當(dāng)采用最佳保溫層厚度時，CO2和SO2等污染氣體的排放量能減少75.8～78.6%.雖然文中僅以長沙地區(qū)為例進(jìn)行案例分析，但本文主要從方法上來論述如何確定建筑外墻保溫層厚度及其對環(huán)境的影響，文中所提出的研究方法可推廣應(yīng)用到全國不同氣候區(qū)域，對提高居住建筑外墻保溫性能，減少能耗及污染氣體排放有重要的指導(dǎo)意義.

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Optimum Insulation Thicknessof Exterior Wall and Its Environment Impacts

LIU Xiangwei1，GUO Xingguo1，CHEN Guojie2,3，CHEN Youming2?，LUO Na1

(1.School of Civil Engineering and Architecture，Nanchang University，Nanchang 330031，China; 2.College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China; 3.College of Civil Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China)

1674-2974(2017)09-0182-06

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.09.023

2016-06-14

國家自然科學(xué)基金資助項目(51208247，51408294，51078127),National Natural Science Foundation of China(51208247，51408294，51078127)

劉向偉(1987—)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，南昌大學(xué)講師，博士

?通訊聯(lián)系人，E-mail:ymchen@hnu.edu.cn

TU111.4

A