建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

1、建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能材料的優(yōu)化分析長(zhǎng)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)現(xiàn)總體節(jié)能50% ，建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能應(yīng)達(dá)到 30% 的要求。以靜態(tài)傳熱模型為基礎(chǔ)，采用模糊綜合評(píng)判的方法，建立 以耗熱量指標(biāo)比、單位熱阻造價(jià)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(jì)算模型，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研建立供計(jì)算模型使用的數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算分析在三種 不同約束條件下：窗墻面積比變化、定造價(jià)、定材料時(shí)最優(yōu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的組合。關(guān)鍵詞： 圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合；耗熱量指標(biāo)；經(jīng)濟(jì)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(guó)建筑目前普遍存在耗能大、效率低、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能差等問(wèn)題， 并具有夏季空調(diào)用電量大、冬季采暖能耗高的特點(diǎn)。由于采暖和空調(diào)能耗太高，我 國(guó)房屋建筑普遍達(dá)不到節(jié)能要求。目前我國(guó)現(xiàn)有房屋建筑面積達(dá)到400億m2，已超過(guò)所有發(fā)達(dá)國(guó)家。近幾年每年房屋竣工面積約20億m2，但只有50006000 萬(wàn)m2是節(jié)能建筑，尚不足 3%，也就是說(shuō)有97%的房屋屬于高耗能建筑。因此如何 實(shí)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(guó)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(hù)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(lái)，做到系統(tǒng)地節(jié)能，并且考慮節(jié)能性的同時(shí)，又不失對(duì)經(jīng)濟(jì)性的 重視。本論文的出發(fā)點(diǎn)就在于此， 通過(guò)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(gè)建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫材料中。進(jìn)行整體的評(píng)價(jià)，綜 合運(yùn)用能量消耗、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境影響、材料性能等方面來(lái)評(píng)價(jià)圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合的優(yōu)劣 性。1 圍護(hù)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(jiǎn)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(kāi)有不同面積的窗戶(hù)；屋面與室外空氣直接 接觸，需要考慮保溫處理的

6、圍護(hù)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(mǎn)足節(jié)能要求，所以，只需對(duì)第一地帶的 地面進(jìn)行保溫處理，即是距外墻 2m 以?xún)?nèi)的地面。1.2目標(biāo)函數(shù)的建立準(zhǔn)則：圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合優(yōu)劣性，是建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量指標(biāo)比值、單位熱阻 造價(jià)比值、圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料性能和環(huán)境影響四個(gè)因素的綜合評(píng)價(jià)。解決問(wèn)題的方法是引入一個(gè)新的無(wú)量綱數(shù) ，稱(chēng)其為劣度。 為圍護(hù)結(jié)構(gòu) 耗熱量指標(biāo)比值、單位熱阻造價(jià)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(hù)結(jié)構(gòu)組合的耗熱量指標(biāo)與原始圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合耗熱量指標(biāo)相比得出；單位熱阻造價(jià)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(píng)價(jià)定量化得到。這四個(gè)變量，分別從不同的方面考察圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合的品 質(zhì)。對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性，相應(yīng)比值越小表示節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jià)、 -優(yōu)化選用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量指標(biāo)， 原始圍護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)單位熱阻造價(jià)，元/

8、m 2m C /W;原始圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)單位熱阻造價(jià)，元/m 2 * C /W;單位熱阻造價(jià)比值的權(quán)重； 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料性能因素的品質(zhì)； 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料性能因素的品質(zhì)的權(quán)重； 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料環(huán)境影響的品質(zhì)； 圍護(hù)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(jià)均為0,材），對(duì)環(huán)境毫無(wú)不利影響（Fj= X），這是最優(yōu)情況，4誠(chéng)然， 料性能各方面都極好（Gj= x 也是不可能實(shí)現(xiàn)的情況。無(wú)上限，但如果圍護(hù)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?yàn)槠鋵?duì)比基準(zhǔn)是最原始的無(wú)保溫措施圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量指標(biāo); 而對(duì)于單位熱阻造價(jià)比，考慮到建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫節(jié)能材料的日益更新，材料的

9、 價(jià)格波動(dòng)也較大，故無(wú)確切的比值可以估計(jì)，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(jì)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(gè)影響因素的值也是波動(dòng)的、不確定的。從各種因素對(duì)最優(yōu) 化評(píng)價(jià)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(huì)相應(yīng)改 變的。2計(jì)算模型2.1模型目標(biāo)設(shè)計(jì)通過(guò)模型計(jì)算，可以使建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的選用更規(guī)范化、快捷化，更有實(shí) 用價(jià)值，從而達(dá)到節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性與其他綜合效益的同時(shí)實(shí)現(xiàn)。模型制定的總體任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化組合，計(jì)算各種組合情 況下的耗熱量指標(biāo)、單位熱阻造價(jià)、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(jì)者參考選擇。開(kāi)始建筑基本資料輸入¥ 性能品質(zhì)分析 L 丫單位熱阻造價(jià)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(jí)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(kù)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)體一關(guān)系模型（Entity-Relationship Module ，簡(jiǎn)稱(chēng)E-R模型），E-R圖中1 : 1或M : N表示,的矩形表示實(shí)體，菱形表示實(shí)體間的聯(lián)系，聯(lián)系的類(lèi)型可用 橢圓表示實(shí)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(lèi)型 傳熱系數(shù) 材料性能 環(huán)境影響 單價(jià)r1:N屋面材扌料屋面類(lèi)型 傳熱系數(shù) 材料性能 環(huán)境影響 單價(jià)窗戶(hù)類(lèi)型 傳熱系數(shù) 材料性能 環(huán)境影響

11、單價(jià)K1：NM:N1:N圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量指標(biāo)比單位熱阻造價(jià)材料性能環(huán)境影響1:N優(yōu)化組合圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量指標(biāo)比單位熱阻造價(jià)材料性能環(huán)境影響綜合品質(zhì)圖3數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體關(guān)系模型2.3優(yōu)化綜合評(píng)價(jià)模塊綜合評(píng)價(jià)是在各分項(xiàng)計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。同時(shí)可以分別評(píng)價(jià)分析單項(xiàng)影響因 素最優(yōu)的圍護(hù)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(jià)、 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(jì)算得知，無(wú)論窗墻面積比如何變化，最優(yōu)的圍護(hù)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+單框雙玻”這兩種窗戶(hù)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(jià)比值可以看出，采用木窗時(shí)，比值小于采用塑鋼窗，顯然，這是由于木窗 的單價(jià)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?jī)?yōu)勢(shì)。就經(jīng)濟(jì)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(jì)性 也很好，在窗墻比為0.35和0.4時(shí)，它和“巖棉”的用量是很接近的。考慮單位熱 阻造價(jià)時(shí)，“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(jià)模型房間造價(jià)為2000元時(shí)，由于經(jīng)濟(jì)條件的限制，“粘土磚”墻體

13、更易滿(mǎn)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(hù)類(lèi)型則為各種木窗。造價(jià)為 3000元時(shí)，墻體結(jié)構(gòu)中，混凝土砌塊墻體的優(yōu)勢(shì)相對(duì) 突出一點(diǎn)?！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(shí)，塑鋼窗的份額與木窗接近，當(dāng)窗墻比為大于等于0.5時(shí)，木窗就大大超過(guò)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(jià)的條件下，只考慮耗熱量指標(biāo)比值，優(yōu)化出的圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合的綜合劣度只是隨窗墻面積比的增大而線(xiàn)性增加；如果考慮單位熱阻造價(jià)比，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的劣 度值不規(guī)則變化。對(duì)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(hù)結(jié)構(gòu)組合有更好的綜合品質(zhì)。綜合來(lái)看，墻體結(jié)構(gòu)中，混凝土砌塊墻體的優(yōu)勢(shì)相對(duì)突出一點(diǎn)。“聚苯板”與“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(shí)，塑鋼窗的份額與木窗接近，當(dāng)窗墻比為大于等于0.5時(shí)，木窗就大大超過(guò)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(shí)心粘土磚”墻體材料為例進(jìn)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(huì)隨著窗墻面積比的增大而增大，所以實(shí)際情況中根據(jù)所需進(jìn)行選擇組 合。三種材料各個(gè)指標(biāo)對(duì)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(jià)造阻熱位單480 混凝土空心砌塊粘土實(shí)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(xiàng)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(shí)心粘土磚 空心磚窗墻面積比d圖6分項(xiàng)比較度混凝土空心砌塊-實(shí)心粘土磚 空心磚窗墻面積比圖7分項(xiàng)比較由分析比較圖可以明顯地看出，有“空心磚”的圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合的節(jié)能性較好一 些，單位熱阻造價(jià)比在窗墻面積比小于0.35時(shí)也是最小的；而有“粘土磚”的圍護(hù)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(jià)上三者卻相 差無(wú)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(diǎn)。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(píng)判數(shù)學(xué)模型，將建筑物圍護(hù)結(jié) 構(gòu)的耗熱量指標(biāo)比、單位熱阻造價(jià)比、材料性能以與環(huán)境影響四個(gè)指標(biāo)值作為模型 的分析項(xiàng)。建立了圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料墻體、窗戶(hù)和屋面的數(shù)據(jù)庫(kù)，供給算模型調(diào)用。材 料數(shù)據(jù)庫(kù)有無(wú)限的擴(kuò)張性，使用者可以將原始數(shù)據(jù)庫(kù)中不存在的材料添加進(jìn)去。隨 著數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容的擴(kuò)充，此優(yōu)化計(jì)算模型輸出的結(jié)果會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，所以，此模型 有一定的實(shí)用性。文中各種材料的傳熱系數(shù)和價(jià)格來(lái)源并不統(tǒng)一，與實(shí)際工程中的 數(shù)據(jù)也會(huì)有一定差距。本文采用的模糊綜合評(píng)判方法，在權(quán)重確定上缺少足夠客觀(guān) 的數(shù)據(jù)，就會(huì)影響最終