節(jié)能材料在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘 要：針對(duì)建筑墻體設(shè)計(jì)中節(jié)能材料的應(yīng)用問(wèn)題，本文根據(jù)熱力學(xué)原理以及材料熱傳導(dǎo)等內(nèi)容結(jié)合生命周期成本分析方法，對(duì)建筑設(shè)計(jì)中節(jié)能材料的選擇優(yōu)化模型進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明所提出的優(yōu)化選擇模型具有較好的適用性，同時(shí)案例分析表明任何隔熱節(jié)能材料都有最佳隔熱厚度。研究材料中的玻璃棉和巖棉對(duì)環(huán)境影響最小的厚度分別為0.219m和0.098m。本文的結(jié)論對(duì)后續(xù)節(jié)能材料在建筑工程中的設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作具有參考意義。

關(guān)鍵詞：節(jié)能材料；隔熱材料；建筑設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU 20 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新，人們對(duì)居住環(huán)境的要求逐漸提高，建筑行業(yè)也迅速發(fā)展[1]。目前，環(huán)保問(wèn)題已成為亟需解決的問(wèn)題。針對(duì)建筑行業(yè)在建筑設(shè)計(jì)中使用環(huán)保材料的方法進(jìn)行探討，并融入節(jié)能理念，以此降低環(huán)境代價(jià)成為未來(lái)建筑節(jié)能研究的重要研究方向[2]。建筑工程作為人們生產(chǎn)生活的基礎(chǔ)，其自身能耗對(duì)環(huán)境保護(hù)方面有十分重大的影響[3]。在建筑實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，通過(guò)使用有效的隔熱材料來(lái)最大程度地減少建筑能耗以及對(duì)環(huán)境的影響。為對(duì)節(jié)能材料在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用情況進(jìn)行優(yōu)化，本文結(jié)合能效分析和生命周期評(píng)估評(píng)價(jià)方法，對(duì)建筑墻體的保溫材料厚度進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 分析方法

建筑物墻體的建設(shè)多采用石材、鋼筋混凝土、黏土磚、混凝土磚等材料，且墻體結(jié)構(gòu)的選擇和建設(shè)主要由所在地區(qū)的氣候條件所決定，即在氣候相對(duì)溫暖的地區(qū)，通常采用磚石或混凝土外層覆蓋較薄的石膏層作為墻體，而在寒冷的北方地區(qū)，則需要采用夾層墻結(jié)構(gòu)，以抵御嚴(yán)寒入侵，保持室內(nèi)溫度，夾層墻由兩層磚層中間的保溫層和內(nèi)外表面的兩層石膏層組成。在墻體的材料選擇過(guò)程中，保溫材料的選擇對(duì)建筑能耗的影響十分明顯，為進(jìn)一步提高建筑節(jié)能效果，本文采用全生命周期分析方法對(duì)墻體設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行研究。

生命周期成本主要是利用系統(tǒng)的使用壽命和當(dāng)前功率因數(shù)找到在建筑墻體中，使用絕緣材料而節(jié)省的凈經(jīng)濟(jì)成本的一種工具。其主要使用物質(zhì)和經(jīng)濟(jì)因素的單位成本來(lái)估計(jì)生命周期的實(shí)際成本。本文結(jié)合全生命周期分析方法對(duì)節(jié)能材料在建筑墻體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，具體內(nèi)容如下。

根據(jù)能量守恒定律，熱量會(huì)從較高溫度向較低溫度過(guò)渡，這些熱量損失會(huì)造成能量損失[4-6]。因此為了計(jì)算墻體的最佳隔熱厚度，需要計(jì)算通過(guò)墻體產(chǎn)生的熱量損失，計(jì)算墻壁單位面積的年熱損失如公式（1）所示。

QA=86.400（HDD）（U） " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：QA為單位墻體年熱量損耗；HDD為供熱情況；U為傳熱系數(shù)。

對(duì)圖1所示的墻體來(lái)說(shuō)，未隔熱墻體和隔熱墻體的總熱阻的計(jì)算過(guò)程如公式（2）所示。

（2）

式中：Unins為無(wú)隔熱墻體傳熱系數(shù)；Ri為外部熱阻；Rip為內(nèi)抹灰部分熱阻；Rbr為磚墻部分熱阻；Rop為外抹灰部分熱阻；Ro為內(nèi)部熱阻。

帶隔熱材料的墻體的計(jì)算過(guò)程如公式（3）所示。

（3）

式中：Uins為帶隔熱墻體傳熱系數(shù)；Rins為隔熱層部分熱阻。

根據(jù)每年通過(guò)建筑墻體傳輸?shù)哪芰浚磕甑姆拍軗p失的計(jì)算過(guò)程如公式（4）所示。

（4）

式中：Exloss，Q，ins為帶隔熱材料墻體內(nèi)部環(huán)境的能動(dòng)損失；ηs為供暖系統(tǒng)的效率，%；To為室外空氣設(shè)計(jì)溫度，℃；Tin為室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)溫度。

計(jì)算基于年能耗的年油耗如公式（5）所示。

（5）

式中：mf為單位面積墻體的燃料消耗量；Exloss，S為燃燒過(guò)程中的能量損失；Exf為燃料消耗量；Exloss，Q為內(nèi)部環(huán)境的能量損失。

總的能效環(huán)境影響函數(shù)如公式（6）所示。

BT，ins=bfmf+bCO2mCO2+binsρinsxins " " （6）

式中：BT，ins為帶隔熱層墻體對(duì)環(huán)境的能效影響；bf為燃料的環(huán)境影響；mf為單位面積墻體的燃料消耗量；bCO2為CO2的環(huán)境影響；mCO2為每單位面積墻體的CO2排放量；bins為帶隔熱層的環(huán)境影響；ρins為帶隔熱層墻體的密度；xins為隔熱層厚度，m。

使用隔熱材料后的凈節(jié)省計(jì)算過(guò)程如公式（7）所示。

S=BT，nins-BT，ins " " " " " " " " " " " " " " （7）

式中：S為使用保溫材料而節(jié)省的環(huán)境影響凈值；BT，nins為未使用隔熱材料墻體對(duì)環(huán)境的總能效影響；BT，ins為帶隔熱材料墻體對(duì)環(huán)境的總能效影響。

通過(guò)最小化總能耗環(huán)境影響，獲得最佳厚度[7-9]。使用MATLAB優(yōu)化工具箱計(jì)算每種隔熱材料的最佳厚度。使用保溫材料而節(jié)省的熱能損失凈值的計(jì)算過(guò)程如公式（8）所示。

SE=Exloss，Q，nins-Exloss，Q，ins " " " " " " " " " " " " （8）

式中：SE為優(yōu)化后的保溫材料節(jié)省的熱能損失凈值；Exloss，Q，nins為未使用隔熱材料時(shí)內(nèi)部環(huán)境的能量損失；Exloss，Q，ins為使用隔熱材料時(shí)內(nèi)部環(huán)境的能量損失。

2 算例分析

2.1 算例簡(jiǎn)介

本文計(jì)算分析墻體的簡(jiǎn)化模型如圖1所示，為進(jìn)一步突出研究問(wèn)題，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，本文將研究墻體簡(jiǎn)化為墻面、墻體材料以及保溫材料。在本次研究工作中，根據(jù)山東德州市冬季的氣候條件，將墻外溫度固定為-5℃，墻內(nèi)溫度固定為23℃，建筑物主要材料參數(shù)見(jiàn)表1。此外，在基本情況下，假設(shè)燃料溫度、燃燒室溫度和煙道氣溫度分別為10℃、500℃和130℃。

采用MATLAB進(jìn)行計(jì)算。MATLAB（Matrix Laboratory），即矩陣實(shí)驗(yàn)室，它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，具有十分強(qiáng)大的計(jì)算功能。此外，MATLAB還具有語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、交互性好、數(shù)據(jù)可視化等很多優(yōu)點(diǎn)，能夠充分滿足本研究中的計(jì)算需求。

2.2 結(jié)果分析

圖2顯示了巖棉和玻璃棉的總能耗環(huán)境影響及其凈節(jié)能量隨保溫層厚度的變化。可以看出，每種隔熱材料都存在一個(gè)總影響最小、凈節(jié)能量最大的最佳點(diǎn)。隨著厚度的增加，總體能耗對(duì)環(huán)境的影響會(huì)呈現(xiàn)先小后大的趨勢(shì)，這種情況是由隔熱材料和燃料消耗的共同作用造成的，即增加隔熱材料會(huì)減少熱量損失，從而減少燃料消耗，使能耗對(duì)環(huán)境的影響呈線性變化。這會(huì)導(dǎo)致兩種隔熱材料對(duì)環(huán)境影響的凈節(jié)能量呈相反趨勢(shì)。如圖2所示，凈節(jié)能量先增加，后減少，由于隔熱材料增至一定程度會(huì)減少放熱損失，因此對(duì)節(jié)能環(huán)保有益，但隔熱量進(jìn)一步增加會(huì)導(dǎo)致隔熱材料對(duì)環(huán)境的影響占主導(dǎo)地位。在最佳點(diǎn)上，對(duì)環(huán)境的總體影響和凈節(jié)能量分別會(huì)達(dá)到最小和最大。從圖中可以看出，玻璃棉和巖棉的最佳絕緣厚度分別為0.219m和0.098m。巖棉的最佳絕緣厚度小于玻璃棉，因此在所需空間方面更可取。綜上所述，從兩種材料的環(huán)境影響方面來(lái)看，玻璃棉的效果更好。

圖3顯示了使用隔熱材料后放熱損失的變化及其節(jié)省的能量。它對(duì)環(huán)境的影響微乎其微，因此兩種隔熱材料之間的差異非常小。根據(jù)圖3可知，兩種材料的放熱損失都隨著隔熱層厚度的增加而呈對(duì)數(shù)減少。因此隨著隔熱材料厚度的增加，能耗損失的凈節(jié)能量呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。這種對(duì)數(shù)趨勢(shì)說(shuō)明當(dāng)厚度小于最佳點(diǎn)時(shí)，增加隔熱厚度的效果更好，而當(dāng)厚度較大時(shí)，這種趨勢(shì)會(huì)減弱。另一方面，放熱損失呈持續(xù)下降趨勢(shì)，且沒(méi)有最佳點(diǎn)。在最佳點(diǎn)前，巖棉和玻璃棉的能耗損失分別為初始值的78.88%和91.25%。環(huán)境影響在很大程度上取決于加熱所消耗的燃料，這使高隔熱厚度更有意義，然而成本分析更傾向于減少材料使用，同時(shí)將放能損失保持在最低水平。與巖棉相比，玻璃棉的年能耗損失值較小，而能耗損失凈節(jié)能值較高。因此，巖棉隔熱材料在節(jié)能方面的性能比玻璃棉更好。

3 結(jié)論

本文根據(jù)室內(nèi)環(huán)境的能量損失，對(duì)建筑墻體進(jìn)行了生命周期環(huán)境和經(jīng)濟(jì)分析。在研究中使用了巖棉和玻璃棉兩種隔熱材料，以找出使用隔熱材料對(duì)環(huán)境造成的總能量損失和每年節(jié)省的成本，得出以下研究結(jié)果。1）根據(jù)熱力學(xué)原理以及材料熱傳導(dǎo)等內(nèi)容結(jié)合生命周期成本分析方法和環(huán)境影響分析方法，研究了建筑設(shè)計(jì)中墻體隔熱材料厚度的選擇模型，并通過(guò)算例驗(yàn)證了模型的可行性。2）在每種情況下，兩種隔熱材料都有一個(gè)最佳絕緣厚度。以研究材料為例，玻璃棉和巖棉對(duì)環(huán)境影響最小的最佳厚度分別為0.219m和0.098m。

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