節能材料在建筑設計中的應用

摘 要：針對建筑墻體設計中節能材料的應用問題，本文根據熱力學原理以及材料熱傳導等內容結合生命周期成本分析方法，對建筑設計中節能材料的選擇優化模型進行研究。研究結果表明所提出的優化選擇模型具有較好的適用性，同時案例分析表明任何隔熱節能材料都有最佳隔熱厚度。研究材料中的玻璃棉和巖棉對環境影響最小的厚度分別為0.219m和0.098m。本文的結論對后續節能材料在建筑工程中的設計與優化工作具有參考意義。

關鍵詞：節能材料；隔熱材料；建筑設計

中圖分類號：TU 20 " " 文獻標志碼：A

隨著我國社會經濟的發展，科學技術不斷創新，人們對居住環境的要求逐漸提高，建筑行業也迅速發展[1]。目前，環保問題已成為亟需解決的問題。針對建筑行業在建筑設計中使用環保材料的方法進行探討，并融入節能理念，以此降低環境代價成為未來建筑節能研究的重要研究方向[2]。建筑工程作為人們生產生活的基礎，其自身能耗對環境保護方面有十分重大的影響[3]。在建筑實際設計工作中，通過使用有效的隔熱材料來最大程度地減少建筑能耗以及對環境的影響。為對節能材料在建筑設計中的應用情況進行優化，本文結合能效分析和生命周期評估評價方法，對建筑墻體的保溫材料厚度進行優化研究。

1 分析方法

建筑物墻體的建設多采用石材、鋼筋混凝土、黏土磚、混凝土磚等材料，且墻體結構的選擇和建設主要由所在地區的氣候條件所決定，即在氣候相對溫暖的地區，通常采用磚石或混凝土外層覆蓋較薄的石膏層作為墻體，而在寒冷的北方地區，則需要采用夾層墻結構，以抵御嚴寒入侵，保持室內溫度，夾層墻由兩層磚層中間的保溫層和內外表面的兩層石膏層組成。在墻體的材料選擇過程中，保溫材料的選擇對建筑能耗的影響十分明顯，為進一步提高建筑節能效果，本文采用全生命周期分析方法對墻體設計內容進行研究。

生命周期成本主要是利用系統的使用壽命和當前功率因數找到在建筑墻體中，使用絕緣材料而節省的凈經濟成本的一種工具。其主要使用物質和經濟因素的單位成本來估計生命周期的實際成本。本文結合全生命周期分析方法對節能材料在建筑墻體設計中的應用進行研究，具體內容如下。

根據能量守恒定律，熱量會從較高溫度向較低溫度過渡，這些熱量損失會造成能量損失[4-6]。因此為了計算墻體的最佳隔熱厚度，需要計算通過墻體產生的熱量損失，計算墻壁單位面積的年熱損失如公式（1）所示。

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

式中：QA為單位墻體年熱量損耗；HDD為供熱情況；U為傳熱系數。

對圖1所示的墻體來說，未隔熱墻體和隔熱墻體的總熱阻的計算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：Unins為無隔熱墻體傳熱系數；Ri為外部熱阻；Rip為內抹灰部分熱阻；Rbr為磚墻部分熱阻；Rop為外抹灰部分熱阻；Ro為內部熱阻。

帶隔熱材料的墻體的計算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：Uins為帶隔熱墻體傳熱系數；Rins為隔熱層部分熱阻。

根據每年通過建筑墻體傳輸的能量，每年的放能損失的計算過程如公式（4）所示。

（4）

式中：Exloss，Q，ins為帶隔熱材料墻體內部環境的能動損失；ηs為供暖系統的效率，%；To為室外空氣設計溫度，℃；Tin為室內空氣設計溫度。

計算基于年能耗的年油耗如公式（5）所示。

（5）

式中：mf為單位面積墻體的燃料消耗量；Exloss，S為燃燒過程中的能量損失；Exf為燃料消耗量；Exloss，Q為內部環境的能量損失。

總的能效環境影響函數如公式（6）所示。

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

式中：BT，ins為帶隔熱層墻體對環境的能效影響；bf為燃料的環境影響；mf為單位面積墻體的燃料消耗量；bCO2為CO2的環境影響；mCO2為每單位面積墻體的CO2排放量；bins為帶隔熱層的環境影響；ρins為帶隔熱層墻體的密度；xins為隔熱層厚度，m。

使用隔熱材料后的凈節省計算過程如公式（7）所示。

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

式中：S為使用保溫材料而節省的環境影響凈值；BT，nins為未使用隔熱材料墻體對環境的總能效影響；BT，ins為帶隔熱材料墻體對環境的總能效影響。

通過最小化總能耗環境影響，獲得最佳厚度[7-9]。使用MATLAB優化工具箱計算每種隔熱材料的最佳厚度。使用保溫材料而節省的熱能損失凈值的計算過程如公式（8）所示。

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

式中：SE為優化后的保溫材料節省的熱能損失凈值；Exloss，Q，nins為未使用隔熱材料時內部環境的能量損失；Exloss，Q，ins為使用隔熱材料時內部環境的能量損失。

2 算例分析

2.1 算例簡介

本文計算分析墻體的簡化模型如圖1所示，為進一步突出研究問題，簡化計算過程，本文將研究墻體簡化為墻面、墻體材料以及保溫材料。在本次研究工作中，根據山東德州市冬季的氣候條件，將墻外溫度固定為-5℃，墻內溫度固定為23℃，建筑物主要材料參數見表1。此外，在基本情況下，假設燃料溫度、燃燒室溫度和煙道氣溫度分別為10℃、500℃和130℃。

采用MATLAB進行計算。MATLAB（Matrix Laboratory），即矩陣實驗室，它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等功能集成在一個易于使用的視窗環境中，具有十分強大的計算功能。此外，MATLAB還具有語言簡潔、交互性好、數據可視化等很多優點，能夠充分滿足本研究中的計算需求。

2.2 結果分析

圖2顯示了巖棉和玻璃棉的總能耗環境影響及其凈節能量隨保溫層厚度的變化。可以看出，每種隔熱材料都存在一個總影響最小、凈節能量最大的最佳點。隨著厚度的增加，總體能耗對環境的影響會呈現先小后大的趨勢，這種情況是由隔熱材料和燃料消耗的共同作用造成的，即增加隔熱材料會減少熱量損失，從而減少燃料消耗，使能耗對環境的影響呈線性變化。這會導致兩種隔熱材料對環境影響的凈節能量呈相反趨勢。如圖2所示，凈節能量先增加，后減少，由于隔熱材料增至一定程度會減少放熱損失，因此對節能環保有益，但隔熱量進一步增加會導致隔熱材料對環境的影響占主導地位。在最佳點上，對環境的總體影響和凈節能量分別會達到最小和最大。從圖中可以看出，玻璃棉和巖棉的最佳絕緣厚度分別為0.219m和0.098m。巖棉的最佳絕緣厚度小于玻璃棉，因此在所需空間方面更可取。綜上所述，從兩種材料的環境影響方面來看，玻璃棉的效果更好。

圖3顯示了使用隔熱材料后放熱損失的變化及其節省的能量。它對環境的影響微乎其微，因此兩種隔熱材料之間的差異非常小。根據圖3可知，兩種材料的放熱損失都隨著隔熱層厚度的增加而呈對數減少。因此隨著隔熱材料厚度的增加，能耗損失的凈節能量呈對數增長趨勢。這種對數趨勢說明當厚度小于最佳點時，增加隔熱厚度的效果更好，而當厚度較大時，這種趨勢會減弱。另一方面，放熱損失呈持續下降趨勢，且沒有最佳點。在最佳點前，巖棉和玻璃棉的能耗損失分別為初始值的78.88%和91.25%。環境影響在很大程度上取決于加熱所消耗的燃料，這使高隔熱厚度更有意義，然而成本分析更傾向于減少材料使用，同時將放能損失保持在最低水平。與巖棉相比，玻璃棉的年能耗損失值較小，而能耗損失凈節能值較高。因此，巖棉隔熱材料在節能方面的性能比玻璃棉更好。

3 結論

本文根據室內環境的能量損失，對建筑墻體進行了生命周期環境和經濟分析。在研究中使用了巖棉和玻璃棉兩種隔熱材料，以找出使用隔熱材料對環境造成的總能量損失和每年節省的成本，得出以下研究結果。1）根據熱力學原理以及材料熱傳導等內容結合生命周期成本分析方法和環境影響分析方法，研究了建筑設計中墻體隔熱材料厚度的選擇模型，并通過算例驗證了模型的可行性。2）在每種情況下，兩種隔熱材料都有一個最佳絕緣厚度。以研究材料為例，玻璃棉和巖棉對環境影響最小的最佳厚度分別為0.219m和0.098m。

參考文獻

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