基于多尺度熱傳導(dǎo)分析的建筑隔熱層節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化

梁馨予

（蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

建筑隔熱層節(jié)能設(shè)計(jì)是為了應(yīng)對全球能源危機(jī)、氣候變化和環(huán)境保護(hù)等問題而展開的研究領(lǐng)域[1]。建筑隔熱層作為建筑節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)之一，其設(shè)計(jì)會直接影響建筑物能源利用效率和環(huán)境友好性[2]。隔熱層節(jié)能設(shè)計(jì)旨在通過材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝等方面的優(yōu)化，降低建筑物的能耗。研究建筑隔熱層節(jié)能設(shè)計(jì)既有助于降低建筑物運(yùn)行成本，也能夠推動(dòng)建筑的綠色低碳發(fā)展[3]。通過不斷探索創(chuàng)新，建筑隔熱層節(jié)能設(shè)計(jì)將在促進(jìn)建筑可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮重要作用。多尺度熱傳導(dǎo)分析在建筑隔熱層節(jié)能優(yōu)化中具有重要的作用，它能夠幫助解決建筑隔熱層節(jié)能優(yōu)化面臨的各種難點(diǎn)。多尺度熱傳導(dǎo)分析可以更全面和準(zhǔn)確地評估建筑隔熱層的熱傳導(dǎo)性能。通過考慮不同尺度下的熱傳導(dǎo)機(jī)制和影響因素，可以深入了解隔熱層的熱傳導(dǎo)行為，并定量分析不同尺度上的能量傳遞過程，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

徐河等[4]利用bim 技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種綠色建筑節(jié)能方法。改進(jìn)了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助建筑技術(shù)，結(jié)合新技術(shù)，充分融合bim，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。曹馨勻等[5]考慮了能耗限額，研究了夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能方案。能耗限額由多目標(biāo)優(yōu)化算法NSGA-II 實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，張勇等[6]提出了多代理輔助多目標(biāo)進(jìn)化優(yōu)化方法，以實(shí)現(xiàn)建筑的節(jié)能。

本文在此基礎(chǔ)上，以建筑隔熱層結(jié)構(gòu)為前提，構(gòu)建了建筑隔熱層的多尺度熱傳導(dǎo)性能模型。引入成本目標(biāo)，建立建筑隔熱層子目標(biāo)模型，最終實(shí)現(xiàn)了建筑隔熱層的節(jié)能。

1 建筑隔熱層介紹

建筑隔熱層是一種應(yīng)用于建筑物外墻或屋頂?shù)牟牧?，旨在減少室內(nèi)和室外之間的能量交換，提高建筑的節(jié)能性能?，F(xiàn)階段的建筑隔熱層主要包括傳統(tǒng)的隔熱材料和新型的高性能隔熱材料。傳統(tǒng)的隔熱材料包括巖棉、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫（EPS）、聚氨酯泡沫等，這些材料具有良好的隔熱性能和燃燒性能。而新型的高性能隔熱材料包括石墨烯復(fù)合材料、空氣凝膠、藍(lán)寶石涂料等，這些材料具有更高的隔熱性能和環(huán)保性，成為未來建筑隔熱領(lǐng)域的新趨勢。選擇適合的隔熱材料對于提高建筑物的節(jié)能性能和舒適度至關(guān)重要。

建筑隔熱層的主要作用包括：

保溫隔熱：隔熱層可以有效減少建筑內(nèi)外溫差對能耗產(chǎn)生的影響，降低建筑物的冷熱傳導(dǎo)，提高建筑的保溫隔熱性能。

節(jié)能環(huán)保：良好的隔熱層設(shè)計(jì)可以降低建筑的能耗，減少空調(diào)、供暖等能源的消耗，從而降低碳排放，促進(jìn)建筑節(jié)能減排。

提高室內(nèi)舒適度：通過隔熱層的設(shè)計(jì)，可以有效控制室內(nèi)溫濕度，在所有季節(jié)內(nèi)維持良好的舒適度，提高居住和工作環(huán)境品質(zhì)。

防潮防火：隔熱層還具有一定的防潮、防火功能，保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)，延長建筑的使用壽命。

建筑樓頂隔熱層示意圖如圖1。

圖1 建筑樓頂隔熱層

2 多尺度熱傳導(dǎo)分析

多尺度熱傳導(dǎo)分析可以全面了解和評估材料或結(jié)構(gòu)在各個(gè)尺度上的熱傳導(dǎo)性能，以指導(dǎo)隔熱層設(shè)計(jì)和優(yōu)化，提高建筑的節(jié)能效果。通過多尺度熱傳導(dǎo)分析，可以深入探究不同尺度下的熱傳導(dǎo)機(jī)制、傳熱路徑以及影響因素，為設(shè)計(jì)師提供科學(xué)依據(jù)，從而最大限度地降低熱損失，提高節(jié)能效果。通過從宏觀到微觀的多尺度熱傳導(dǎo)分析，可以全面理解建筑隔熱層內(nèi)部熱傳導(dǎo)機(jī)制，并根據(jù)不同尺度的分析結(jié)果，設(shè)計(jì)出更有效的隔熱層方案。這樣的設(shè)計(jì)可以最大程度地減少熱傳導(dǎo)，提高隔熱層的性能，從而實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能、舒適性和環(huán)保性的目標(biāo)。

在上述條件的基礎(chǔ)上，建立下述建筑隔熱層的多尺度熱傳導(dǎo)性能模型：

式中，α0表示多尺度熱傳導(dǎo)系數(shù)，T外表面表示隔熱層的外表面溫度，T內(nèi)表面表示隔熱層內(nèi)表面溫度，T室外為室外綜合溫度，T隔熱層溫度為隔熱層結(jié)構(gòu)層的溫度，H為隔熱層厚度。Ti表示室內(nèi)氣溫。

尺度熱傳導(dǎo)系數(shù)是指在不同長度尺度下，描述隔熱層材料熱傳導(dǎo)性能的系數(shù)。通過在不同尺度上分析材料的熱傳導(dǎo)行為，可以深入了解材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)機(jī)制的變化規(guī)律，為優(yōu)化隔熱層設(shè)計(jì)提供詳盡的熱性能指導(dǎo)。相比之下，敏感度系數(shù)則衡量了隔熱層熱傳導(dǎo)性能對參數(shù)變化的敏感程度，通過計(jì)算敏感度系數(shù)，可以確定影響隔熱層性能的關(guān)鍵因素，并有針對性地進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。而節(jié)能率作為評價(jià)隔熱層節(jié)能效果的指標(biāo)，反映了隔熱層在減少熱量傳輸方面的效率和節(jié)能效果，是衡量隔熱層性能優(yōu)劣的重要參考依據(jù)。綜合考慮多尺度熱傳導(dǎo)系數(shù)、敏感度系數(shù)和節(jié)能率等指標(biāo)，有助于全面評估隔熱層的熱傳導(dǎo)性能和節(jié)能效果，從而為建筑節(jié)能和環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)的支持和指導(dǎo)。

在建筑隔熱層設(shè)計(jì)中，隔熱材料的多尺度熱傳導(dǎo)系數(shù)直接影響著隔熱效果的好壞。一般來說，隔熱材料的多尺度熱傳導(dǎo)系數(shù)越小，表明其在不同尺度上的熱傳導(dǎo)性能越好，隔熱效果越明顯，節(jié)能率相對較高。同時(shí)，敏感度系數(shù)的大小也會影響建筑隔熱層的節(jié)能效果。如果隔熱層材料的敏感度系數(shù)較低，即對參數(shù)變化不敏感，那么在實(shí)際應(yīng)用中可以更穩(wěn)定地保持較高的節(jié)能率。

因此，建筑隔熱層設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇具有較小多尺度熱傳導(dǎo)系數(shù)和較低敏感度系數(shù)的隔熱材料，以實(shí)現(xiàn)更高的節(jié)能率。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以通過基于模擬分析和數(shù)據(jù)對比的方法，評估不同材料和參數(shù)設(shè)定下的多尺度熱傳導(dǎo)系數(shù)和敏感度系數(shù)，進(jìn)而選擇最優(yōu)的隔熱層設(shè)計(jì)方案，從而達(dá)到提高建筑節(jié)能率的目的。綜上所述，建筑隔熱層多尺度熱傳導(dǎo)系數(shù)與敏感度系數(shù)密切相關(guān)，通過合理選材和設(shè)計(jì)，可提高隔熱層的節(jié)能性能，進(jìn)而提高建筑的整體節(jié)能率和環(huán)保效益。

3 建筑隔熱層節(jié)能模型設(shè)計(jì)

建筑隔熱層的節(jié)能要求包括有效減少建筑內(nèi)外熱量傳輸、提高保溫性能，并符合當(dāng)?shù)亟ㄖ?jié)能法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。隔熱層設(shè)計(jì)需考慮材料的導(dǎo)熱系數(shù)、結(jié)構(gòu)密封性、厚度選擇等因素，以實(shí)現(xiàn)在各種氣候條件下的節(jié)能效果，促進(jìn)建筑節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。建筑隔熱層節(jié)能材料具有良好的防潮性、防火性和耐久性，能夠有效隔離外部溫度對建筑內(nèi)部的影響，同時(shí)具備綠色環(huán)保特性，不含有害物質(zhì)，符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和建筑法規(guī)要求，以確保建筑隔熱層在提高節(jié)能效果的同時(shí)，保證建筑安全、舒適和環(huán)保。傳統(tǒng)建筑隔熱層節(jié)能設(shè)計(jì)往往忽視成本因素，導(dǎo)致高效隔熱層設(shè)計(jì)成本過高，限制了其實(shí)際應(yīng)用范圍。通過引入成本目標(biāo)，可以將節(jié)能設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)可行性相結(jié)合，尋找最佳的成本效益平衡點(diǎn)，確保節(jié)能措施的實(shí)際可行性和經(jīng)濟(jì)性。

在以上要求下，在建筑隔熱層節(jié)能優(yōu)化過程中引入成本目標(biāo)。建立建筑隔熱層子目標(biāo)模型f：

式中，f0表示材料的單價(jià)成本；n表示建筑層數(shù)；S表示隔熱層總面積；h表示建筑高度。

由上述分析可知，多種因素均可對建筑隔熱層的節(jié)能產(chǎn)生影響，根據(jù)分析結(jié)果，建立建筑的年能耗子目標(biāo)函數(shù)F：

式中，L表示隔熱層長度；φ表示夏季制冷能耗與隔熱層長度L之間的關(guān)系系數(shù)；φ表示冬季制冷能耗與隔熱層長度L之間的關(guān)系系數(shù)；A表示空調(diào)在夏季制冷產(chǎn)生的能耗；B表示空調(diào)在冬季制熱產(chǎn)生的能耗；C為設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的能耗。

將成本最低和保溫隔熱能耗最小作為優(yōu)化目標(biāo)，建立建筑隔熱層節(jié)能優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)χ：

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證研究方法的整體有效性，需要對其展開測試。選擇5 層建筑作為測試環(huán)境，測試研究方法的建筑隔熱層的節(jié)能效果。利用EnergyPlus 模擬該建筑的頂層隔熱層的能耗。EnergyPlus 是美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院（NIST）開發(fā)的一種廣泛使用的建筑能耗模擬軟件。它可模擬建筑物的熱、光、空氣和濕度等各個(gè)方面，并提供詳細(xì)的能耗分析結(jié)果。在該軟件中，模擬春夏秋冬4 個(gè)季節(jié)，全面測試研究方法下隔熱層節(jié)能效果。研究方法應(yīng)用前后不同季節(jié)下隔熱層能耗測試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 研究方法應(yīng)用前后不同季節(jié)下隔熱層能耗測試

通過圖2 可知，在研究方法應(yīng)用后，建筑隔熱層的能耗在一年四季均得到了有效抑制。這主要是因?yàn)樵诒敬窝芯恐?，基于多尺度熱傳?dǎo)分析構(gòu)建了建筑隔熱層的性能模型，并引入成本目標(biāo)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化。通過明確建筑隔熱層的節(jié)能要求和考慮成本因素，有效地優(yōu)化了隔熱層的設(shè)計(jì)與材料選擇，在保證節(jié)能效果的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)合理性。由于優(yōu)化后的隔熱層結(jié)構(gòu)具備更高的保溫性能和節(jié)能效果，在一年四季中能夠有效抑制建筑能耗，使建筑在冬暖夏涼的控溫效果得到顯著提升，從而實(shí)現(xiàn)了全年能耗的有效控制和節(jié)約。

隔熱層成本直接關(guān)系到施工過程中的時(shí)間和人力成本。采用成本高昂的隔熱材料或復(fù)雜的施工工藝可能增加施工時(shí)間和勞動(dòng)力消耗，而成本較低且施工簡便的材料和技術(shù)可以提高施工效率?；诖?，為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的成本控制效果，以一年四季的總成本為指標(biāo)，完成下面測試。研究方法應(yīng)用前后不同季節(jié)下隔熱層能耗測試結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3 可知，研究方法應(yīng)用下，建筑隔熱層節(jié)能處理的成本明顯降低，說明本文新引入的成本因素具有關(guān)鍵的參考價(jià)值，使得研究方法的實(shí)用性更優(yōu)。

5 結(jié)論

在本研究中，通過多尺度熱傳導(dǎo)分析優(yōu)化建筑隔熱層節(jié)能性，同時(shí)考慮節(jié)能要求和成本因素，構(gòu)建了綜合性的建筑隔熱層優(yōu)化模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法在一年四季均具有理想的節(jié)能效果，為建筑節(jié)能領(lǐng)域提供了重要的理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。

總結(jié)來看，本研究的方法不僅解決了建筑隔熱層節(jié)能優(yōu)化中存在的多尺度問題，還充分考慮了成本目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能與經(jīng)濟(jì)的平衡。應(yīng)用前景廣闊，未來，可以進(jìn)一步結(jié)合智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建筑隔熱層的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與管理，提升節(jié)能效果及舒適性。這一研究成果為推動(dòng)建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)際意義。