建筑物圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能材料的優(yōu)化設(shè)計分析

1、建筑物圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能材料的優(yōu)化分析長春工程學(xué)馬院爽摘 要： 本文依據(jù)民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在實現(xiàn)總體節(jié)能50% ，建筑物圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能應(yīng)達到 30% 的要求。以靜態(tài)傳熱模型為基礎(chǔ)，采用模糊綜合評判的方法，建立 以耗熱量指標(biāo)比、單位熱阻造價比、材料的性能和環(huán)境影響品質(zhì)值為變量的目標(biāo)函 數(shù)。編制計算模型，根據(jù)市場調(diào)研建立供計算模型使用的數(shù)據(jù)庫，計算分析在三種 不同約束條件下：窗墻面積比變化、定造價、定材料時最優(yōu)圍護結(jié)構(gòu)的組合。關(guān)鍵詞： 圍護結(jié)構(gòu)組合；耗熱量指標(biāo)；經(jīng)濟性；劣度Optimization analyse of energy saving of construction envelopconf

2、igurationChangchun Institute of TechnologyMA ShuangAbstract : This paper according to construction energy conservation criterion, if want to achieve energy conservation 50% in total, then the envelop configuration of buildings whose energy conservation must to reach 30%. Base on diathermanous static

3、 state model establish a target function which variables are index of energy consumption and cost of per heat barrier, to analyze the indexes of variable conditions of the construction, then achieve the optimal resultants of envelop configuration.Key words : envelop configuration;index of energy con

4、sumption;economical factor; inferior degree我國建筑目前普遍存在耗能大、效率低、圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能差等問題， 并具有夏季空調(diào)用電量大、冬季采暖能耗高的特點。由于采暖和空調(diào)能耗太高，我 國房屋建筑普遍達不到節(jié)能要求。目前我國現(xiàn)有房屋建筑面積達到400億m2，已超過所有發(fā)達國家。近幾年每年房屋竣工面積約20億m2，但只有50006000 萬m2是節(jié)能建筑，尚不足 3%，也就是說有97%的房屋屬于高耗能建筑。因此如何 實行建筑節(jié)能，降低能源消耗和環(huán)境污染，提高能源利用效率，是我國可持續(xù)發(fā)展 必須研究解決的重大課題 1,2 。為了更好的發(fā)展建筑節(jié)能， 真正

5、做到有效的利用能源， 不僅僅要在墻體、窗戶亦或是地面或屋頂中的某一單方面上下功夫，更合理的節(jié)能 措施是要綜合起來，做到系統(tǒng)地節(jié)能，并且考慮節(jié)能性的同時，又不失對經(jīng)濟性的 重視。本論文的出發(fā)點就在于此， 通過全面地收集現(xiàn)階段較為普遍應(yīng)用的節(jié)能材料， 將建筑節(jié)能的概念應(yīng)用到整個建筑物的圍護結(jié)構(gòu)保溫材料中。進行整體的評價，綜 合運用能量消耗、經(jīng)濟性、環(huán)境影響、材料性能等方面來評價圍護結(jié)構(gòu)組合的優(yōu)劣 性。1 圍護結(jié)構(gòu)模型1.1 物理模型本文物理模型的建立是基于簡化的原則，假設(shè)建筑物為典型的多層住宅樓，形 狀為規(guī)則的六面體，不同朝向的外墻上開有不同面積的窗戶；屋面與室外空氣直接 接觸，需要考慮保溫處理的

6、圍護結(jié)構(gòu)；地面與室外土壤直接接觸，根據(jù)非保溫地面 的傳熱系數(shù)，只有第一地帶的傳熱系數(shù)不滿足節(jié)能要求，所以，只需對第一地帶的 地面進行保溫處理，即是距外墻 2m 以內(nèi)的地面。1.2目標(biāo)函數(shù)的建立準(zhǔn)則：圍護結(jié)構(gòu)組合優(yōu)劣性，是建筑物圍護結(jié)構(gòu)的耗熱量指標(biāo)比值、單位熱阻 造價比值、圍護結(jié)構(gòu)材料性能和環(huán)境影響四個因素的綜合評價。解決問題的方法是引入一個新的無量綱數(shù) ，稱其為劣度。 為圍護結(jié)構(gòu) 耗熱量指標(biāo)比值、單位熱阻造價比值、材料性能品質(zhì)和環(huán)境影響品質(zhì)四者分別加權(quán) 的和。耗熱量指標(biāo)比值，是由優(yōu)化圍護結(jié)構(gòu)組合的耗熱量指標(biāo)與原始圍護結(jié)構(gòu)組合耗熱量指標(biāo)相比得出；單位熱阻造價品質(zhì)同理；材料性能和環(huán)境影響的數(shù)值，則

7、由 將定性的評價定量化得到。這四個變量，分別從不同的方面考察圍護結(jié)構(gòu)組合的品 質(zhì)。對于圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能性和經(jīng)濟性，相應(yīng)比值越小表示節(jié)能性和經(jīng)濟性越好，其 劣度越低，而材料性能因素和環(huán)境因素的品質(zhì)值越大代表材料越好，所以，將性能 品質(zhì)和環(huán)境影響品質(zhì)的值分別取倒數(shù)，再進行加權(quán)，最終劣度的值的最小者，即為優(yōu)化的最終結(jié)果。建立目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)形式如下：minqH1qH13Gji4F式中q，HqHiiss劣度，由耗熱量指標(biāo)、單位熱阻造價、 -優(yōu)化選用的圍護結(jié)構(gòu)的耗熱量指標(biāo)， 原始圍護結(jié)構(gòu)的耗熱量指標(biāo)，W/m耗熱量指標(biāo)比值的權(quán)重；材料性能和環(huán)境影響四者影響;W/m3Fj優(yōu)化選用的圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)單位熱阻造價，元/

8、m 2m C /W;原始圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)單位熱阻造價，元/m 2 * C /W;單位熱阻造價比值的權(quán)重； 圍護結(jié)構(gòu)材料性能因素的品質(zhì)； 圍護結(jié)構(gòu)材料性能因素的品質(zhì)的權(quán)重； 圍護結(jié)構(gòu)材料環(huán)境影響的品質(zhì)； 圍護結(jié)構(gòu)材料環(huán)境影響的品質(zhì)的權(quán)重。的最小值是0,表示該組合的耗熱量指標(biāo)和單位熱阻造價均為0,材），對環(huán)境毫無不利影響（Fj= X），這是最優(yōu)情況，4誠然， 料性能各方面都極好（Gj= x 也是不可能實現(xiàn)的情況。無上限，但如果圍護結(jié)構(gòu)均為節(jié)能材料，中耗熱量指標(biāo)比是小于1的，因為其對比基準(zhǔn)是最原始的無保溫措施圍護結(jié)構(gòu)的耗熱量指標(biāo); 而對于單位熱阻造價比，考慮到建筑物圍護結(jié)構(gòu)保溫節(jié)能材料的日益更新，材料的

9、 價格波動也較大，故無確切的比值可以估計，如果技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的迅速，有可 能比值就小于1,但若技術(shù)的發(fā)展滯后于經(jīng)濟的發(fā)展，那么第二部分的比值則大于 1，各種材料更新后兩個影響因素的值也是波動的、不確定的。從各種因素對最優(yōu) 化評價的影響考慮，隨著日后有更權(quán)威的數(shù)據(jù)加入到目標(biāo)函數(shù)中，此權(quán)值會相應(yīng)改 變的。2計算模型2.1模型目標(biāo)設(shè)計通過模型計算，可以使建筑物圍護結(jié)構(gòu)材料的選用更規(guī)范化、快捷化，更有實 用價值，從而達到節(jié)能性、經(jīng)濟性與其他綜合效益的同時實現(xiàn)。模型制定的總體任務(wù)是實現(xiàn)對現(xiàn)有圍護結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化組合，計算各種組合情 況下的耗熱量指標(biāo)、單位熱阻造價、材料性能和環(huán)境影響品質(zhì)，并提供給定條件下

10、 優(yōu)化組合供建筑物設(shè)計者參考選擇。開始建筑基本資料輸入¥ 性能品質(zhì)分析 L 丫單位熱阻造價分析1耗熱量指標(biāo)分析*環(huán)境品質(zhì)分析給定條件分析T二級處理數(shù)據(jù)結(jié)束圖2數(shù)據(jù)流程圖2.2數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計實體一關(guān)系模型（Entity-Relationship Module ，簡稱E-R模型），E-R圖中1 : 1或M : N表示,的矩形表示實體，菱形表示實體間的聯(lián)系，聯(lián)系的類型可用 橢圓表示實體的有關(guān)屬性。圖3是模型的E-R圖。/M:N、一、/墻體材料墻體類型 傳熱系數(shù) 材料性能 環(huán)境影響 單價r1:N屋面材扌料屋面類型 傳熱系數(shù) 材料性能 環(huán)境影響 單價窗戶類型 傳熱系數(shù) 材料性能 環(huán)境影響

11、單價K1：NM:N1:N圍護結(jié)構(gòu)組合圍護結(jié)構(gòu)耗熱量指標(biāo)比單位熱阻造價材料性能環(huán)境影響1:N優(yōu)化組合圍護結(jié)構(gòu)耗熱量指標(biāo)比單位熱阻造價材料性能環(huán)境影響綜合品質(zhì)圖3數(shù)據(jù)庫實體關(guān)系模型2.3優(yōu)化綜合評價模塊綜合評價是在各分項計算的基礎(chǔ)上進行的。同時可以分別評價分析單項影響因 素最優(yōu)的圍護結(jié)構(gòu)組合，也可以根據(jù)需要改變約束條件，例如改變工程的總造價、 改變各影響因素的權(quán)重，如圖4所示。3約束條件變化材料分析3.1窗墻面積比變化由模型計算得知，無論窗墻面積比如何變化，最優(yōu)的圍護結(jié)構(gòu)組合中，墻體材 料均為“ 240空心磚+100巖棉”；由于“單層塑鋼窗+單框雙?！焙汀皢螌幽舅茕?窗+單框雙?！边@兩種窗戶的傳熱

12、系數(shù)相同，所以，兩者的節(jié)能性相同，但由單位 熱阻造價比值可以看出，采用木窗時，比值小于采用塑鋼窗，顯然，這是由于木窗 的單價低于塑鋼窗很多；屋面材料為“80擠塑聚苯+180鋼混圓孔板”。作為承重層的“粘土磚”和作為保溫層的“巖棉”，兩者具有明顯的用量優(yōu)勢。就經(jīng)濟性而言，“加氣混凝土”更優(yōu)于“空心磚”?！熬郾桨濉北貙拥墓?jié)能經(jīng)濟性 也很好，在窗墻比為0.35和0.4時，它和“巖棉”的用量是很接近的?？紤]單位熱 阻造價時，“加氣混凝土”和“鋼混”屋面板有幾乎相同的用量，“水泥聚苯板”是最好的屋面保溫材料，“聚苯板”僅次于它。3.2定造價模型房間造價為2000元時，由于經(jīng)濟條件的限制，“粘土磚”墻體

13、更易滿足其 要求，而不論是墻體保溫材料，還是屋面保溫層，“聚苯板”都是最理想的。窗戶類型則為各種木窗。造價為 3000元時，墻體結(jié)構(gòu)中，混凝土砌塊墻體的優(yōu)勢相對 突出一點?！熬郾桨濉迸c“巖棉”的墻體保溫層用量幾乎均等；窗墻比為小于等于 0.5時，塑鋼窗的份額與木窗接近，當(dāng)窗墻比為大于等于0.5時，木窗就大大超過了塑鋼窗；“擠塑型聚苯板”保溫屋面有較好的節(jié)能性。在定造價的條件下，只考慮耗熱量指標(biāo)比值，優(yōu)化出的圍護結(jié)構(gòu)組合的綜合劣度只是隨窗墻面積比的增大而線性增加；如果考慮單位熱阻造價比，圍護結(jié)構(gòu)的劣 度值不規(guī)則變化。對比兩種約束條件下的劣度值可以看出，考慮耗熱量指標(biāo)比的劣 度值更低一些，即是由此

14、條件優(yōu)化出的圍護結(jié)構(gòu)組合有更好的綜合品質(zhì)。綜合來看，墻體結(jié)構(gòu)中，混凝土砌塊墻體的優(yōu)勢相對突出一點?！熬郾桨濉迸c“巖棉”的墻體保溫層用量幾乎均等；窗墻比為小于等于0.5時，塑鋼窗的份額與木窗接近，當(dāng)窗墻比為大于等于0.5時，木窗就大大超過了塑鋼窗；“擠塑型聚苯板”保溫屋面有較 好的節(jié)能性。3.3定材料本文以“混凝土空心砌塊”、“空心磚”和“實心粘土磚”墻體材料為例進行分 析，綜合比較的最優(yōu)組合分別為“190混凝土砌塊+80qb聚苯+單層木窗+單框雙玻+80wb擠塑聚苯+130鋼混圓孔板”、“ 240空心磚+100qb 巖棉（80聚苯）+ 單層木窗+單框雙玻+80wb 擠塑聚苯+130（ 180

15、）鋼混圓孔板”、“ 240粘土磚+80qb聚苯+單層木窗+單框雙玻+80wb擠塑聚苯+180鋼混圓孔板”。各種組合 的劣度值都會隨著窗墻面積比的增大而增大，所以實際情況中根據(jù)所需進行選擇組 合。三種材料各個指標(biāo)對比分析如下：值比標(biāo)指量熱耗0.68 10.66 -0.64 -0.62 -0.60 -0.58，0.56 -/ j 口0.54值比價造阻熱位單480 混凝土空心砌塊粘土實心磚I 空心磚0.2 0.3 0.4 0.5 0.6窗墻面積比0.2 0.3 0.4 0.5 0.6窗墻面積比圖5分項比較800.2 0.3 0.4 0.5 0.6窗墻面積比c75000006004 37 798 7

16、67 7 7值質(zhì)品響影境環(huán)混凝土空心砌塊 實心粘土磚 空心磚窗墻面積比d圖6分項比較度混凝土空心砌塊-實心粘土磚 空心磚窗墻面積比圖7分項比較由分析比較圖可以明顯地看出，有“空心磚”的圍護結(jié)構(gòu)組合的節(jié)能性較好一 些，單位熱阻造價比在窗墻面積比小于0.35時也是最小的；而有“粘土磚”的圍護結(jié)構(gòu)組合的環(huán)境影響和材料性能都比另兩種材料的組合差一些；造價上三者卻相 差無幾；最終的劣度也是“粘土磚”的值最高，“空心磚”稍微低于“混凝土空心砌塊” 一點。4結(jié)論本文建立了規(guī)則建筑物的物理模型和模糊綜合評判數(shù)學(xué)模型，將建筑物圍護結(jié) 構(gòu)的耗熱量指標(biāo)比、單位熱阻造價比、材料性能以與環(huán)境影響四個指標(biāo)值作為模型 的分析項。建立了圍護結(jié)構(gòu)材料墻體、窗戶和屋面的數(shù)據(jù)庫，供給算模型調(diào)用。材 料數(shù)據(jù)庫有無限的擴張性，使用者可以將原始數(shù)據(jù)庫中不存在的材料添加進去。隨 著數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的擴充，此優(yōu)化計算模型輸出的結(jié)果會相應(yīng)發(fā)生變化，所以，此模型 有一定的實用性。文中各種材料的傳熱系數(shù)和價格來源并不統(tǒng)一，與實際工程中的 數(shù)據(jù)也會有一定差距。本文采用的模糊綜合評判方法，在權(quán)重確定上缺少足夠客觀 的數(shù)據(jù)，就會影響最終