严寒区非均衡外围护结构经济性研究＊

■ 崔宝霞 陈小娟 金国辉 尚琪 梁娜飞

内蒙古科技大学土木工程学院 包头 014010

0 引言

我国严寒地区冬季严寒，夏季短暂。其中，内蒙古地区的采暖期长达半年之久，虽然日照资源充沛，但是昼夜温差大。因此，为了保证居住建筑舒适的室内环境并减少建筑能耗，本文通过改变建筑围护结构的热工性能提高建筑围护结构的保温性。

目前，我国处于发展中国家和农业大国的发展阶段，所以还有一半的住宅位于农村。由于农村住宅的布局比较分散，集中供暖比较困难，农民的节能意识比较浅薄，造成了能源消耗大，浪费严重等情况。而且，因为农民的收入水平低，只看重眼前的利益，所以人们几乎不进行住宅围护结构的优化。HuaKeer Wang[1]通过对相变材料（PCM）的研究结果表明，当PCM 都集中到南墙时最经济；沈亚倩[2]等利用DeST软件分别对三步节能和四步节能进行能耗模拟与分析，得出四步更节能而且也更经济；赵康[3]通过研究得出，在保温材料中添加相变材料能够有效的控制室温，改变室内舒适度，而且其经济价值能够在使用年限中得到回收；孙立新[4]等将传热系数作为验证保温系统的适用性指标，研究建筑的全寿命周期；张垚、崔宝霞[5]利用等时效采暖的原理，研究了保温材料在考虑经济性时的最佳保温厚度、总费用与净现值，为快速确定建筑最优保温厚度提供了一种简便方法；梁盼[6]通过对绿色建筑的节能性，通风系统，太阳能的利用率等方面的研究，得出绿色技术符合我国的经济发展，而且对我国的节能减排和可持续发展有重要意义。王檡[7]通过对医院建筑的节能关键技术与管理手段的剖析与探讨，等出改造方案可以使医院建筑的节能效果显著提高。刘红梅[8]通过对建筑节能技术的经济性分析，得出节能技术带来的经济性可以促进相关政策的制定。以上研究都是先通过改变墙体材料与保温材料的种类和厚度，然后再计算围护结构的传热系数与整体的经济性，这种方法不能准确地模拟墙体的最佳保温系数。所以本文通过利用SPSS和MATLAB中的遗传算法首先模拟出最优的传热系数，再确定保温层的厚度，解决了以上存在的问题。

本文对外围护结构的四向墙体的传热系数对建筑能耗和经济性的影响进行研究，通过对模拟数据的拟合，优化出建筑成本比较经济时四向墙体的最佳传热系数，对合理选择和优化建筑传热系数有着重要的指导作用。

1 构建物理模型

1.1 设计四向墙体传热系数的选择方案

根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》对于严寒区围护结构热工性能参数的对顶进行取值，每向墙体的取值最低为0.05 W/(m2*k)，最高为2.15 W/(m2*k)，步长取0.35。使用优选法进行方案设计共得到247 组方案，各向墙体传热系数的取值如表1所示。

1.2 建立典型民居住宅模型

本文选取乌拉特地区的典型民居，建筑物总面积96 m2，层高3 m，屋面为双坡形式，北墙为370 mm 砖墙，东南西为240 mm 墙东西向不设窗，朝向正南，乌拉特地区典型民居模型如图1所示。

由于本文研究外围护结构的四向墙体的传热系数对对建筑能耗和经济性的影响，因此主要通过改变外墙传热系数的方式进行模拟。其中本文墙体传热系数的变化是通过保温材料的厚度的变化实现的。调查研究表明，EPS 保温板运用范围比较广，占全国市场份额的40%，而XPS、岩棉、玻化微珠保温砂浆分别占市场份额的20%、22%和12%，而且EPS 保温板的造价比较低，便于施工，能够加快施工速度，而且有利于控制工程质量，所以，本文选取EPS作为保温材料。

表1 四向墙体传热系数取值

图1 乌拉特地区典型民居模型

2 优化墙体的传热系数

虽然四向墙体的自变量取值范围相同但不同变量之间取值的组合却多种多样，为了快速得到最优解，借助MATLAB 优化工具箱中的遗传算法求解。它是通过模仿自然界的选择与遗传的机理来寻找最优解，同时能够避免求解过程中陷入局部最优，从而使得解更加精确。通过遗传算法求得四向墙体的最优传热系数如图2所示。

由图2可知，南向墙体的传热系数降低了1.089K[W/(m2*k)]，东向墙体的传热系数降低了1.049 K[W/(m2*k)]，西向墙体的传热系数降低了1.029 K[W/(m2*k)]，北向墙体的传热系数降低了0.553 K[W/(m2*k)]，所以，经过优化后墙体的传热系数都有了明显的降低，墙体的保温性能也大大提高了。

3 利用DeST软件进行建筑能耗的模拟

墙体是建筑外围护结构的重要组成部分，因此，墙体保温性能的优略对建筑物的冷热负荷起到了决定性的作用。墙体传热系数不同，室内的能耗量也不尽相同，当墙体的传热系数不同时，DeST 软件模拟的能耗量如表2所示。

由表2中可以看出，当墙体的传热系数是原始系数即西墙、东墙、南墙、北墙的传热系数分别是1.969 K[W/(m2*k)]、1.969 K[W/(m2*k)]、1.969 K[W/(m2*k)]、1.513 K[W/(m2*k)]时，室内的采暖能耗是154.50 kWh/m2，室内平均的PMV 是-1.74，整个采暖季消耗的煤是4.5 t；当墙体的传热系数是优化系数即西墙、东墙、南墙、北墙的传热系数分别是0.94 K[W/(m2*k)]、0.92 K[W/(m2*k)]、0.88 K[W/(m2*k)]、0.96 K[W/(m2*k)]时，室内的采暖能耗是105.58 kWh/m2，室内平均PMV 是-1.52，整个采暖季消耗的煤是3.9 t。优化后的室内采暖能耗减少了48.92 kWh/m2，室内的热舒适性增加了0.22PMV，整个采暖季煤的消耗量节约了0.6 吨。所以，当四向墙体的传热系数进行优化后，墙体的保温效果有了明显的提高，节约了能源的消耗量。

表2 民居能耗模拟分析

4 对优化方案进行效益评价分析

本文主要对居住建筑节能优化方案的经济、环境、社会3 个方面进行效益评价分析，通过分析各效益自身的特点，点明优化方案的可行性。

4.1 经济效益分析

围护结构的优化不仅仅要优化外围护结构的传热保温性能，同时还要在建筑节能的基础上使得建筑物的成本最低。净现值是指投资方案所产生的现金流量以资金成本为贴现率折现后与原始投资额现值的差额，净现值大于零则方案可行，且净现值越大方案越好，根据式（1）,（2）,（3）,（4）计算：

图2 四向墙体的传热系数K［W/（m2*k）］

式中,NPVi是净现值，元/m2；PWF是现值因子；CIi是第i种方案年增量投资收益，元/m2；COi是第i种方案初始增量费用，元/m2；M是生命周期维修费率，%；Cu是单位面积保温材料建造费用，元/m2；S是保温工程面积，m2；P是煤炭的价格，元/t;ΔEs是模拟节能量，kWh；η1是室外管网输送效率；η2是锅炉运行效率；Hc是标准煤热值，KW·h/kg；g是能源价格增长率，%；d是折现率，%；n是保温层周期寿命，a。

表3 计算参数及其数值

根据公式（1）,（2）,（3）,（4）和表3中的参数数值计算四向墙体不同传热系数时的净现值NPVi，以NPV 作为最优厚度确定准则，再通过MATLAB 进行数值模拟，并求出不同传热系数时保温材料的厚度h。

拟合墙体保温材料的厚度h(m)与墙体的传热系数Xi的关系如下：

式中：Xi为墙体传热系数，[W/(m2*k)]，i=东，西，南，北拟合净现值与墙体保温材料厚度h(m)的关系如下：

根据（5）～（6）的公式计算可知，当各墙体的传热系数是原始传热系数时，计算的整个围护结构的单位面积的净现值NPV1=123.44 元；当各墙体的传热系数是优化后的传热系数时，计算的整个围护结构的单位面积的净现值NPV2=134.56元。

由上述分析求得，各方案的单位面积的能耗量与围护结构的单位面积的净现值后，可以根据价值工程原理，求得优化方案的价值功能系数ΔV，根据功能系数ΔV的大小作为优化方案是否可行的依据。

由上述分析计算可知，价值功能系数ΔV=4.40，方案优化后的单位建筑面积的能源节约量，远远大于因为方案优化单位建筑面积增加的成本，所以该优化方案是可行的。

4.2 环境效益分析

由于近几年我国工业与建筑业的快速发展，CO2、SO2等有害物质的过度排放，使我国的空气遭到了严重的污染，所以为了改善环境质量，实现可持续发展和人与自然的和谐共处，我们因该减少有害物质的排放。本文通过优化墙体传热系数，减少室内单位建筑面积的采暖能耗，较少煤的消耗量，从而降低CO2、SO2等有害物质的排放，符合可持续发展的战略要求。

根据上述模拟与计算可知，原始墙体传热系数的民居整个采暖季大约消耗4.5 t煤；优化后的民居整个采暖季消耗的煤大约是3.9 t。据统计，我国工业锅炉每燃烧1 t 煤大约产生2620kg 的CO2，8.5 kg 的SO2，7.4 kg 的NOx，5.5 kg 的烟尘。所以，原始方案与优化方案整个采暖季燃烧煤产生的有害物质如表4所示.

表4 整个采暖季燃烧煤产生的有害物质

由表4可知，在整个采暖季中，优化方案比原始方案产生的有害物质都有明显的降低，其中CO2的产生量减少了1572 kg，SO2的产生量减少了5.10 kg，NOx的产生量减少了4.44 kg，烟尘的产生量减少了3.30 kg。由此可知，优化后方案大大减少了有害物质的排放，改善了建筑物周围的空气环境，符合我国节能减排的政策要求，对我国建设绿水青山有重要意义。

4.3 社会效益分析

与经济效益和环境效益相比，建筑节能对社会效益的影响并不是那么明显直观，但对我国农村住宅的持续发展至关重要。由于住宅建筑节能改造的前期费用比较高，这使得农村居民在建造的时候远离了节能改造，所以想要推进农村建筑节能改造的发展，政府等部门的支持与鼓励显得尤为重要。即政府有关部门可以制定出有利于农村居住建筑节能改造的政策与法规，也可以通过税收和补贴等优惠政策为建筑节能创造一个良好的政策环境，加强对参与者的引导与激励，最后，国家对于科技创新的补贴激励政策同样可以减少住宅建筑节能改造的前期成本投入，从而促进建筑节能的市场发展。

要推进农村住宅建筑节能的发展，不能只依靠政府的政策和补贴，还要农村居民意识到建筑节能对可持续发展的重要性。在可持续发展的过程中，政府要做到主导地位，积极的运用市场运作、政策法规、税收补贴等优惠政策，全面统筹发展，积极解决建筑节能在发展过程中遇到的各种风险和挑战。在节能改造的过程中，农村居民要积极的配合节能改造的进程，不能盲目的听从改造设计，要结合实际情况和了解改造效益的前提下，参与到节能改造的发展中。

建筑节能是我国建设节约、和谐社会的需要。我国21世纪以前建造的房屋与现在建设的房屋节能措施和节能状况相差很大，为了满足人们对房屋建筑的使用功能、舒适的居住环境和节约能源的要求，人们开始把目光转移到建筑节能改造中，大大促进了建筑节能行业的发展。

5 结论

本文选取乌拉特地区的农村住宅为研究对象，分别从经济、环境、社会3 个方面对优化方案进行分析，得出以下结论：

（1）本文通过MATLAB 优化后，得出室内单位面积的能耗量是105.58 kWh/m2，相对于原始传热系数的单位面积的能耗量减少了48.92 KWh/m2。在通过对围护结构的经济性分析，得出优化后的整个围护结构的单位面积的净现值NPV1=134.56 元，原始的整个围护结构的单位面积的净现值NPV2=123.44元，所以，优化后的单位面积的净现值比原始的单位面积的净现值增加了11.12元。通过价值工程分析可知，价值功能系数ΔV=4.40>1，所以从经济方面可以得出，优化方案是可行的。

（2）通过整个采暖季消耗煤的数量可知，优化后产生的CO2、SO2、NOx和烟尘等有害物质的排放量都有显著的减少，改善了建筑周围的居住环境，对我国空气质量的治理有显著作用，符合我国节能减排的政策要求。节能优化方案的可行性，同时也促进了我国对建筑节能相关政策的发展，也有利于制定建筑节能的税收补贴等优惠政策。而这些相关政策也反过来促进了建筑节能行业的发展。