节能建筑的保温优化

在我国一次能源消耗中，建筑能耗占有较大比重。随着我国能源消耗的飞速增长，尤其在当前我国电力、煤炭等能源供应日趋紧张的情况下，如何降低建筑能耗对于国民经济的可持续发展十分重要。通过节能建筑物的保温优化可以降低建筑物的能耗，达到节能的目的。

国家对建筑节能工作也十分重视，相继制定了《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》等标准，并在《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中制定了节能50％的目标。同时指出由于过去夏热冬冷地区不采暖、不空调，居住建筑的设计对保温隔热问题不够重视，围护结构的热工性能普遍很差，使得该地区的采暖、空调能源消耗非常大，不但造成自然资源的浪费，还会污染自然环境，影响国家的可持续发展。因此建筑节能工作除了提高采暖和空调的能源利用效率，还要改善建筑物围护结构的保温性能^[1]。

本文从改善节能建筑围护结构的保温性能出发，采用采暖年均费用概念，建立保温优化模型，并进行实例应用计算。

2 模型的建立

节能建筑保温优化模型有多种形式，其中采暖年均费用的数学模型比较直观，又能比较全面的反映影响采暖系统费用的各种因素。这种数学模型是在考虑建筑保温和供热采暖设备的一次性投资和经常费用（包括常规能源的费用和设备运行维护费用等）的基础上，运用技术经济学中的动态评价方法建立起来的^[2]。

2.1 各项费用及计算

2.1.1 因保温措施增加的费用Y₁

此项费用包括外墙、屋顶、外窗、外门、楼梯间隔墙及门户等围护结构，因采取保温措施而增加的投资。还要考虑因外墙内保温而使室内实际使用面积减少，相当于增加了建筑的造价。将这笔费用设为Y₁，则：

?（1）

式中：C_W，C_R，C_S.W—分别为外墙、屋顶、楼梯间隔墙的保温材料造价，元/m³；

δ_W，δ_R，δ_S.W—分别为外墙、屋顶、楼梯间隔墙的保温材料厚度，m；

F_W，F_R，F_S.W—分别为外墙、屋顶、楼梯间隔墙的面积，m²；

F_GS，F_B，F_D，F_S·D—分别为双层窗或保温窗、阳台门下部、外门、户门的面积，m²；

ΔY_G—双层窗或保温窗与单层钢窗的造价差，元/m²；

ΔY_B，ΔY_D，ΔY_S·D—分别为阳台门下部、外门、户门保温增加投资，元/m²；

Y_A—节能住宅建筑造价，元/m²；

L_X—内保温外墙的总宽度，m；

Δδ_W—外墙因内保温而比基准外墙增加的厚度，m。

2.1.2 供热采暖设备建造费用Y₂

1. 采暖设备室内系统建造费用Y₂₁

（2）

式中：B₁—单位采暖设计热负荷室内系统造价，元/kw；

Q_D—住宅建筑采暖设计热负荷，kw。

2. 室外热网建造费用Y₂₂?

（3）

式中：B₂—单位采暖设计热负荷室外热网造价，元/kw；η₁—热网输送效率。

3. 锅炉房建造费用Y₂₃

? （4）

式中：B₃—产生单位热负荷锅炉房造价，元/kw；η₂—锅炉效率。

供热采暖设备总建造费用为：

（5）

2.1.3 供热采暖设备年经营费用Y₃

此项费用包括水电费、维护费、工资及辅助工资等^[3]。

（6）

式中：C_J—单位采暖能耗的经营费用，元/kw·h；Q_H—建筑采暖能耗，kw·h/a。

其中单位采暖能耗经营费用C_J可表达为：?

（7）

式中：C—每吨煤需要的经营费用，元/吨；q_c—煤的发热量，标准煤为8.140kw·h/kg。

2.1.4 年采暖费用Y₄

此项费用是住宅建筑全年采暖所消耗的燃料费用。

（8）

式中：C_H—有效热价，元/kw·h；

（9）

式中：a—采暖用煤价格，元/吨。

3 保温优化模型

有了节能住宅建筑采暖的一次性投资（Y₁＋Y₂）和经常性费用（Y₃＋Y₄），还必须运用技术经济学中动态评价方法进行数值上的修正，以便把结果核算成可以比较的同一概念、统一尺度。计算公式如下：

（10）

式中：Y_Z—采暖年均费用，元；i——贴现率；n——使用年限。

上式为采暖年均费用的数学模型。由前述各项费用的计算式不难看出，该模型是建筑物各部分围护结构保温性能和气密性能的多变量非线性函数。因此该模型比较全面的反映了各种因素对采暖系统年消耗费用的影响。

可以证明，Y_Z具有可寻优性。所以，以采暖年均费用为目标函数的保温优化模型可用如下形式表述：

（11）

即对Y_Z求极小值，该模型属于非线性寻优问题。由于函数本身比较复杂，因此采用直接寻优的方法。

4 计算及结果分析

4.1 计算对象

以保定市一普通砖混结构住宅为建筑模型，建筑概况如下：

1. 该建筑为六层砖混结构住宅，三单元北向入口，1～5层层高2.7米，6层层高3米，楼梯间不采暖。

2. 屋顶承重结构为钢筋混凝土圆孔板，除保温层外，均为常规做法。

3. 建筑面积为3000.65平方米，建筑体积为8251.79立方米，外表面积F₀＝2432.59平方米，体型系数为0.295，各向窗墙符合目前节能标准的要求。建筑长度为48.18米，宽度为10.38米，建筑高度为16.5米。

下表是围护结构情况：

表1 围护结构具体情况

结构 类型	屋顶	外墙	外窗			楼梯间隔墙	阳台门下部	分户门	地面
			北向	东西向	南向
实心砖混结构	保温层为180厚水泥蛭石	240厚砖墙，加100厚加气混凝土，双面抹灰	单玻璃	单玻璃	单玻璃	240厚砖墙一面抹保温灰，另一面抹白灰砂浆	保温 门k＝ 1.72	保温 门k＝ 1.72	一般水泥地面

4.2 保温优化结果

计算的有关数据选取如下：

1) 建筑材料、构件的价格按照河北省建筑材料和建筑工程有关预算定额选取。

2) 供热采暖设备造价系数：B₁＝200元/kw，B₂＝211元/kw，B₃＝454元/kw。

3) 外网及锅炉效率：η₁＝0.9，η₂＝0.6。

4) 采暖用煤价格，取a＝150元/吨。

5) 使用一吨煤需要的经营费用，c＝240元/吨。

6) 使用年限（回收年限），n＝10年。

7) 贴现率：取i＝2.4％。

图1给出了采暖年均费用Y_Z随墙体保温材料厚度δ_W的变化曲线。

图1 某住宅建筑Yz-δw曲线（平均换气次数N_H=0.75次/h）

从图中可以看出，在平均换气次数N_H=0.75次/h 时，Y_Z的最小值所对应的保温层厚度，即经济厚度δ_Wj≈120mm。

5 结论

建筑能耗的降低可以缓解我国能源供应相对紧张的局面可以促进国民经济的可持续发展。本文考虑了因保温措施增加的费用、供热采暖设备建造费用、供热采暖设备年经营费用和年采暖费用，建立了以最小采暖年均费用为目标函数的保温优化模型。通过对保定市一普通砖混结构住宅建筑的应用表明，在平均换气次数N_H=0.75次/h 时，其经济保温层厚度约为120mm。结果对于合理采用建筑物的保温有一定的参考价值。

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