夏热冬冷地区住宅建筑最佳保温层厚度分析

黄志甲 张希桢 郑飚 祝立萍

安徽工业大学建筑工程学院

夏热冬冷地区住宅建筑最佳保温层厚度分析

黄志甲 张希桢 郑飚 祝立萍

安徽工业大学建筑工程学院

以夏热冬冷地区马鞍山市的某住宅建筑为案例模型，利用TRNSYS软件模拟其全年能耗变化。在能耗模拟的基础上，应用建筑生命周期成本理论计算出岩棉板和玻化微珠保温砂浆两种无机保温材料在生命周期直接成本和环境成本下的最佳外墙保温层厚度。研究结果表明：在生命周期直接成本下，岩棉板和玻化微珠的最佳保温层厚度分别为50mm、60mm；环境成本下两种保温材料的最佳保温层厚度均为60mm。研究结果为建筑节能围护结构改造提供优化参数。

建筑能耗 生命周期 保温层厚度

在夏热冬冷地区住宅建筑围护结构各部分空调采暖能耗中，外墙能耗比例占19%～26%[1]。要降低建筑物的能耗，需考虑墙体保温节能。墙体的保温层厚度影响空调采暖运行能耗和保温材料的投资成本，合理选择其厚度使得在整个生命周期内建筑运行能耗及建筑成本最低，确定最佳保温层厚度对建筑节能工作具有重要指导意义。目前国内外针对保温层厚度的研究主要有生命周期方法[2～3]、P1-P2经济性模型[4～5]，或是采用采暖空调度日数结合现值的方法[6]和基于环境性能[7]的方法。本研究在前人的基础上，运用TRNSYS能耗模拟和生命周期理论，分别计算建筑生命周期直接成本和环境成本，从而得出在夏热冬冷地区住宅建筑分别使用岩棉板和玻化微珠保温砂浆的最佳保温层厚度。

1 基准住宅能耗模拟

基准住宅计算模型为马鞍山市一栋六户五层居民楼，层高3m，两室一厅一厨一卫，每户建筑面积为91m2。围护结构为普通混凝土空心砌块，导热系数为0.73W/(m·K)。该建筑体形系数为0.4，南向、北向、东向、西向窗墙比为0.4、0.31、0.06、0.09，空调换气次数为1.0次/h[8]，使用年限按50年计。图1为该基准住宅平面图。

图1 基准住宅平面图

1.1 计算参数

根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ134-2001），住宅内部热扰设定：室内照明得热每天为0.0141kWh/m2，室内人员、设备等得热平均强度为4.3W/m2。夏季室内温度设定为26℃，冬季室内温度设定为18℃，夏季空调和冬季采暖额定能效比分别取2.3和1.9。

1.2 能耗模拟方案

为遏制外墙保温材料起火，选择防火等级为A的岩棉板（方案A）和玻化微珠保温砂浆（方案B）作为建筑外墙保温材料，取不同保温层厚度（20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm）进行能耗模拟。

1.3 能耗模拟结果

依据上述基准住宅模型及设定工况，使用TRNSYS能耗软件进行建筑全年能耗模拟，动态计算出其全年的采暖负荷、空调负荷和总负荷，再根据采暖、空调设备的额定能效比得到相应的采暖、空调以及总能耗量。方案A、B的全年能耗如表1所示。

表1 方案A与方案B的全年能耗（kWh/m2）

从表1可以看出，方案B的各项能耗指标大于方案A的各项能耗指标，且两者之间的差值趋势随保温层厚度的增加而减小，当保温层厚度从80mm增加到100mm时，方案A的耗冷量反超方案B的耗冷量，可见保温层越厚，岩棉的优势逐渐变小。

2 建筑生命周期清单计算模型

传统的建筑物能量系统是由建筑内的各种能耗设备组成，主要是采暖空调设备，边界是建筑围护结构。建筑节能又分成两个独立的领域：一是组成建筑本体的围护结构等建筑材料，主要由建筑设计师通过建筑结构设计完成；二是建筑设计中的各种耗能设备，主要由设备工程师通过水、暖、电的系统设计完成。因此建筑物能量系统生命周期由围护结构材料生命周期和能源生命周期组成，这两条生命周期主线在建筑物使用阶段交汇[9]。具体如图2所示。

图2 建筑物能量系统生命周期模型

由于岩棉板和玻化微珠两种无机保温材料寿命在建筑物生命周期50年内，无需进行二次乃至多次施工[10]，故模型不考虑保温材料的拆除与施工能耗。另一方面，由于研究的保温材料及保温层厚度不同，使得围护结构传热系数不同，因此建筑运行阶段空调冷热源能耗不同，故模型考察与保温相关的材料生产和围护结构采暖空调运行阶段，材料生产阶段只考虑差异部分的保温材料，建筑运行阶段只考虑空调冷热源。结合TRNSYS全年能耗模拟结果，得到建筑物的生命周期数据清单Q，计算式如下：

式中：Hi为不同保温层厚度下保温材料的使用量，kg/m2；Mj为1kg保温材料生产的生命周期数据清单，kg；C为建筑物使用寿命，本文定为50年；qi为不同厚度下建筑全年的采暖空调耗电量，kWh/m2；Nj为1kWh电力生产的生命周期数据清单，kg；qj为不同的保温层厚度，从20mm变化到100mm，每次增加10mm；j为电力及保温材料的生命周期数据清单因子。

3 外墙最佳保温层厚度

随着保温层厚度的增加，保温材料的使用量增加，则其生产成本增加；而随着保温层厚度的增加，保温效果增强，采暖空调耗电量减少，因此建筑的采暖空调运行成本会减少，两者之和的总成本有一个先减后增的趋势，其间存在一个最低点，此最低点就是外墙的最佳保温层厚度。

3.1 生命周期直接成本下的最佳保温层厚度

根据市场一般价格，岩棉用于外墙保温的单价为10元/kg，玻化微珠保温砂浆2.8元/kg[11～12]，电力单价为0.5元/kWh。根据模拟计算所得住宅一年的采暖空调能耗，可以计算出在2种模拟方案下住宅在其生命周期内的采暖空调电费。由计算结果可知，随着保温层厚度的增加，方案A、B的采暖空调费随之减小。即在采暖空调费的基础上，将保温材料的生产成本考虑其中，生命周期直接成本包括采暖空调运行成本和保温材料生产成本。方案A和方案B的总成本如表2所示：

表2 两种模拟方案直接成本的总成本（元/m2）

从表2可知，在直接成本下，方案A的最佳保温层厚度为50mm，最低生命周期总成本为544.1元/m2；方案B住宅外墙最佳保温厚度为60mm，最低生命周期总成本为576.3元/m2。国内《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中规定外墙保温层厚度为30mm，而在德国的建筑节能标准中则规定其外墙保温层厚度为200mm～300mm，因此认为直接成本下两种保温材料的最佳保温层厚度在将来的居住建筑节能中是切实可行的。

结合生命周期数据清单，将电力及保温材料生产生命周期数据清单中的原煤折算成标准煤，得出两种模拟方案最佳保温层厚度下的住宅能耗及CO2排放指标如表3所示。

表3 不同模拟方案住宅能耗及CO2排放指标

3.2 生命周期环境成本下的最佳保温层厚度

根据Stepwise2006的环境成本计算方法[10～14]，仅考虑电力及保温材料生产清单因子中温室气体及CO2的环境成本。即在直接成本的基础上，将空调运行和保温材料生产造成的环境能源消耗考虑其中，从而构成了生命周期环境成本。则方案A、方案B的总成本如表4所示。

表4 两种模拟方案的直接成本与环境成本之和（元/m2）

从表4可知，在考虑环境成本的情况下，方案A住宅外墙最佳保温层厚度为60mm，最低生命周期环境成本为628.1元/m2；方案B住宅外墙最佳保温厚度为60mm，最低生命周期环境成本为670.8元/m2。

2种模拟方案在最佳保温层厚度下的住宅能耗及CO2排放指标如表5所示。

表5 不同模拟方案住宅能耗及CO2排放指标

3.3 两种情况下的外墙最佳保温层厚度比较

比较方案A、方案B在最佳保温层厚度下的生命周期直接成本及环境成本可得，在夏热冬冷地区，生命周期直接成本下方案A的最佳厚度小于生命周期环境成本下的最佳厚度，方案B在两种成本下的最佳厚度相等。保温层厚度增加，会使电力生产带来的环境成本减小及保温材料生产带来环境成本增加，而方案A在考虑环境成本之后其最佳厚度变大了，即说明电力生产带来的环境影响大于岩棉板生产带来的环境影响，故需要增加岩棉板厚度来减少电力生产带来的环境影响。

4 结论

1）针对夏热冬冷地区的气候特点，选取岩棉板和玻化微珠保温砂浆这两种保温材料作为研究对象，以马鞍山市某住宅建筑作为基准模型，利用TRNSYS平台模拟该模型的全年能耗，建立了建筑生命周期清单计算模型用以计算在直接成本和环境成本下的最佳保温层厚度。

2）在生命周期直接成本下岩棉板的最佳保温层厚度为50mm；玻化微珠的最佳保温层厚度60mm。

3）在生命周期环境成本下岩棉板和玻化微珠的最佳保温层厚度均为60mm。

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Optim iza tion Ana lys is of Ins ula tion La ye r Thic kne s s of Re s ide ntia l Building in Hot Sum m e r a nd Cold Winte r Zone

HUANG Zhi-jia,ZHANG Xi-zhen,ZHENG Biao,ZHU Li-ping
School of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Technology

The TRNSYS simulation software was used to simulate the annual energy consumption of the residential building in city of Ma’anshan in hot summer and cold winter area.On this basis,the theory of life cycle cost was used to calculate the direct cost and environmental cost targets for the best exterior wall insulation layer thickness of two inorganic insulation material including rock wool and vitrified small ball.The results show that under the theory of life cycle direct cost the best exterior wall insulation layer thickness of rock wall and vitrified small ball are 50mm and 60mm,under the theory of environmental cost the best exterior wall insulation layer thickness of two insulation materials are 60mm.The results of this paper can provide optimized parameters for building energy-saving envelope reconstruction.

building energy consumption,life cycle,insulation thickness

1003-0344（2015）05-063-4

2014-3-28

黄志甲（1963～），男，博士，教授；安徽省马鞍山市湖东路59号（243032）；0555-2316527；E-mail:hzj@ahut.edu.cn

住房与城乡建设部科学计划项目（2013-K1-34）；安徽省住房城乡建设科学技术计划项目（2013YF-33）