嚴(yán)寒區(qū)非均衡外圍護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性研究＊

■ 崔寶霞 陳小娟 金國(guó)輝 尚琪 梁娜飛

內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院 包頭 014010

0 引言

我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)冬季嚴(yán)寒，夏季短暫。其中，內(nèi)蒙古地區(qū)的采暖期長(zhǎng)達(dá)半年之久，雖然日照資源充沛，但是晝夜溫差大。因此，為了保證居住建筑舒適的室內(nèi)環(huán)境并減少建筑能耗，本文通過(guò)改變建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性。

目前，我國(guó)處于發(fā)展中國(guó)家和農(nóng)業(yè)大國(guó)的發(fā)展階段，所以還有一半的住宅位于農(nóng)村。由于農(nóng)村住宅的布局比較分散，集中供暖比較困難，農(nóng)民的節(jié)能意識(shí)比較淺薄，造成了能源消耗大，浪費(fèi)嚴(yán)重等情況。而且，因?yàn)檗r(nóng)民的收入水平低，只看重眼前的利益，所以人們幾乎不進(jìn)行住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。HuaKeer Wang[1]通過(guò)對(duì)相變材料（PCM）的研究結(jié)果表明，當(dāng)PCM 都集中到南墻時(shí)最經(jīng)濟(jì)；沈亞倩[2]等利用DeST軟件分別對(duì)三步節(jié)能和四步節(jié)能進(jìn)行能耗模擬與分析，得出四步更節(jié)能而且也更經(jīng)濟(jì)；趙康[3]通過(guò)研究得出，在保溫材料中添加相變材料能夠有效的控制室溫，改變室內(nèi)舒適度，而且其經(jīng)濟(jì)價(jià)值能夠在使用年限中得到回收；孫立新[4]等將傳熱系數(shù)作為驗(yàn)證保溫系統(tǒng)的適用性指標(biāo)，研究建筑的全壽命周期；張垚、崔寶霞[5]利用等時(shí)效采暖的原理，研究了保溫材料在考慮經(jīng)濟(jì)性時(shí)的最佳保溫厚度、總費(fèi)用與凈現(xiàn)值，為快速確定建筑最優(yōu)保溫厚度提供了一種簡(jiǎn)便方法；梁盼[6]通過(guò)對(duì)綠色建筑的節(jié)能性，通風(fēng)系統(tǒng)，太陽(yáng)能的利用率等方面的研究，得出綠色技術(shù)符合我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且對(duì)我國(guó)的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展有重要意義。王檡[7]通過(guò)對(duì)醫(yī)院建筑的節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)與管理手段的剖析與探討，等出改造方案可以使醫(yī)院建筑的節(jié)能效果顯著提高。劉紅梅[8]通過(guò)對(duì)建筑節(jié)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性分析，得出節(jié)能技術(shù)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)性可以促進(jìn)相關(guān)政策的制定。以上研究都是先通過(guò)改變墻體材料與保溫材料的種類和厚度，然后再計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)與整體的經(jīng)濟(jì)性，這種方法不能準(zhǔn)確地模擬墻體的最佳保溫系數(shù)。所以本文通過(guò)利用SPSS和MATLAB中的遺傳算法首先模擬出最優(yōu)的傳熱系數(shù)，再確定保溫層的厚度，解決了以上存在的問(wèn)題。

本文對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的四向墻體的傳熱系數(shù)對(duì)建筑能耗和經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)模擬數(shù)據(jù)的擬合，優(yōu)化出建筑成本比較經(jīng)濟(jì)時(shí)四向墻體的最佳傳熱系數(shù)，對(duì)合理選擇和優(yōu)化建筑傳熱系數(shù)有著重要的指導(dǎo)作用。

1 構(gòu)建物理模型

1.1 設(shè)計(jì)四向墻體傳熱系數(shù)的選擇方案

根據(jù)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于嚴(yán)寒區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)的對(duì)頂進(jìn)行取值，每向墻體的取值最低為0.05 W/(m2*k)，最高為2.15 W/(m2*k)，步長(zhǎng)取0.35。使用優(yōu)選法進(jìn)行方案設(shè)計(jì)共得到247 組方案，各向墻體傳熱系數(shù)的取值如表1所示。

1.2 建立典型民居住宅模型

本文選取烏拉特地區(qū)的典型民居，建筑物總面積96 m2，層高3 m，屋面為雙坡形式，北墻為370 mm 磚墻，東南西為240 mm 墻東西向不設(shè)窗，朝向正南，烏拉特地區(qū)典型民居模型如圖1所示。

由于本文研究外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的四向墻體的傳熱系數(shù)對(duì)對(duì)建筑能耗和經(jīng)濟(jì)性的影響，因此主要通過(guò)改變外墻傳熱系數(shù)的方式進(jìn)行模擬。其中本文墻體傳熱系數(shù)的變化是通過(guò)保溫材料的厚度的變化實(shí)現(xiàn)的。調(diào)查研究表明，EPS 保溫板運(yùn)用范圍比較廣，占全國(guó)市場(chǎng)份額的40%，而XPS、巖棉、玻化微珠保溫砂漿分別占市場(chǎng)份額的20%、22%和12%，而且EPS 保溫板的造價(jià)比較低，便于施工，能夠加快施工速度，而且有利于控制工程質(zhì)量，所以，本文選取EPS作為保溫材料。

表1 四向墻體傳熱系數(shù)取值

圖1 烏拉特地區(qū)典型民居模型

2 優(yōu)化墻體的傳熱系數(shù)

雖然四向墻體的自變量取值范圍相同但不同變量之間取值的組合卻多種多樣，為了快速得到最優(yōu)解，借助MATLAB 優(yōu)化工具箱中的遺傳算法求解。它是通過(guò)模仿自然界的選擇與遺傳的機(jī)理來(lái)尋找最優(yōu)解，同時(shí)能夠避免求解過(guò)程中陷入局部最優(yōu)，從而使得解更加精確。通過(guò)遺傳算法求得四向墻體的最優(yōu)傳熱系數(shù)如圖2所示。

由圖2可知，南向墻體的傳熱系數(shù)降低了1.089K[W/(m2*k)]，東向墻體的傳熱系數(shù)降低了1.049 K[W/(m2*k)]，西向墻體的傳熱系數(shù)降低了1.029 K[W/(m2*k)]，北向墻體的傳熱系數(shù)降低了0.553 K[W/(m2*k)]，所以，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后墻體的傳熱系數(shù)都有了明顯的降低，墻體的保溫性能也大大提高了。

3 利用DeST軟件進(jìn)行建筑能耗的模擬

墻體是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，因此，墻體保溫性能的優(yōu)略對(duì)建筑物的冷熱負(fù)荷起到了決定性的作用。墻體傳熱系數(shù)不同，室內(nèi)的能耗量也不盡相同，當(dāng)墻體的傳熱系數(shù)不同時(shí)，DeST 軟件模擬的能耗量如表2所示。

由表2中可以看出，當(dāng)墻體的傳熱系數(shù)是原始系數(shù)即西墻、東墻、南墻、北墻的傳熱系數(shù)分別是1.969 K[W/(m2*k)]、1.969 K[W/(m2*k)]、1.969 K[W/(m2*k)]、1.513 K[W/(m2*k)]時(shí)，室內(nèi)的采暖能耗是154.50 kWh/m2，室內(nèi)平均的PMV 是-1.74，整個(gè)采暖季消耗的煤是4.5 t；當(dāng)墻體的傳熱系數(shù)是優(yōu)化系數(shù)即西墻、東墻、南墻、北墻的傳熱系數(shù)分別是0.94 K[W/(m2*k)]、0.92 K[W/(m2*k)]、0.88 K[W/(m2*k)]、0.96 K[W/(m2*k)]時(shí)，室內(nèi)的采暖能耗是105.58 kWh/m2，室內(nèi)平均PMV 是-1.52，整個(gè)采暖季消耗的煤是3.9 t。優(yōu)化后的室內(nèi)采暖能耗減少了48.92 kWh/m2，室內(nèi)的熱舒適性增加了0.22PMV，整個(gè)采暖季煤的消耗量節(jié)約了0.6 噸。所以，當(dāng)四向墻體的傳熱系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，墻體的保溫效果有了明顯的提高，節(jié)約了能源的消耗量。

表2 民居能耗模擬分析

4 對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行效益評(píng)價(jià)分析

本文主要對(duì)居住建筑節(jié)能優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)3 個(gè)方面進(jìn)行效益評(píng)價(jià)分析，通過(guò)分析各效益自身的特點(diǎn)，點(diǎn)明優(yōu)化方案的可行性。

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化不僅僅要優(yōu)化外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱保溫性能，同時(shí)還要在建筑節(jié)能的基礎(chǔ)上使得建筑物的成本最低。凈現(xiàn)值是指投資方案所產(chǎn)生的現(xiàn)金流量以資金成本為貼現(xiàn)率折現(xiàn)后與原始投資額現(xiàn)值的差額，凈現(xiàn)值大于零則方案可行，且凈現(xiàn)值越大方案越好，根據(jù)式（1）,（2）,（3）,（4）計(jì)算：

圖2 四向墻體的傳熱系數(shù)K［W/（m2*k）］

式中,NPVi是凈現(xiàn)值，元/m2；PWF是現(xiàn)值因子；CIi是第i種方案年增量投資收益，元/m2；COi是第i種方案初始增量費(fèi)用，元/m2；M是生命周期維修費(fèi)率，%；Cu是單位面積保溫材料建造費(fèi)用，元/m2；S是保溫工程面積，m2；P是煤炭的價(jià)格，元/t;ΔEs是模擬節(jié)能量，kWh；η1是室外管網(wǎng)輸送效率；η2是鍋爐運(yùn)行效率；Hc是標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，KW·h/kg；g是能源價(jià)格增長(zhǎng)率，%；d是折現(xiàn)率，%；n是保溫層周期壽命，a。

表3 計(jì)算參數(shù)及其數(shù)值

根據(jù)公式（1）,（2）,（3）,（4）和表3中的參數(shù)數(shù)值計(jì)算四向墻體不同傳熱系數(shù)時(shí)的凈現(xiàn)值NPVi，以NPV 作為最優(yōu)厚度確定準(zhǔn)則，再通過(guò)MATLAB 進(jìn)行數(shù)值模擬，并求出不同傳熱系數(shù)時(shí)保溫材料的厚度h。

擬合墻體保溫材料的厚度h(m)與墻體的傳熱系數(shù)Xi的關(guān)系如下：

式中：Xi為墻體傳熱系數(shù)，[W/(m2*k)]，i=東，西，南，北擬合凈現(xiàn)值與墻體保溫材料厚度h(m)的關(guān)系如下：

根據(jù)（5）～（6）的公式計(jì)算可知，當(dāng)各墻體的傳熱系數(shù)是原始傳熱系數(shù)時(shí)，計(jì)算的整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的單位面積的凈現(xiàn)值NPV1=123.44 元；當(dāng)各墻體的傳熱系數(shù)是優(yōu)化后的傳熱系數(shù)時(shí)，計(jì)算的整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的單位面積的凈現(xiàn)值NPV2=134.56元。

由上述分析求得，各方案的單位面積的能耗量與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的單位面積的凈現(xiàn)值后，可以根據(jù)價(jià)值工程原理，求得優(yōu)化方案的價(jià)值功能系數(shù)ΔV，根據(jù)功能系數(shù)ΔV的大小作為優(yōu)化方案是否可行的依據(jù)。

由上述分析計(jì)算可知，價(jià)值功能系數(shù)ΔV=4.40，方案優(yōu)化后的單位建筑面積的能源節(jié)約量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于因?yàn)榉桨竷?yōu)化單位建筑面積增加的成本，所以該優(yōu)化方案是可行的。

4.2 環(huán)境效益分析

由于近幾年我國(guó)工業(yè)與建筑業(yè)的快速發(fā)展，CO2、SO2等有害物質(zhì)的過(guò)度排放，使我國(guó)的空氣遭到了嚴(yán)重的污染，所以為了改善環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和人與自然的和諧共處，我們因該減少有害物質(zhì)的排放。本文通過(guò)優(yōu)化墻體傳熱系數(shù)，減少室內(nèi)單位建筑面積的采暖能耗，較少煤的消耗量，從而降低CO2、SO2等有害物質(zhì)的排放，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

根據(jù)上述模擬與計(jì)算可知，原始?jí)w傳熱系數(shù)的民居整個(gè)采暖季大約消耗4.5 t煤；優(yōu)化后的民居整個(gè)采暖季消耗的煤大約是3.9 t。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)工業(yè)鍋爐每燃燒1 t 煤大約產(chǎn)生2620kg 的CO2，8.5 kg 的SO2，7.4 kg 的NOx，5.5 kg 的煙塵。所以，原始方案與優(yōu)化方案整個(gè)采暖季燃燒煤產(chǎn)生的有害物質(zhì)如表4所示.

表4 整個(gè)采暖季燃燒煤產(chǎn)生的有害物質(zhì)

由表4可知，在整個(gè)采暖季中，優(yōu)化方案比原始方案產(chǎn)生的有害物質(zhì)都有明顯的降低，其中CO2的產(chǎn)生量減少了1572 kg，SO2的產(chǎn)生量減少了5.10 kg，NOx的產(chǎn)生量減少了4.44 kg，煙塵的產(chǎn)生量減少了3.30 kg。由此可知，優(yōu)化后方案大大減少了有害物質(zhì)的排放，改善了建筑物周圍的空氣環(huán)境，符合我國(guó)節(jié)能減排的政策要求，對(duì)我國(guó)建設(shè)綠水青山有重要意義。

4.3 社會(huì)效益分析

與經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益相比，建筑節(jié)能對(duì)社會(huì)效益的影響并不是那么明顯直觀，但對(duì)我國(guó)農(nóng)村住宅的持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。由于住宅建筑節(jié)能改造的前期費(fèi)用比較高，這使得農(nóng)村居民在建造的時(shí)候遠(yuǎn)離了節(jié)能改造，所以想要推進(jìn)農(nóng)村建筑節(jié)能改造的發(fā)展，政府等部門的支持與鼓勵(lì)顯得尤為重要。即政府有關(guān)部門可以制定出有利于農(nóng)村居住建筑節(jié)能改造的政策與法規(guī)，也可以通過(guò)稅收和補(bǔ)貼等優(yōu)惠政策為建筑節(jié)能創(chuàng)造一個(gè)良好的政策環(huán)境，加強(qiáng)對(duì)參與者的引導(dǎo)與激勵(lì)，最后，國(guó)家對(duì)于科技創(chuàng)新的補(bǔ)貼激勵(lì)政策同樣可以減少住宅建筑節(jié)能改造的前期成本投入，從而促進(jìn)建筑節(jié)能的市場(chǎng)發(fā)展。

要推進(jìn)農(nóng)村住宅建筑節(jié)能的發(fā)展，不能只依靠政府的政策和補(bǔ)貼，還要農(nóng)村居民意識(shí)到建筑節(jié)能對(duì)可持續(xù)發(fā)展的重要性。在可持續(xù)發(fā)展的過(guò)程中，政府要做到主導(dǎo)地位，積極的運(yùn)用市場(chǎng)運(yùn)作、政策法規(guī)、稅收補(bǔ)貼等優(yōu)惠政策，全面統(tǒng)籌發(fā)展，積極解決建筑節(jié)能在發(fā)展過(guò)程中遇到的各種風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。在節(jié)能改造的過(guò)程中，農(nóng)村居民要積極的配合節(jié)能改造的進(jìn)程，不能盲目的聽(tīng)從改造設(shè)計(jì)，要結(jié)合實(shí)際情況和了解改造效益的前提下，參與到節(jié)能改造的發(fā)展中。

建筑節(jié)能是我國(guó)建設(shè)節(jié)約、和諧社會(huì)的需要。我國(guó)21世紀(jì)以前建造的房屋與現(xiàn)在建設(shè)的房屋節(jié)能措施和節(jié)能狀況相差很大，為了滿足人們對(duì)房屋建筑的使用功能、舒適的居住環(huán)境和節(jié)約能源的要求，人們開(kāi)始把目光轉(zhuǎn)移到建筑節(jié)能改造中，大大促進(jìn)了建筑節(jié)能行業(yè)的發(fā)展。

5 結(jié)論

本文選取烏拉特地區(qū)的農(nóng)村住宅為研究對(duì)象，分別從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)3 個(gè)方面對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）本文通過(guò)MATLAB 優(yōu)化后，得出室內(nèi)單位面積的能耗量是105.58 kWh/m2，相對(duì)于原始傳熱系數(shù)的單位面積的能耗量減少了48.92 KWh/m2。在通過(guò)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性分析，得出優(yōu)化后的整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的單位面積的凈現(xiàn)值NPV1=134.56 元，原始的整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的單位面積的凈現(xiàn)值NPV2=123.44元，所以，優(yōu)化后的單位面積的凈現(xiàn)值比原始的單位面積的凈現(xiàn)值增加了11.12元。通過(guò)價(jià)值工程分析可知，價(jià)值功能系數(shù)ΔV=4.40>1，所以從經(jīng)濟(jì)方面可以得出，優(yōu)化方案是可行的。

（2）通過(guò)整個(gè)采暖季消耗煤的數(shù)量可知，優(yōu)化后產(chǎn)生的CO2、SO2、NOx和煙塵等有害物質(zhì)的排放量都有顯著的減少，改善了建筑周圍的居住環(huán)境，對(duì)我國(guó)空氣質(zhì)量的治理有顯著作用，符合我國(guó)節(jié)能減排的政策要求。節(jié)能優(yōu)化方案的可行性，同時(shí)也促進(jìn)了我國(guó)對(duì)建筑節(jié)能相關(guān)政策的發(fā)展，也有利于制定建筑節(jié)能的稅收補(bǔ)貼等優(yōu)惠政策。而這些相關(guān)政策也反過(guò)來(lái)促進(jìn)了建筑節(jié)能行業(yè)的發(fā)展。