严寒地区钢结构厂房外墙保温厚度最优化分析

吕 青 李晓润 陈水荣

(中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088)

·建筑节能·

严寒地区钢结构厂房外墙保温厚度最优化分析

吕 青 李晓润 陈水荣

(中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088)

以长春地区钢结构厂房常见的保温材料为例，通过采暖负荷与生命周期法综合分析，得出严寒地区工业厂房不同保温材料的经济厚度、保温材料的价格、煤炭价格等在严寒地区总费用中所占比重，以供钢结构厂房外墙保温设计提供借鉴。

保温厚度，生命周期法，年度总负荷，建筑节能

建筑物分为工业建筑和民用建筑，在建筑节能方面，人们更多的关注民用建筑的节能。许志忠、白延林等[1]在调查中发现，我国每年完成的建筑投资额中，工业建筑与民用建筑的投资比为53∶47，可见工业建筑占有大量比例。其中钢结构是工业建筑中一种主要的结构形式，钢材具有非常好的导热性能，其导热系数达到50 W/(m·℃)，对于钢结构厂房，如果不进行保温隔热处理，势必会造成大量的能量浪费和消耗。外围护结构中墙体所占面积最大，外围护的隔热性差及气密性不良都会造成大量热损失，建筑物总能耗中建筑物外墙传热能耗占23%～34%，所以外墙的节能设计与改造是建筑节能的重点[2]。因此对钢结构工业厂房的外墙保温厚度进行优化分析具有显著的现实意义。

1 钢结构工业厂房保温构造

钢结构是以钢材制作为主的一种结构，是主要的建筑类型之一。钢结构具有强度高、自重轻、钢度大且抗震性能好；建筑工期短，因此工程造价低；有较大的变形，能很好的承受动力荷载；其工业化程度高，可进行机械化程度高的专业化生产等优点。钢结构是工业厂房最常采用的一种承重结构形式。

彩钢保温夹芯板保温墙体适用于钢结构工业厂房。其是由两层成型金属面板(或其他材料面板)和直接在面板中间发泡、熟化成型的高分子隔热内芯组成。彩钢保温夹芯板常用保温材料有：岩棉、聚苯乙烯(EPS)、聚氨酯等。

1)岩棉夹芯板。岩棉是一种良好的无极保温材料，岩棉明显的特点是耐火性好，阻燃吸湿性大，其价格便宜。岩棉夹芯板导热系数不大于0.038 W/(m2·K)。

2)聚苯乙烯(EPS)夹芯板。聚苯乙烯是以聚苯乙烯树脂为主要原料，经发泡剂发泡而制成的内部具有无数封闭微孔的材料。其保温效果好，价格便宜，强度稍差。聚苯乙烯(EPS)夹芯板，导热系数不大于0.041 W/(m2·K)。

3)聚氨酯夹芯板。聚氨酯夹芯板导热系数为不大于0.033 W/(m2·K)，具有良好的绝热性能，其防水性好，保温效果好，强度高，发泡可制成任意形状，适合现场施工，但价格较贵。

2 保温厚度分析

2.1 年度总负荷计算

年度总负荷计算公式[3]：

Qt=Qw+QS。

(1)

(2)

其中，Qt为年度总负荷，kJ/m2；Qw为夏季负荷，kJ/m2；QS为冬季负荷，kJ/m2；HDD18为采暖度日数，℃·d；CDD26为空调度日数,℃·d；K为墙体传热系数，W/(m2·℃),计算公式为：

(3)

其中，Rn，Rw分别为墙体内外表面的换热阻，根据规范规定，一般Rn取0.11 m2·℃/W；Rw取0.05 m2·℃/W；Rj为围护结构各材料层的热阻。忽略围护结构其他材料热阻，保温材料的热阻为：

(4)

其中，λ为保温材料的导热系数，W/(m·℃)；δ为保温材料的厚度，m。

2.2 费用计算

严寒地区厂房通常采用锅炉统一冬季供暖，则能耗费用的基本公式为：

(5)

其中,Cw为年采暖总费用，元/ m2；Ct为煤炭单价，元/kg；Qw为年采暖耗热费用；H为煤炭发热量，kJ/kg；η1为室外管网输送效率，取0.9；η2为锅炉的运行效率，取0.68。

将保温材料整个生命周期内要消耗的煤炭费用折算为当前的费用，采用现值系数(Present Worth Factor,PWF)方法进行计算。现值系数是在N年内每年等额收支一笔资金，在利率及通货膨胀因素影响下，此等额年金收支的现值总额。PWF计算式为[4]：

PWF=[1-(1+I*)-N]/I*

(6)

(7)

(8)

其中，N为保温材料使用年限，年；g为通货膨胀率；I为贷款利率。

则年采暖总费用公式为：

(9)

令建筑采暖总费用Cz取一个最小值Cz，min，对应的厚度值即为经济厚度δ0p。

3 经济保温厚度的应用

3.1 工程模型

严寒地区主要是冬季采暖，夏季不用空调。在计算保温层经济厚度时只考虑对围护结构耗热量的影响。冬季供暖时计算保温经济厚度就可以采用生命周期耗费分析法。以长春市某厂房为例，进行墙体经济保温厚度的分析。

厂房主体采用门刚结构，层高7.5m，门窗采用单框双玻中空塑钢窗。选用常用的保温材料对保温层厚度进行分析。计算的保温材料有膨胀聚苯乙烯夹芯板、岩棉夹芯板、聚氨酯夹芯板。

3.2 保温经济分析

以岩棉夹芯板为例，岩棉夹芯板单位体积的造价为Cin=250 元/m3；选用动力煤，吉林省售价(考虑运费影响)为0.78元/kg,煤发热量Hc=16.8MJ/kg；假定国家年贷款利率i=5.94%，通货膨胀率g=3.3%，使用年限N=20年。计算可得出PWF=1.07，HDD18=4 497 ℃·d，图1反映了保温层厚度与相应费用之间的关系。

从图1可以看出，保温材料费用随保温厚度的增加而增大。同时，能耗费用随厚度的增加而减小。保温厚度在80mm时总费用为最低值。当保温厚度达到一定值后，总费用曲线趋近于保温材料费用曲线。可以认为，保温材料达到一定值后，保温材料费用成为影响总费用的主要因素，能耗费用对总费用影响不大。

3.3 不同煤炭价格及保温材料价格对应的经济厚度

根据《民用建筑节能设计标准》对吉林省地区外墙保温节能要求，计算不同保温材料达到该节能要求的最小保温厚度，如表1所示。从表1可以看出，各种保温材料在厚度70mm～80mm下即可满足节能设计要求。上述的经济保温厚度完全能达到节能设计标准的要求。如果在设计过程中保温厚度一味增加，能耗费用降低较少，且大大增加了建筑成本，节能效果不明显。

煤炭价格及保温材料价格是影响钢结构厂房外墙经济厚度的重要因素之一。将近几年煤炭价格与保温材料价格进行综合分析，对应的岩棉夹芯板的经济厚度见表2。

表1 满足节能要求最小保温厚度

表2 满足节能要求经济保温厚度

综合表1与表2可以看出，在满足《民用建筑节能设计标准》外墙保温节能要求前提下，保温经济厚度公式在一定范围内存在经济保温厚度。保温材料经济厚度值随煤炭单价的增长而增大；随保温材料单价增长而降低。

4 计算结果与分析

1)根据吉林省地区《民用建筑节能设计标准》的要求，经过经济计算，以长春为例，工业厂房常采用的三种保温材料满足节能要求下的最小保温厚度在70 mm～80 mm左右。

2)实际工程中，简单地直接取用推荐值或凭经验确定保温厚度极易造成经济成本增加。为有效的提高建筑物的经济性与节能性，外墙保温层厚度根据地区建筑节能标准、工程的具体条件计算得到，能有效地提高建筑物的经济性。严寒地区钢结构工业厂房经济保温厚度建议取80 mm为宜。

如果需要增加保温厚度，会大大增加建筑投入成本。

3)上述结论采用生命周期法对外墙保温材料经济厚度进行分析，是在度日数全天供暖情况下得出的。在计算经济厚度时，工业厂房具体的度日数需要根据实际情况考虑。

4)由于建筑物外墙不同朝向接受的热辐射不同，因此不同朝向外墙保温厚度可根据具体情况进行调整。

[1] 许志忠,白延林.我国工业建筑节能设计初探[J].工程建设与设计,2008(7):21.

[2] 荆有印,柴保双,宋 燕,等.寒冷地区外墙保温对建筑负荷的影响及经济保温厚度的确定[J].建筑科学,2012(12):39-41.

[3] 王厚华,吴伟伟.居住建筑外墙外保温厚度的优化分析[J].重庆大学学报,2008(8):937-941.

[4] 许建柳,何嘉鹏,孙伟民.南京建筑围护结构保温层经济厚度计算研究[J].暖通空调,2008(1):49-51.

[5] 李多田.外墙外保温技术的设计研究[J].山西建筑，2012，38(3)：206-207.

The optimization analysis on workshop exterior wall thermal insulation thickness of steel structure in cold area

LV Qing LI Xiao-run CHEN Shui-rong

(ChinaMetallurgicalBuildingResearchInstituteLimitedCompany,Beijing100088,China)

Taking the common thermal insulation material of steel structure workshop in Changchun area as an example, through the comprehensive analysis on heating load and life cycle, gained the proportion of economic thickness, heat preservation material price, coal price etc. in total cost in cold area of different insulation materials of industrial plants, so as to provided reference for external wall thermal insulation design of steel structure building.

insulation thickness, life cycle method, total annual load, building energy saving

1009-6825(2014)03-0204-02

2013-11-13

吕 青(1984- )，女，硕士，工程师； 李晓润(1974- )，男，教授级高级工程师； 陈水荣(1964- )，男，教授级高级工程师

TU201.5

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