节能材料在建筑设计中的应用

摘 要：针对建筑墙体设计中节能材料的应用问题，本文根据热力学原理以及材料热传导等内容结合生命周期成本分析方法，对建筑设计中节能材料的选择优化模型进行研究。研究结果表明所提出的优化选择模型具有较好的适用性，同时案例分析表明任何隔热节能材料都有最佳隔热厚度。研究材料中的玻璃棉和岩棉对环境影响最小的厚度分别为0.219m和0.098m。本文的结论对后续节能材料在建筑工程中的设计与优化工作具有参考意义。

关键词：节能材料；隔热材料；建筑设计

中图分类号：TU 20 " " 文献标志码：A

随着我国社会经济的发展，科学技术不断创新，人们对居住环境的要求逐渐提高，建筑行业也迅速发展[1]。目前，环保问题已成为亟需解决的问题。针对建筑行业在建筑设计中使用环保材料的方法进行探讨，并融入节能理念，以此降低环境代价成为未来建筑节能研究的重要研究方向[2]。建筑工程作为人们生产生活的基础，其自身能耗对环境保护方面有十分重大的影响[3]。在建筑实际设计工作中，通过使用有效的隔热材料来最大程度地减少建筑能耗以及对环境的影响。为对节能材料在建筑设计中的应用情况进行优化，本文结合能效分析和生命周期评估评价方法，对建筑墙体的保温材料厚度进行优化研究。

1 分析方法

建筑物墙体的建设多采用石材、钢筋混凝土、黏土砖、混凝土砖等材料，且墙体结构的选择和建设主要由所在地区的气候条件所决定，即在气候相对温暖的地区，通常采用砖石或混凝土外层覆盖较薄的石膏层作为墙体，而在寒冷的北方地区，则需要采用夹层墙结构，以抵御严寒入侵，保持室内温度，夹层墙由两层砖层中间的保温层和内外表面的两层石膏层组成。在墙体的材料选择过程中，保温材料的选择对建筑能耗的影响十分明显，为进一步提高建筑节能效果，本文采用全生命周期分析方法对墙体设计内容进行研究。

生命周期成本主要是利用系统的使用寿命和当前功率因数找到在建筑墙体中，使用绝缘材料而节省的净经济成本的一种工具。其主要使用物质和经济因素的单位成本来估计生命周期的实际成本。本文结合全生命周期分析方法对节能材料在建筑墙体设计中的应用进行研究，具体内容如下。

根据能量守恒定律，热量会从较高温度向较低温度过渡，这些热量损失会造成能量损失[4-6]。因此为了计算墙体的最佳隔热厚度，需要计算通过墙体产生的热量损失，计算墙壁单位面积的年热损失如公式（1）所示。

QA=86.400（HDD）（U） " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：QA为单位墙体年热量损耗；HDD为供热情况；U为传热系数。

对图1所示的墙体来说，未隔热墙体和隔热墙体的总热阻的计算过程如公式（2）所示。

（2）

式中：Unins为无隔热墙体传热系数；Ri为外部热阻；Rip为内抹灰部分热阻；Rbr为砖墙部分热阻；Rop为外抹灰部分热阻；Ro为内部热阻。

带隔热材料的墙体的计算过程如公式（3）所示。

（3）

式中：Uins为带隔热墙体传热系数；Rins为隔热层部分热阻。

根据每年通过建筑墙体传输的能量，每年的放能损失的计算过程如公式（4）所示。

（4）

式中：Exloss，Q，ins为带隔热材料墙体内部环境的能动损失；ηs为供暖系统的效率，%；To为室外空气设计温度，℃；Tin为室内空气设计温度。

计算基于年能耗的年油耗如公式（5）所示。

（5）

式中：mf为单位面积墙体的燃料消耗量；Exloss，S为燃烧过程中的能量损失；Exf为燃料消耗量；Exloss，Q为内部环境的能量损失。

总的能效环境影响函数如公式（6）所示。

BT，ins=bfmf+bCO2mCO2+binsρinsxins " " （6）

式中：BT，ins为带隔热层墙体对环境的能效影响；bf为燃料的环境影响；mf为单位面积墙体的燃料消耗量；bCO2为CO2的环境影响；mCO2为每单位面积墙体的CO2排放量；bins为带隔热层的环境影响；ρins为带隔热层墙体的密度；xins为隔热层厚度，m。

使用隔热材料后的净节省计算过程如公式（7）所示。

S=BT，nins-BT，ins " " " " " " " " " " " " " " （7）

式中：S为使用保温材料而节省的环境影响净值；BT，nins为未使用隔热材料墙体对环境的总能效影响；BT，ins为带隔热材料墙体对环境的总能效影响。

通过最小化总能耗环境影响，获得最佳厚度[7-9]。使用MATLAB优化工具箱计算每种隔热材料的最佳厚度。使用保温材料而节省的热能损失净值的计算过程如公式（8）所示。

SE=Exloss，Q，nins-Exloss，Q，ins " " " " " " " " " " " " （8）

式中：SE为优化后的保温材料节省的热能损失净值；Exloss，Q，nins为未使用隔热材料时内部环境的能量损失；Exloss，Q，ins为使用隔热材料时内部环境的能量损失。

2 算例分析

2.1 算例简介

本文计算分析墙体的简化模型如图1所示，为进一步突出研究问题，简化计算过程，本文将研究墙体简化为墙面、墙体材料以及保温材料。在本次研究工作中，根据山东德州市冬季的气候条件，将墙外温度固定为-5℃，墙内温度固定为23℃，建筑物主要材料参数见表1。此外，在基本情况下，假设燃料温度、燃烧室温度和烟道气温度分别为10℃、500℃和130℃。

采用MATLAB进行计算。MATLAB（Matrix Laboratory），即矩阵实验室，它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等功能集成在一个易于使用的视窗环境中，具有十分强大的计算功能。此外，MATLAB还具有语言简洁、交互性好、数据可视化等很多优点，能够充分满足本研究中的计算需求。

2.2 结果分析

图2显示了岩棉和玻璃棉的总能耗环境影响及其净节能量随保温层厚度的变化。可以看出，每种隔热材料都存在一个总影响最小、净节能量最大的最佳点。随着厚度的增加，总体能耗对环境的影响会呈现先小后大的趋势，这种情况是由隔热材料和燃料消耗的共同作用造成的，即增加隔热材料会减少热量损失，从而减少燃料消耗，使能耗对环境的影响呈线性变化。这会导致两种隔热材料对环境影响的净节能量呈相反趋势。如图2所示，净节能量先增加，后减少，由于隔热材料增至一定程度会减少放热损失，因此对节能环保有益，但隔热量进一步增加会导致隔热材料对环境的影响占主导地位。在最佳点上，对环境的总体影响和净节能量分别会达到最小和最大。从图中可以看出，玻璃棉和岩棉的最佳绝缘厚度分别为0.219m和0.098m。岩棉的最佳绝缘厚度小于玻璃棉，因此在所需空间方面更可取。综上所述，从两种材料的环境影响方面来看，玻璃棉的效果更好。

图3显示了使用隔热材料后放热损失的变化及其节省的能量。它对环境的影响微乎其微，因此两种隔热材料之间的差异非常小。根据图3可知，两种材料的放热损失都随着隔热层厚度的增加而呈对数减少。因此随着隔热材料厚度的增加，能耗损失的净节能量呈对数增长趋势。这种对数趋势说明当厚度小于最佳点时，增加隔热厚度的效果更好，而当厚度较大时，这种趋势会减弱。另一方面，放热损失呈持续下降趋势，且没有最佳点。在最佳点前，岩棉和玻璃棉的能耗损失分别为初始值的78.88%和91.25%。环境影响在很大程度上取决于加热所消耗的燃料，这使高隔热厚度更有意义，然而成本分析更倾向于减少材料使用，同时将放能损失保持在最低水平。与岩棉相比，玻璃棉的年能耗损失值较小，而能耗损失净节能值较高。因此，岩棉隔热材料在节能方面的性能比玻璃棉更好。

3 结论

本文根据室内环境的能量损失，对建筑墙体进行了生命周期环境和经济分析。在研究中使用了岩棉和玻璃棉两种隔热材料，以找出使用隔热材料对环境造成的总能量损失和每年节省的成本，得出以下研究结果。1）根据热力学原理以及材料热传导等内容结合生命周期成本分析方法和环境影响分析方法，研究了建筑设计中墙体隔热材料厚度的选择模型，并通过算例验证了模型的可行性。2）在每种情况下，两种隔热材料都有一个最佳绝缘厚度。以研究材料为例，玻璃棉和岩棉对环境影响最小的最佳厚度分别为0.219m和0.098m。

参考文献

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