基于多尺度热传导分析的建筑隔热层节能设计优化

梁馨予

（兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730030）

0 引言

建筑隔热层节能设计是为了应对全球能源危机、气候变化和环境保护等问题而展开的研究领域[1]。建筑隔热层作为建筑节能的关键技术之一，其设计会直接影响建筑物能源利用效率和环境友好性[2]。隔热层节能设计旨在通过材料选择、结构设计、施工工艺等方面的优化，降低建筑物的能耗。研究建筑隔热层节能设计既有助于降低建筑物运行成本，也能够推动建筑的绿色低碳发展[3]。通过不断探索创新，建筑隔热层节能设计将在促进建筑可持续发展和环境保护方面发挥重要作用。多尺度热传导分析在建筑隔热层节能优化中具有重要的作用，它能够帮助解决建筑隔热层节能优化面临的各种难点。多尺度热传导分析可以更全面和准确地评估建筑隔热层的热传导性能。通过考虑不同尺度下的热传导机制和影响因素，可以深入了解隔热层的热传导行为，并定量分析不同尺度上的能量传递过程，为优化设计提供科学依据。

徐河等[4]利用bim 技术，设计了一种绿色建筑节能方法。改进了传统计算机辅助建筑技术，结合新技术，充分融合bim，实现建筑节能。曹馨匀等[5]考虑了能耗限额，研究了夏热冬冷地区居住建筑节能方案。能耗限额由多目标优化算法NSGA-II 实现。在此基础上，张勇等[6]提出了多代理辅助多目标进化优化方法，以实现建筑的节能。

本文在此基础上，以建筑隔热层结构为前提，构建了建筑隔热层的多尺度热传导性能模型。引入成本目标，建立建筑隔热层子目标模型，最终实现了建筑隔热层的节能。

1 建筑隔热层介绍

建筑隔热层是一种应用于建筑物外墙或屋顶的材料，旨在减少室内和室外之间的能量交换，提高建筑的节能性能。现阶段的建筑隔热层主要包括传统的隔热材料和新型的高性能隔热材料。传统的隔热材料包括岩棉、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫（EPS）、聚氨酯泡沫等，这些材料具有良好的隔热性能和燃烧性能。而新型的高性能隔热材料包括石墨烯复合材料、空气凝胶、蓝宝石涂料等，这些材料具有更高的隔热性能和环保性，成为未来建筑隔热领域的新趋势。选择适合的隔热材料对于提高建筑物的节能性能和舒适度至关重要。

建筑隔热层的主要作用包括：

保温隔热：隔热层可以有效减少建筑内外温差对能耗产生的影响，降低建筑物的冷热传导，提高建筑的保温隔热性能。

节能环保：良好的隔热层设计可以降低建筑的能耗，减少空调、供暖等能源的消耗，从而降低碳排放，促进建筑节能减排。

提高室内舒适度：通过隔热层的设计，可以有效控制室内温湿度，在所有季节内维持良好的舒适度，提高居住和工作环境品质。

防潮防火：隔热层还具有一定的防潮、防火功能，保护建筑结构，延长建筑的使用寿命。

建筑楼顶隔热层示意图如图1。

图1 建筑楼顶隔热层

2 多尺度热传导分析

多尺度热传导分析可以全面了解和评估材料或结构在各个尺度上的热传导性能，以指导隔热层设计和优化，提高建筑的节能效果。通过多尺度热传导分析，可以深入探究不同尺度下的热传导机制、传热路径以及影响因素，为设计师提供科学依据，从而最大限度地降低热损失，提高节能效果。通过从宏观到微观的多尺度热传导分析，可以全面理解建筑隔热层内部热传导机制，并根据不同尺度的分析结果，设计出更有效的隔热层方案。这样的设计可以最大程度地减少热传导，提高隔热层的性能，从而实现建筑节能、舒适性和环保性的目标。

在上述条件的基础上，建立下述建筑隔热层的多尺度热传导性能模型：

式中，α0表示多尺度热传导系数，T外表面表示隔热层的外表面温度，T内表面表示隔热层内表面温度，T室外为室外综合温度，T隔热层温度为隔热层结构层的温度，H为隔热层厚度。Ti表示室内气温。

尺度热传导系数是指在不同长度尺度下，描述隔热层材料热传导性能的系数。通过在不同尺度上分析材料的热传导行为，可以深入了解材料内部热传导机制的变化规律，为优化隔热层设计提供详尽的热性能指导。相比之下，敏感度系数则衡量了隔热层热传导性能对参数变化的敏感程度，通过计算敏感度系数，可以确定影响隔热层性能的关键因素，并有针对性地进行调整和优化。而节能率作为评价隔热层节能效果的指标，反映了隔热层在减少热量传输方面的效率和节能效果，是衡量隔热层性能优劣的重要参考依据。综合考虑多尺度热传导系数、敏感度系数和节能率等指标，有助于全面评估隔热层的热传导性能和节能效果，从而为建筑节能和环境保护提供科学的支持和指导。

在建筑隔热层设计中，隔热材料的多尺度热传导系数直接影响着隔热效果的好坏。一般来说，隔热材料的多尺度热传导系数越小，表明其在不同尺度上的热传导性能越好，隔热效果越明显，节能率相对较高。同时，敏感度系数的大小也会影响建筑隔热层的节能效果。如果隔热层材料的敏感度系数较低，即对参数变化不敏感，那么在实际应用中可以更稳定地保持较高的节能率。

因此，建筑隔热层设计时，应选择具有较小多尺度热传导系数和较低敏感度系数的隔热材料，以实现更高的节能率。在实际设计中，可以通过基于模拟分析和数据对比的方法，评估不同材料和参数设定下的多尺度热传导系数和敏感度系数，进而选择最优的隔热层设计方案，从而达到提高建筑节能率的目的。综上所述，建筑隔热层多尺度热传导系数与敏感度系数密切相关，通过合理选材和设计，可提高隔热层的节能性能，进而提高建筑的整体节能率和环保效益。

3 建筑隔热层节能模型设计

建筑隔热层的节能要求包括有效减少建筑内外热量传输、提高保温性能，并符合当地建筑节能法规和标准。隔热层设计需考虑材料的导热系数、结构密封性、厚度选择等因素，以实现在各种气候条件下的节能效果，促进建筑节能、环保和可持续发展。建筑隔热层节能材料具有良好的防潮性、防火性和耐久性，能够有效隔离外部温度对建筑内部的影响，同时具备绿色环保特性，不含有害物质，符合环保标准和建筑法规要求，以确保建筑隔热层在提高节能效果的同时，保证建筑安全、舒适和环保。传统建筑隔热层节能设计往往忽视成本因素，导致高效隔热层设计成本过高，限制了其实际应用范围。通过引入成本目标，可以将节能设计与经济可行性相结合，寻找最佳的成本效益平衡点，确保节能措施的实际可行性和经济性。

在以上要求下，在建筑隔热层节能优化过程中引入成本目标。建立建筑隔热层子目标模型f：

式中，f0表示材料的单价成本；n表示建筑层数；S表示隔热层总面积；h表示建筑高度。

由上述分析可知，多种因素均可对建筑隔热层的节能产生影响，根据分析结果，建立建筑的年能耗子目标函数F：

式中，L表示隔热层长度；φ表示夏季制冷能耗与隔热层长度L之间的关系系数；φ表示冬季制冷能耗与隔热层长度L之间的关系系数；A表示空调在夏季制冷产生的能耗；B表示空调在冬季制热产生的能耗；C为设备运行产生的能耗。

将成本最低和保温隔热能耗最小作为优化目标，建立建筑隔热层节能优化目标函数χ：

4 实验与分析

为了验证研究方法的整体有效性，需要对其展开测试。选择5 层建筑作为测试环境，测试研究方法的建筑隔热层的节能效果。利用EnergyPlus 模拟该建筑的顶层隔热层的能耗。EnergyPlus 是美国国家标准和技术研究院（NIST）开发的一种广泛使用的建筑能耗模拟软件。它可模拟建筑物的热、光、空气和湿度等各个方面，并提供详细的能耗分析结果。在该软件中，模拟春夏秋冬4 个季节，全面测试研究方法下隔热层节能效果。研究方法应用前后不同季节下隔热层能耗测试结果如图2 所示。

图2 研究方法应用前后不同季节下隔热层能耗测试

通过图2 可知，在研究方法应用后，建筑隔热层的能耗在一年四季均得到了有效抑制。这主要是因为在本次研究中，基于多尺度热传导分析构建了建筑隔热层的性能模型，并引入成本目标进行节能优化。通过明确建筑隔热层的节能要求和考虑成本因素，有效地优化了隔热层的设计与材料选择，在保证节能效果的同时实现了经济合理性。由于优化后的隔热层结构具备更高的保温性能和节能效果，在一年四季中能够有效抑制建筑能耗，使建筑在冬暖夏凉的控温效果得到显著提升，从而实现了全年能耗的有效控制和节约。

隔热层成本直接关系到施工过程中的时间和人力成本。采用成本高昂的隔热材料或复杂的施工工艺可能增加施工时间和劳动力消耗，而成本较低且施工简便的材料和技术可以提高施工效率。基于此，为了进一步验证本文方法的成本控制效果，以一年四季的总成本为指标，完成下面测试。研究方法应用前后不同季节下隔热层能耗测试结果如图3所示。

根据图3 可知，研究方法应用下，建筑隔热层节能处理的成本明显降低，说明本文新引入的成本因素具有关键的参考价值，使得研究方法的实用性更优。

5 结论

在本研究中，通过多尺度热传导分析优化建筑隔热层节能性，同时考虑节能要求和成本因素，构建了综合性的建筑隔热层优化模型。实验结果验证了该方法在一年四季均具有理想的节能效果，为建筑节能领域提供了重要的理论支持和实践指导。

总结来看，本研究的方法不仅解决了建筑隔热层节能优化中存在的多尺度问题，还充分考虑了成本目标，实现了节能与经济的平衡。应用前景广阔，未来，可以进一步结合智能控制技术，实现建筑隔热层的动态调节与管理，提升节能效果及舒适性。这一研究成果为推动建筑节能技术的发展和实际应用做出了重要贡献，具有广泛的应用前景和实际意义。