建筑外墙最佳保温厚度及环境影响研究*

刘向伟，郭兴国，陈国杰，陈友明，罗娜

(1.南昌大学 建筑工程学院，江西 南昌 330031； 2.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082； 3.南华大学 土木工程学院，湖南 衡阳 421001)

建筑外墙最佳保温厚度及环境影响研究*

刘向伟1，郭兴国1，陈国杰2,3，陈友明2†，罗娜1

(1.南昌大学 建筑工程学院，江西 南昌 330031； 2.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082； 3.南华大学 土木工程学院，湖南 衡阳 421001)

建筑外墙保温能有效地减少建筑能耗，从而减少因能源消耗而引起的环境污染问题.本文用多层墙体非稳态传热模型进行能耗计算，并用P1-P2经济性模型分析居住建筑外墙的生命周期成本，预测4个朝向2种常用保温材料的最佳保温层厚度和节能效益.同时，提出等价燃煤量方法，分别计算最佳保温层厚度和不保温情况下的CO2和SO2排放量，并分析应用最佳保温层厚度的减排潜力.以长沙地区为例，结果表明，保温层最佳厚度范围为0.08～0.13 m，生命周期最大净现值为116.26～133.45元/m2，投资回收年限为3.1～3.5年.根据性价指标，膨胀聚苯乙烯比挤塑聚苯乙烯更具经济优越性.当采用最佳保温层厚度时，CO2的排放量减少了17.4～19.51 kg/(m2a)，SO2的排放量减少了0.036～0.04 kg/(m2a)，污染气体的排放量能减少了75.8%～78.6%.

建筑外墙；保温层最佳厚度；生命周期成本；现值因子；环境影响

Abstract：Thermal insulation is an effective way to reduce the energy consumption of buildings.And it is friendly for environment because the reduction of energy consumption means less emission.In this paper，the transient heat transfer model was used to calculate the energy consumption caused by the heat transmission cross the exterior wall into room.P1-P2economic model was used to analyze the life cycle total cost of exterior wall of residential building.The optimum thickness of the commonly used insulation materials including extruded polystyrene and expanded polystyrene was calculated with respect to East，South，West and North.The life cycle savings and payback periods were analyzed.The equivalent coal was calculated according to electricity consumption which is generated by the coal-fired power.Then the emission of CO2and SO2was estimated.The reduction potential of emissions was calculated when optimum insulation thickness was applied in comparison to un-insulated situation.Taking Changsha for example，the results show that the optimum insulation thickness is between 0.08 and 0.13m.The maximum life cycle saving varies from 116.26 to 133.45 yuan/m2.The payback period ranges from 3.1 to 3.5 years.The economic performance of expanded polystyrene is better than that of extruded polystyrene according to the economic indexes.The emission of CO2can be reduced by 17.4～19.51 kg/m2year，and the emission of SO2can be reduced by 0.036～0.04 kg/m2year.The emissions can be reduced by 74.5～78.6%.

Keywords：exterior wall；optimum insulation thickness；life cycle cost；present worth factor；environment impact

目前中国正处在一个建筑业飞速发展的阶段，人们生活从生存型向舒适型转变，建筑能耗占全社会总能耗的比例持续上升[1]，预计至2020年建筑能耗将占社会总能耗的35%[2-3].建筑节能问题受到政府和全社会的高度关注.空调能耗占建筑能耗的50%～60%[4].随着生活水平的提高，空调能耗将继续增加[5].降低空调能耗是实现建筑节能的关键环节之一.建筑外墙保温能有效地减少建筑外墙传热引起的空调负荷，是实现建筑节能的重要措施[5-8]，尤其在夏热冬冷地区.夏热冬冷地区过去是非采暖地区，建筑设计不考虑采暖要求，也谈不上夏季空调降温.建筑围护结构热工性能差，能源利用效率较低[9].而建筑外墙保温会增加建设成本.从工程的角度出发，应使建筑生命周期总成本最低，即保温层投资和建筑生命周期内空调采暖费用之和最小使建筑生命周期总成本最低的保温层厚度即为最佳保温层厚度.能源消耗涉及到环境污染问题，其中最受关注的是温室效应问题.能源消耗引起的CO2排放量占到人为因素产生的CO2总量的80%[10].建筑节能也意味着有效的减少污染物排放，保护和改善环境.

目前最佳保温层厚度研究主要采用度日法进行能耗计算[11-14]，通过建立建筑外墙生命周期经济性模型，预测最佳保温层厚度和节能效益.少量研究采用多层围护结构非稳态热传递模型进行能耗计算[15].因为建筑外墙保温能减少建筑能耗，这也意味着保温能减少污染物排放.一部分研究者[10，15-17]已开始研究最佳保温层厚度对减少CO2，SO2及其它温室气体排放的影响.在中国，对最佳保温层厚度的研究较少，而且都采用度日法进行能耗计算.度日法是静态计算方法，在温度剧烈变化的气候条件下其计算结果有较大误差.而外墙保温层对环境影响方面的研究尚未涉及.故本文采用多层墙体非稳态传热模型进行能耗计算，并用P1-P2经济性模型来分析居住建筑外墙的生命周期成本，预测最佳保温层厚度和节能效益.提出等价燃煤量方法，分别计算最佳保温层厚度和不保温情况下的CO2和SO2排放量，并预测应用最佳保温层厚度时的减排潜力.

1 建筑外墙空调及采暖能耗费用计算

1.1 多层墙体非稳态传热模型

假设建筑墙体内无内热源，一维非稳态热传递方程可表示为[15]：

(1)

式中：x和t分别为空间坐标和时间坐标.Tj，ρj，cj和kj分别为第j层的温度、密度、比热容和导热系数.

交界面处的热传递可表示为：

Tj=Tj+1，j=1,2,3,…,N

(2)

(3)

假设坐标由室外指向室内侧，相应的边界条件表示为：

qn,e=he(Te-Ts,e)+αI

(4)

qn,i=hi(Ts,i-Ti)

(5)

式中：qn,e和qn,i分别为通过建筑墙体外表面和内表面的热流密度；he和hi分别为室外侧和室内侧的对流换热系数，he=23.26 W/(m2K),hi=8.72 W/(m2K)[18]；Te和Ti分别为室外和室内空气温度，制冷工况下Ti为26 ℃，供热工况下Ti为18 ℃[9]，Te取自典型年气象参数[19]；Ts,e和Ts,i分别为建筑墙体外表面和内表面温度；α为建筑墙体外表面太阳辐射吸收系数；I为垂直照射到建筑墙体外表面的太阳辐射.

1.2 建筑外墙空调和采暖能耗费用计算

单位面积建筑外墙的瞬时热损失为：

qj=hj(Ti-Ts,i)

(6)

式中：qj为单位面积瞬时热损失，W/m2.

供冷季单位面积外墙损失的热量Qc为：

(7)

式中：Nc为供冷天数.

供暖季单位面积外墙损失的热量Qh为：

(8)

式中：Nh为采暖天数.

(9)

式中：Ec为单位面积外墙空调能耗费用 ，元/m2；CE为电的单价 ，元/kWh；EER为空调额定能效比.

单位面积建筑外墙采暖能耗费用为：

(10)

式中：Eh为单位面积外墙采暖能耗费用 ，元/m2；η为采暖额定能效比.

2 生命周期经济性分析模型

本文考虑资金的现值，采用Duffie 提出的P1-P2经济性模型分析方法[20]，分析不同保温层厚度下的生命周期成本，以获得最佳保温层厚度.P1-P2经济性模型的表达式为：

(11)

(12)

式中：P1为能耗费用在经济分析年限Ne内总支出的现值因数，即经济分析年限内总能耗费用与首年的比例；d为市场贴现率；PWF为现值因数；i为燃料价格的年增长率；P2为分析年限Ne内保温层投资总额与初投资之比；D为首付百分比；Ms为年维修费与初投资之比；Rv为再售价与初投资之比；NL为贷款期限；Nmin=min(Ne，NL)；m为贷款利率.

单位面积保温层的成本可表示为：

Cins=Cixins+Cp

(13)

式中：Cins为保温层成本 ，元/m2;Ci为保温层单价 元/m3;xins为保温层厚度 ,m;Cp为其它综合费用 元/m2;包括人工费和不可预见费等.

生命周期内总投资现值LCT为空调供暖能耗费用与保温层投资现值之和，其表达式为：

LCT=P1(Ec+Eh)+P2Cinsxins

(14)

生命周期内净现值LCS为空调采暖所节能费用现值与保温层投资现值之差，即：

LCS=LCTun-LCTins=P1(ΔEc+ΔEh)-

P2Cinsxins

(15)

式中:LCTun为不保温情况下生命周期内总投资现值，LCTins为保温情况下生命周期内总投资现值，ΔEc和ΔEh分别为与不保温情况相比，保温情况下空调和采暖所节能费用.

从工程的角度出发，生命周期内总投资现值LCT最小或生命周期内净现值LCS最大时，保温层厚度最佳.

生命周期内净现值LCS为零时，表示空调采暖所节能费用现值与保温层投资现值相等，此时对应的分析年限即为投资回收年限Np，可表示为：

(16)

3 燃烧计算

中国目前火电依然占重要市场份额，而煤等燃料的燃烧会排放大量的污染气体，加重中国当前面临的严峻环境污染问题.等价燃煤量可以表示为：

(17)

式中:Mcoal为等价燃煤量 ,kg;LHV为煤的低热燃烧值，LHV=29.295×106,J/kg[21];ηcf为火电机组的发电效率；β为电网损耗率;ηcf=0.45，β=0.067 2[22].

燃料燃烧的一般过程可表示为[15-16,21]：

CxHzOwSyNt+aA(O2+3.76N2)

(18)

式中:A,B,E为常数，可由氧原子平衡方程得到.

CO2和SO2的排放量可表示为：

(19)

(20)

式中:M为燃料的摩尔分子量,g/mol.

煤的分子式为C7.074H5.149O0.521S0.01N0.086[21].

4 结果与讨论

4.1 外墙最佳保温层厚度

本文以长沙地区为例，取该地区典型墙体 (水泥砂浆20 mm+红砖240 mm+石灰砂浆20 mm)，对2种常用保温材料厚度进行优化.材料参数见表1，经济性参数见表2，取第一档电价0.588(元/kWh)，空调额定能效比取2.3，采暖额定能效比取1.9[9].

表1 外墙材料参数

表2 经济性参数

生命周期内总投资现值LCT随保温层厚度变化的曲线如图1所示.从图1可以看出，生命周期内总投资现值先随保温层厚度的增加而减小，当保温层厚度达到某一值后，生命周期内总投资现值随保温层厚度的增加而增加.生命周期内总投资现值最小时所对应的保温层厚度即为最佳保温层厚度xop.图2为长沙地区4个朝向2种常用保温材料的最佳厚度.膨胀聚苯乙烯的最佳厚度大于挤塑聚苯乙烯的最佳厚度.保温层最佳厚度的范围为0.08～0.13 m.不同朝向的墙体中南向保温层最佳厚度最小，其次是东向，西向和北向.

图3和图4分别显示了生命周期内保温层最佳厚度对应的总投资现值LCTop和净现值LCSop.

从图3可看出，膨胀聚苯乙烯的LCTop比挤塑聚苯乙烯的LCTop小，从图4是可以看出，膨胀聚苯乙烯的LCSop比挤塑聚苯乙烯的LCSop大，这表明膨胀聚苯乙烯比挤塑聚苯乙烯更具经济优越性.不同朝向的LCTop和LCSop依次为南向<北向<东向<西向.

图1 保温外墙生命周期内总投资现值

图2 保温层最佳厚度

图3 不同材料和朝向的LCTop

图4 不同材料和朝向的LCSop

投资回收年限Np如表3所示，回收年限为3.1～3.5 a.

表3 投资回收年限Np

4.2 外墙保温的环境收益

长沙地区电能供应主要为火电，煤燃烧会排放大量污染气体，破坏生态环境.外墙保温能减少电能消耗从而减少燃煤量，减少污染物排放.本文通过等价燃煤量来评估外墙保温的环境影响.最佳保温层厚度情况下CO2和SO2的排放量如表4所示.不保温情况下CO2和SO2的排放量如表5所示.当采用最佳保温层厚度时，CO2和SO2的排放量分别减少了17.4～19.51 kg/(m2a)和0.036～0.04 kg/(m2a)；CO2和SO2等污染气体的排放量减少了75.8%～78.6%.这表明采用最佳保温层厚度时能大幅度减少CO2和SO2等污染气体的排放量.

表4最佳保温层厚度情况下CO2和SO2的排放量

Tab.4 Annual emissions of CO2 and SO2 when the optimuminsulation thickness is appliedkg/(m2 a)

表5不保温情况下CO2和SO2的排放量

Tab.5 Annual emissions of CO2 and SO2 forun-insulated wallkg/(m2 a)

5 结 论

本文采用多层墙体非稳态传热模型进行能耗计算，并用P1-P2经济性模型分析居住建筑外墙的生命周期成本，预测4个朝向2种常用保温材料的最佳保温层厚度和节能效益，并提出等价燃煤量方法，计算采用最佳保温层厚度时，CO2和SO2等污染气体排放的减少量.文中以夏热冬冷地区长沙为例进行案例分析，结果表明，膨胀聚苯乙烯的最佳厚度大于挤塑聚苯乙烯的最佳厚度.保温层最佳厚度的范围为0.08～0.13 m.生命周期最大净现值为116.26～133.45元/m2.投资回收年限为3.1～3.5 a.根据性价指标，膨胀聚苯乙烯比挤塑聚苯乙烯更具经济优越性.当采用最佳保温层厚度时，CO2和SO2等污染气体的排放量能减少75.8～78.6%.虽然文中仅以长沙地区为例进行案例分析，但本文主要从方法上来论述如何确定建筑外墙保温层厚度及其对环境的影响，文中所提出的研究方法可推广应用到全国不同气候区域，对提高居住建筑外墙保温性能，减少能耗及污染气体排放有重要的指导意义.

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Optimum Insulation Thicknessof Exterior Wall and Its Environment Impacts

LIU Xiangwei1，GUO Xingguo1，CHEN Guojie2,3，CHEN Youming2†，LUO Na1

(1.School of Civil Engineering and Architecture，Nanchang University，Nanchang 330031，China; 2.College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China; 3.College of Civil Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China)

1674-2974(2017)09-0182-06

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.09.023

2016-06-14

国家自然科学基金资助项目(51208247，51408294，51078127),National Natural Science Foundation of China(51208247，51408294，51078127)

刘向伟(1987—)，男，湖南宁乡人，南昌大学讲师，博士

†通讯联系人，E-mail:ymchen@hnu.edu.cn

TU111.4

A