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摘要摘要：根據生命周期分析法的原理，利用單位面積圍護結構（考慮墻體或屋面）的采暖總耗費的數學模型，得出了一個簡單的保溫層經濟厚度的計算式。使用該方法對大連地區典型節能住宅建筑外墻和屋面的保溫層厚度進行了計算分析。分析結果表明摘要：在實際工程中，外墻和屋面的保溫層厚度應根據各地區各建筑物的具體條件計算得到，而不應簡單地直接取用推薦值或憑經驗來確定，這樣才能有效地提高建筑物的經濟性。對于我國節能建筑的工程設計具有一定的參考和應用價值。

摘要：節能建筑生命周期耗費分析法LCCA保溫層經濟厚度

1引言

在外墻和屋面等圍護結構中設置保溫層以提高外圍護結構熱阻，是改善我國目前嚴寒和嚴寒地區居住建筑采暖能耗大、熱環境差等狀況重要的有效的辦法。在保溫材料確定的情況下，保溫層厚度是決定建筑保溫水平的重要參數。一般隨著保溫層厚度的增加，圍護結構的絕熱性能提高，從而降低建筑負荷，采暖設備造價和采暖系統運行費用也相應降低；但同時，圍護結構的建造費用也相應增加，因此，一定存在某一特定的保溫層厚度，即經濟厚度δop，使建筑物總費用（建造費用和經營費用之和）最小。保溫層經濟厚度的合理計算可以防止因根據經驗選擇保溫層厚度所造成的綜合效益損失，因此，探究保溫層厚度的計算方法對建筑節能具有重要的現實意義。

目前，計算保溫層經濟厚度的方法有很多種，包括采暖年平均最小費用法[1、Lagrange乘子法[2、生命周期耗費分析法[3,4等。由實際情況可知，保溫層經濟厚度的影響因素很多，假如其數學模型復雜、參數眾多且不易確定，往往會造成使用不便，最終仍然流于經驗判定。因此，應探尋比較接近客觀現實，又易于計算的方法。采用生命周期耗費分析法對建筑物總耗費進行經濟分析，是國外（如美國等）使用較多的一種方法，對于我國也具有一定的參考價值。

2數學模型

對于節能建筑能耗的分析，國外大都采用生命周期耗費分析法（即“LifeCycleCostAnalysis”,簡稱“LCCA”）.LCCA法是全面評價事物性能的方法，即對建筑物從建造、使用至拆除的整個過程（即建筑物的生命周期）進行全面性的整體評估，從宏觀上為節約能源提供了方向。本模型主要分析了建筑物在其生命周期中的采暖能耗，從單位面積圍護結構（考慮墻體或屋面）的年采暖總費用出發，進行經濟分析，提出了在節能建筑設計過程中計算保溫層經濟厚度的數學模型，得出一個簡單的計算經濟厚度公式。

2.1外墻和屋面的單位面積熱損失

冬季建筑物采暖熱負荷包括圍護結構的耗熱量和冷風滲透的耗熱量，其中冷風滲透的耗熱量不直接影響圍護結構的熱阻，在計算保溫層經濟厚度時只考慮外墻和屋面耗熱量的影響。

2.1.1單位面積熱損失可用下式計算摘要：

Q＝K·ΔT

式中Q－單位面積的耗熱量，W/m2；

K－傳熱系數，W/（m2·℃）；

ΔT－冬季室內外溫差，℃。

2.1.2單位面積年熱損失可用采暖度日數計算摘要：

QA＝86400·DD·K

式中QA—年采暖耗熱量，J/m2；

DD－采暖度日數，℃·d；

K－圍護結構的傳熱系數，W/（m2·℃）。

21.3圍護結構的傳熱系數為摘要：

K＝

式中Ri、Ro－分別為內、外表面的換熱阻，m2·K/W；

Rw－圍護結構的傳熱阻，m2·K/W；

Rin－保溫層的熱阻，m2·K/W。

Rin＝

式中δ－保溫層厚度，m;

λ－保溫層的導熱系數，W·m/K。

2.2單位面積年采暖總費用

建筑物年采暖總費用等于保溫層的投資費用和采暖耗熱費用之和，即摘要：

Ct＝Cin+Ch（1）

式中Ct－單位面積年采暖總費用，￥/m2；

Cin－單位面積保溫層的投資費用，￥/m2；

Ch－單位面積年采暖耗熱費用，￥/m2。

2.2.1保溫層的投資費用Cin按下式計算摘要：

Cin＝Ci·δ（2）

式中Ci－單位體積保溫材料的造價，￥/m3；

δ－保溫層厚度，m。

2.2.2采暖所用耗熱量的費用Ch采用生命周期耗費分析法（即僅考慮資金的時間價值）進行計算摘要：

Ch＝PWF·Ce（3）

式中PWF－貼現系數（PresentWorthFactor），即將資金的將來值折算成現值；

Ce－單位面積采暖年運行費用，￥/m2·a。

（4）

式中QA—同前，J/m2；

Cf－煤價，￥/kg；

η－采暖系統的總效率，η＝η1·η2；

η1－室外管網輸送效率，一般取0.9；

η2－鍋爐的運行效率，一般取0.68；

Hc－煤的發熱量，kJ/kg。

貼現系數PWF的確定方法如下摘要：

若g＝i，PWF＝（1+i）-1；

若g＜i，則I＝（i－g）/（1+g）；

若g＞i，則I＝（g－i）/（1+i）；

那么，PWF＝[1-(1+I)-N/I。

式中i－銀行利率，%；

g－通貨膨脹率，%；

N－使用年限，a；

I－貼現率，%。

2.3經濟厚度的計算

綜合以上各式（1）～（4），整理得到摘要：

（5）

如前所述，建筑采暖總費用Ct存在一個最小值Ct，min，其對應的厚度值即為經濟厚度δop。

由得摘要：

（6）

3實例計算及分析

3.1建筑概述

以大連市一座節能住宅建筑為例。其主體采用框架結構，六層樓，層高2.8m，南北向，單框雙玻塑鋼窗，樓梯間不采暖。墻體和屋面構造取用目前大連地區節能建筑常用的構造（見表1），本算例對各種構造的保溫層經濟厚度進行分析。

表1大連地區常用節能建筑構造構造

部件

基體

保溫層

材料

厚度(mm)

導熱系數λ(W/㎡·k)

保溫材料

導熱系數λ(W/㎡·k)

屋面

類型1

鋼筋混凝土

100

1.74

苯板

0.047

類型2

鋼筋混凝土

100

1.74

苯板

0.047

水泥珍珠巖保溫塊

0.160

墻體

類型1

大孔空心磚（頁巖）

300

0.58

外貼擠塑苯板

0.025

類型2

大孔空心磚（頁巖）

300

0.58

外貼EPS

0.050

類型3

大孔空心磚（頁巖）

300

0.58

內貼帶鋼絲網苯板

0.047

類型4

大孔空心磚（頁巖）

300

0.58

內抹保溫砂漿

0.060

主要建筑設計參數如下摘要：

建筑體積摘要:Vo=13748.61m3；

表2.墻體(類型1)構造[5材料名稱

導熱系數λ

(W/㎡·k)

厚度

δ(mm)

聚合物砂漿

0.930

3

擠塑聚苯乙烯泡沫板

0.030

――

聚合物砂漿

0.930

3

砂漿找平層

0.930

20

大孔空心磚（頁巖）

0.580

300

白灰砂漿

0.810

20

建筑外表面積摘要：Fo=3834.95m2；

建筑面積摘要：Ao=4758.34m2；

體形系數摘要：S=Fo/Vo=0.28m-1%26lt;0.3m-1；

換氣體積和次數摘要：V=8936.6m3，

n=0.65次/h；

窗墻面積比摘要：南摘要：0.27，北摘要：0.22；

采暖期室外平均溫度摘要：Te＝－1.6℃；

采暖期度日數摘要：DD=2541℃·d/y。

3.2計算結果及分析

3.2.1保溫層厚度和費用的關系

圖1.保溫層厚度和費用的關系

當墻體及保溫層的構造和材料一定時，保溫層厚度直接影響建筑采暖的經濟性。本文選用類型1的墻體進行分析，該墻體的具體結構見表2[5。

擠塑苯板的容重為15kg/m3，單位體積的造價為Ci＝260￥/m3；選用遼寧鞍山半煙末煤，煤發熱量Hc＝20.9MJ/kg，其價格Cf＝0.22￥/Kg；當前國家年貸款利率i＝6.21％，通貨膨脹率g＝2％，使用年限N＝10，經計算得，PWF＝9.27；Ro＝0.04㎡·K/W，Ri＝0.11㎡·K/W。圖1反映了保溫層厚度和相應費用之間的關系。

由圖1可見，建筑采暖過程中，保溫層的投資費用Cin隨保溫層厚度δ的增加呈線性增大，而采暖所用耗熱費用Ch和保溫層厚度δ之間是非線性關系，開始隨δ增大而迅速降低，當δ達到一定值時，Ch變得平緩，可見繼續增大δ并不能使Ch得到明顯地節省；從而導致建筑年采暖總費用Ct隨著δ的增加，先減小后有所增長，在δop＝40mm時存在一個最小值，為9.6萬元。

3.2.2不同結構的保溫層經濟厚度分析

部件

保溫材料

設計厚度(mm)

計算經濟厚度(mm)

差值(mm)

屋頂

類型1

苯板

50

64

16

類型2

苯板

30

29

-1

水泥珍珠巖保溫塊

120

114

-6

墻體

類型1

外貼擠塑苯板

20～35

40

5~20

類型2

外貼EPS

50

46

-4

類型3

內貼帶鋼絲網苯板

30～40

46

6~16

類型4

內抹保溫砂漿

30～40

47

7~17

表3.保溫層設計厚度和計算經濟厚度比較

對大連市節能建筑各種常用構造的保溫層經濟厚度進行計算，并和目前設計中采用的保溫層厚比較，計算結果見表3（表3中屋面和墻體的類型構造和表1對應）。

由表3可知，在本文選用參數的條件下，計算經濟厚度和實際工程設計中采用的保溫層厚度比較接近，但是存在差值，分析產生差值的原因如下摘要：一是設計參數的差異，如各地的煤價不同等因素；另一個原因是工程中的設計厚度僅從傳熱系數角度考慮以滿足節能設計的要求，而計算經濟厚度δop則綜合考慮了建筑物在其生命周期中的經濟性。

在本文計算條件下，計算經濟厚度一般大于設計厚度，即δop＞δ設計。例如，類型1墻體保溫層計算經濟厚度為δop=40mm，當設計值取用20mm時，二者差值可達20mm。和取用經濟厚度的保溫層相比較，雖然取用20mm的保溫層也可以滿足節能設計的要求，而且保溫層投資費用降低了一半，但卻使年采暖總費用增加了2萬元（見圖1），可見計算經濟厚度對工程的經濟性影響很大。同時，在設計實踐中，考慮到保溫材料實際保溫性能和理論值有所差距而應留有一定的裕量，故提高相應保溫層的設計厚度很有必要。

3.2.3不同墻體EPS保溫層厚度比較

主體結構

主體厚度

(mm)

主體傳熱系數

k(w/m2.K)

EPS板厚(mm)

推薦值

計算值

差值

粘土空心磚

240

0.580

50

47

-3

370

0.582

40

38

-2

490

0.586

30

30

混凝土空心砌塊

190

0.593

60

51

-9

粘土實心磚

240

0.547

60

46

-14

370

0.567

50

37

-13

490

0.592

40

30

-10

表4.不同墻體EPS保溫層厚度比較

當保溫材料一定，墻體的主體結構不同時，保溫材料的厚度也應不同。本文取用EPS保溫結構，對不同主體結構的墻體[6,7進行比較分析，計算結果見表4。由表4可見摘要：在本文計算條件下，EPS保溫層的計算經濟厚度小于推薦（設計）厚度，即δop＜δ設計，并且對于不同外墻主體結構，差值大小不同；采用粘土實心磚時，差值超過10mm，可見推薦值有些偏大。綜合表3、4可知，在實際工程中，外墻和屋面的保溫層厚度應根據各地區各建筑物的具體條件計算得到，而不應簡單地直接取用推薦值或憑經驗來確定，這樣才能有效地提高建筑物能耗的經濟性。

4有關經濟厚度的幾點探索

如前文所述，建筑圍護結構保溫層經濟厚度的影響因素眾多，在對其進行分析和計算過程中，一些重要的因素常作簡化處理，直接影響了保溫層經濟厚度計算的準確性。因此，筆者認為以下幾方面的新問題還待于深入探究摘要：

4.1計算通過圍護結構的負荷時，普遍使用室外平均計算溫度Te，然而實際上熱流隨著外界氣候、環境、時間等因素時刻發生變化。為此，應建立動態負荷和保溫層厚度之間的關系式。

4.2目前，保溫層厚度的確定方法一般僅考慮冬季采暖費用，對于冬季采暖夏季不用空調的地區比較適用；但若在兩者都采用的地區，在計算經濟厚度時，應考慮到夏季空調費用的影響。探究表明，提高圍護結構的保溫性能，在非最熱月或夜間氣溫低時不利于建筑散熱，反而導致年空調冷負荷增大。

4.3保溫層經濟厚度是從經濟學的角度來確定的（使建筑總費用最小）。然而，在能源緊張和環境惡化的今天，保溫層厚度的選擇不僅關系到節約能源新問題，同時也關系到環境保護新問題。假如圍護結構絕熱性能良好（不一定經濟），從而熱源的出力減小，燃料用量隨之減少，產生的污染物量也降低（如圖3所示[8），則有利于環境的保護。確切地說，“經濟厚度”應改為“最優厚度”，選取的厚度應使經濟和環境的效益最佳。有關建筑物對環境影響的課題，必須從建筑物的生命周期中去進行全面性的整體評估。在計算保溫層的厚度時，考慮的因素見圖4[8。

5結論

保溫層厚度的選擇關系到節能建筑的造價和運行成本的經濟性新問題。生命周期耗費分析法（LCCA）計算保溫層經濟厚度的數學模型，考慮了建筑物在其生命周期中的采暖能耗，具有科學、簡單、方便等特征。當缺少采暖系統數據資料時，利用設計規范（采用不同地區年度日數法計算采暖總熱量，忽略了室外氣象參數的影響）、了解墻體或屋面構造即可計算出保溫層經濟厚度，在實際工程設計中其針對性和適應性較好，對于工程設計具有一定的參考和應用價值，可用于新建或舊有建筑改造以及新型保溫材料的設計計算。

實際工程中，外墻和屋面的保溫層厚度應根據各地區各建筑物的具體條件計算得到，而不應簡單地直接取用推薦值或憑經驗來確定，這樣才能有效地提高建筑物的經濟性。在呼吁可持續發展的今天，從經濟和環境兩方面綜合考慮保溫層厚度，應該更為合理，意義更為重大。

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