基于传热性能模型优化的建筑外墙隔热保温与节能

摘要：为提高建筑外墙保温隔热节能效果，引入传热性能模型模拟建筑物的传热过程，识别建筑物节能潜力，并提供改进建议，以减少能源消耗和碳排放。设计建筑传热性能模型模拟建筑物的传热过程；以传热性能模型为基础，通过敏感性分析方法获取外墙传热系数与辐射吸收系数；以能耗最小化和成本最低为目标，构建节能优化目标函数；通过考虑结构设计、材料选用和施工工艺等方面调整墙面基体与保温板的导热系数，解决导热系数差异带来的伸缩强度不一致，设计外墙保温隔热节能优化方案。结果表明，该方法可有效降低建筑的供暖负荷、制冷负荷以及总负荷，提高建筑节能效果。

关键词：传热性能模型；绿色建筑；外墙保温隔热；节能优化；外墙传热系数

中图分类号：TP391.92文献标识码：A文章编号：1001-5922（2025）01-0161-05

Thermal insulation and energy efficiency of building external walls optimized based on heat transfer performance model

LI Jinqi1，2

（1.College of Architecture Science and Engineering，angzhou University，Yangzhou 225000，Jiangsu China；

2.Yancheng Chengtou Real Estate Group Co.，Ltd.，Yancheng 224000，Jiangsu China）

Abstract：In order to improve the energy saving effect of building exterior wall insulation，a heat transfer perfor⁃mance model was introduced to simulate the heat transfer process of the building，the energy saving potential of the building was identify，and improvement suggestions were provided to reduce energy consumption and carbon emis⁃sions.Design a building heat transfer performance model to simulate the heat transfer process of the building.Based on the heat transfer performance model，the sensitivity analysis method was used to obtain the heat transfer coeffi⁃cient and radiation absorption coefficient of the exterior wall.With the goal of minimizing energy consumption and minimizing costs，a energy-saving optimization objective function was constructed.By considering structural design，material selection，and construction technology，the thermal conductivity of the wall substrate and insulation board were adjusted to solve the inconsistent expansion and contraction strength caused by differences in thermal conduc⁃tivity，and an energy-saving optimization plan for external wall insulation and thermal insulation were designed.The results showed that this method can effectively reduce the heating load，cooling load，and total load of buildings，im⁃prove building energy savings，and provide high energy efficiency for buildings.

Key words：heat transfer performance model；green building；external wall thermal insulation；energy saving opti⁃mization；external wall heat transfer coefficient

绿色建筑是一种以降低对环境影响为目标的建筑设计和建造方式[1，2]。绿色建筑通过改善空气质量、优化照明和采光、降低噪音等因素来提高居住者的舒适感[3，4]。绿色建筑在设计时需要保证更低的能耗，从而进一步提高建筑节能的可持续性[5]。有较多学者对节能方法进行研究，如基于遗传算法的智能建筑节能设计，该方法利用遗传算法对节能方案进行寻优[6]；研究基于遗传算法的高层住宅太阳能光伏利用潜力参数化设计方法[7]；研究基于节能减碳及光环境性能优化的办公建筑设计[8]；研究基于随机负荷预测的热泵热水系统节能运行策略优化[9]。在建筑领域中，传热性能模型常用于评估建筑结构、保温隔热材料和整体建筑系统的热性能，用于设计高效节能的建筑[10，11]。为此，借助传热性能模型，设计绿色建筑外墙保温隔热节能优化方法。

1建筑外墙保温隔热节能优化

1.1建筑外墙能耗情况分析

为有效实现建筑外墙保温隔热节能优化，分析绿色建筑在不同外墙传热系数L以及外墙外表面太阳辐射吸收系数φi情况下的能耗情况，构建绿色建筑传热性能模型。

（1）假定绿色建筑屋面、外窗传热性能保持不变，以此为基础评估建筑外墙传热性能与能耗之间的关系[12]。分析不同外墙传热系数下的建筑能耗，分析结果如图1所示。

由图1可知，随着外墙传热系数的逐渐减小，建筑供冷能耗、供暖能耗以及总能耗均有所下降，说明外墙传热系数与建筑节能率成反比，外墙传热系数与建筑能耗影响的敏感性系数成反比，可见在较低的外墙传热系数下可以实现良好的建筑节能效果[13]。

（2）分析不同外墙外表面辐射吸收系数变化对建筑能耗的影响，分析结果如图2所示。

由图2可知，当外墙外表面辐射吸收系数逐渐减小，建筑对日光辐射的吸收能力逐渐下降，导致建筑的整体能耗有所上升，而辐射吸收系数越小，对建筑能耗的敏感性系数也会越大，因此，在较大的辐射吸收系数下，建筑才能够保持优异的节能能力。

1.2绿色建筑传热性能模型构建

建筑传热性能模型是一种用于评估绿色建筑在不同气候条件下的能源效率和热舒适性的工具[14]。传热性能模型可以帮助分析建筑物的能源利用情况，并确定能源消耗的主要来源[15]。可见，建筑传热性能模型对于提高建筑物外墙隔热保温节能效果至关重要[16]。因此，为便于后续绿色建筑外墙隔热保温节能优化，在设计保温隔热节能优化方法之前，先对绿色建筑传热性能模型进行设计，利用传热性能模型，评估绿色建筑在不同传热系数情况下的能源消耗，为后续节能设计提供可靠依据[17]。

假定绿色建筑结构层内部温度十分均匀；假定密封保温层可在短时间内使传热过程维持稳定。

假设绿色建筑外表面温度为ψe；传热系数为α0；绿色建筑外墙材料导热系数为φi；室外综合温度为Esa；外墙结构层温度为Em；结构层厚度为ηi；外墙内传热系数为αi。以上述条件为基础，构建绿色建筑传热性能模型，如式（1）所示：

式中：Ei为室内气温；V1、V2均为常数；D为绿色建筑围护结构体积；U'为内墙面积；Vs、Va为外窗的有效面积系数、遮挡系数；Uw为外墙墙体面积；U为外窗对应面积；D为建筑房间体积；ηm为外墙结构层厚度；ρm、vm依次为墙体承重材料密度与比热容。

1.3绿色建筑外墙保温隔热节能优化

1.3.1目标函数构建

在设计的绿色建筑传热性能模型基础上，构建绿色建筑外墙保温隔热节能优化目标函数，由于大多节能优化模型仅考虑能耗问题，并未考虑建筑隔热过程中的成本问题[18]，为此，在绿色建筑外墙保温隔热节能优化过程中引入成本目标，具体模型设计情况如下。

根据上述传热性能模型分析可知，绿色建筑隔热保温节能效果受到较多因素影响，为此，结合分析结果，构建绿色建筑年能耗子目标函数g1（x）：

式中：L为外墙传热系数；a、w分别为夏季制冷能耗、冬季制热能耗与L之间的关系；Sx、Sd为空调夏季、冬季制冷及制热能耗；Ss为设备运行能耗；Sz为照明设备能耗；Sg为公共设备能耗。同时以建筑传热系数成本g2（x）为子目标，构建目标函数如式（3）所示：

式中：y0为外墙材料单价成本；xn、xb分别为南向、北向窗户在各层中的面积；x1、y1分别为建筑周长与高度；p为建筑层数。

利用上述构建的子目标函数，构建以成本最低、能耗最小的优化目标，设计节能优化目标函数，如公式（4）所示：

1.3.2外墙保温隔热节能优化设计

外墙保温结构主要由找平层、粘接层、保温层、抹面层（抗裂防护层）、饰面层构成，固定粘贴于基层外墙的外表面上，属于建筑的非承重防护结构。抹面层采用聚合物抗裂胶浆粘贴耐碱玻纤网格布，并用塑料膨胀锚栓加固处理。饰面层通常为涂料、面砖或石材。外墙保温层材料可分为有机保温材料、无机保温材料和复合保温材料。

通过考虑结构设计、材料选用和施工工艺等方面解决导热系数差异带来的伸缩强度不一致问题。具体绿色建筑外墙保温隔热节能优化方案如下：

（1）增加膨胀缝：在墙体中设置合适的膨胀缝，以减缓由于温度变化引起的热胀冷缩效应对墙体产生的影响，从而减小基底墙体与保温层之间的受力差异；

（2）选用相容材料：选择与基层墙体相容性好的保温材料，例如聚苯乙烯泡沫板或玻璃棉板等，这些材料具有较好的伸缩性能，能够减小与基层墙体的热传导差异；

（3）增加粘接层：在基层墙体与保温板之间增加一层高弹性、高伸缩性的粘接层，可以有效减小温度变化对墙体产生的影响，并提高整体的抗风压性能；

（4）优化结构设计：在设计阶段，尽量减小建筑结构暴露在阳光直射下的面积，或者采用遮阳措施，如外挑阳台、遮阳篷等，减少温差对结构的影响；

（5）施工质量控制：在施工过程中，严格控制保温层的厚度和表面平整度，确保保温材料的安装质量符合要求，避免出现局部应力集中的情况。

2实验分析

为测试所设计的节能方法是否有效，选一夏热冬冷地区某绿色建筑进行节能效果研究，并通过本文方法获取节能方案后，对比该建筑以往能耗情况。

该建筑在夏天室温高于28℃时自动开启空调，并在冬季室温低于16℃时自动启动空调，而室内湿度基本保持在40%～75%。该建筑实际能耗情况模拟值如表1所示。

为了更精准地评估所研究的节能方法，选择最大节能率与平均节能率作为评价指标，并分别采用式（5）、式（6）对这2种指标进行计算：

式中：Jmax表示最大节能率；Hr为所选建筑的年能耗值；Hmax表示优化方案中最大的年能耗值；J（-）为平均节能率；Hi为第i个优化方案的年耗值；n为建筑成本。

本文研究的保温隔热节能优化方法是否可靠，具体分析结果如下。

分析应用所提方法进行保温隔热节能优化前后，该建筑在全年12个月份的供暖负荷情况，结果如图3所示。

由图3可知，该建筑在1、2、3、11月和12月的供暖负荷消耗相对过大，在使用所提方法进行节能优化前，该建筑供暖负荷最高可达到90 kW·h/（m2·a），最低也要保持在20 kW·h/（m2·a）左右，而通过所提方法进行节能优化设计后，该建筑每月的供暖负荷均有所下降，其中，最高供暖负荷仅为75 kW·h/（m2·a）左右，可以看出，应用所提方法进行节能优化后，该建筑在进行供暖时可明显降低负荷。

采用所提方法对建筑进行保温隔热节能优化，分析该建筑在全年12个月份的供冷负荷情况，结果如图4所示。

由图4可知，该建筑在4月～10月的供冷负荷消耗相对较大，而其他几个月份因天气寒冷，供冷空调使用的效率不高，从而导致供冷负荷较低，在未应用所提方法进行节能优化前，该建筑供冷负荷最高达到80 kW·h/（m2·a）左右，经过优化后，供冷负荷明显得到下降。可见，该方法可有效降低空调使用能耗。

分析应用所提方法进行保温隔热节能优化前后的建筑总负荷情况，以此评估节能效果，分析结果如图5所示。

由图5可知，当未进行节能优化之前，该建筑每月的总负荷都要达到120 kW·h（m2·a）以上，处于较高水平，使得该建筑日常能源开销较大，而进行节能优化后，该建筑每月总负荷均下降至100 kW·h/（m2·a）以下，降低了建筑负荷量。可见，该方法具有良好的节能效果。

分析该建筑在不同外部温度情况下的供暖节能量与供冷节能量，结果如图6所示。

由图6可知，随着环境温度的逐渐上升，经过节能优化后的建筑供暖节能量开始有所上升，这是由于在高温环境下建筑供暖消耗相对较低导致的；而在温度升高过程中，该建筑供冷节能量则有所下降，这是因为温度增高后建筑需要开启空调进行制冷，虽然在制冷过程节能量有所下降，但该方法仍然能够保证良好的节能效果，无论是供冷还是供暖，均可以有效保障节能水平。

应用节能设计后，该建筑每月的平均节能率与最大节能率情况，结果如图7所示。

由图7可知，当应用节能优化后，该建筑在不同月份的最大节能率可达到21%以上，而平均节能率也保持在10%～15%，明显具备较高的节能水平，为此，该方法可为绿色建筑提供优异的节能方案。

3结语

通过建立传热性能模型，评估不同传热系数对建筑的影响。以能耗最小化和成本最低为目标，构建节能优化目标函数，通过优化方法获取最佳节能方案。通过考虑结构设计、材料选用和施工工艺等方面调整墙面基体与保温板的导热系数，解决导热系数差异带来的伸缩强度不一致，设计外墙保温隔热节能优化方案。结果表明，该方法可有效降低建筑的供暖负荷、制冷负荷以及总负荷，通过该方法可以最大限度地减少热损失，进一步提高建筑的节能效果。

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（责任编辑：平海，苏幔）