嚴(yán)寒地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)廠房外墻保溫厚度最優(yōu)化分析

呂 青 李曉潤 陳水榮

(中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

·建筑節(jié)能·

嚴(yán)寒地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)廠房外墻保溫厚度最優(yōu)化分析

呂 青 李曉潤 陳水榮

(中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

以長春地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)廠房常見的保溫材料為例，通過采暖負(fù)荷與生命周期法綜合分析，得出嚴(yán)寒地區(qū)工業(yè)廠房不同保溫材料的經(jīng)濟(jì)厚度、保溫材料的價(jià)格、煤炭價(jià)格等在嚴(yán)寒地區(qū)總費(fèi)用中所占比重，以供鋼結(jié)構(gòu)廠房外墻保溫設(shè)計(jì)提供借鑒。

保溫厚度，生命周期法，年度總負(fù)荷，建筑節(jié)能

建筑物分為工業(yè)建筑和民用建筑，在建筑節(jié)能方面，人們更多的關(guān)注民用建筑的節(jié)能。許志忠、白延林等[1]在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，我國每年完成的建筑投資額中，工業(yè)建筑與民用建筑的投資比為53∶47，可見工業(yè)建筑占有大量比例。其中鋼結(jié)構(gòu)是工業(yè)建筑中一種主要的結(jié)構(gòu)形式，鋼材具有非常好的導(dǎo)熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到50 W/(m·℃)，對于鋼結(jié)構(gòu)廠房，如果不進(jìn)行保溫隔熱處理，勢必會造成大量的能量浪費(fèi)和消耗。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中墻體所占面積最大，外圍護(hù)的隔熱性差及氣密性不良都會造成大量熱損失，建筑物總能耗中建筑物外墻傳熱能耗占23%～34%，所以外墻的節(jié)能設(shè)計(jì)與改造是建筑節(jié)能的重點(diǎn)[2]。因此對鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的外墻保溫厚度進(jìn)行優(yōu)化分析具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

1 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房保溫構(gòu)造

鋼結(jié)構(gòu)是以鋼材制作為主的一種結(jié)構(gòu)，是主要的建筑類型之一。鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、自重輕、鋼度大且抗震性能好；建筑工期短，因此工程造價(jià)低；有較大的變形，能很好的承受動力荷載；其工業(yè)化程度高，可進(jìn)行機(jī)械化程度高的專業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)是工業(yè)廠房最常采用的一種承重結(jié)構(gòu)形式。

彩鋼保溫夾芯板保溫墻體適用于鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房。其是由兩層成型金屬面板(或其他材料面板)和直接在面板中間發(fā)泡、熟化成型的高分子隔熱內(nèi)芯組成。彩鋼保溫夾芯板常用保溫材料有：巖棉、聚苯乙烯(EPS)、聚氨酯等。

1)巖棉夾芯板。巖棉是一種良好的無極保溫材料，巖棉明顯的特點(diǎn)是耐火性好，阻燃吸濕性大，其價(jià)格便宜。巖棉夾芯板導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.038 W/(m2·K)。

2)聚苯乙烯(EPS)夾芯板。聚苯乙烯是以聚苯乙烯樹脂為主要原料，經(jīng)發(fā)泡劑發(fā)泡而制成的內(nèi)部具有無數(shù)封閉微孔的材料。其保溫效果好，價(jià)格便宜，強(qiáng)度稍差。聚苯乙烯(EPS)夾芯板，導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.041 W/(m2·K)。

3)聚氨酯夾芯板。聚氨酯夾芯板導(dǎo)熱系數(shù)為不大于0.033 W/(m2·K)，具有良好的絕熱性能，其防水性好，保溫效果好，強(qiáng)度高，發(fā)泡可制成任意形狀，適合現(xiàn)場施工，但價(jià)格較貴。

2 保溫厚度分析

2.1 年度總負(fù)荷計(jì)算

年度總負(fù)荷計(jì)算公式[3]：

Qt=Qw+QS。

(1)

(2)

其中，Qt為年度總負(fù)荷，kJ/m2；Qw為夏季負(fù)荷，kJ/m2；QS為冬季負(fù)荷，kJ/m2；HDD18為采暖度日數(shù)，℃·d；CDD26為空調(diào)度日數(shù),℃·d；K為墻體傳熱系數(shù)，W/(m2·℃),計(jì)算公式為：

(3)

其中，Rn，Rw分別為墻體內(nèi)外表面的換熱阻，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，一般Rn取0.11 m2·℃/W；Rw取0.05 m2·℃/W；Rj為圍護(hù)結(jié)構(gòu)各材料層的熱阻。忽略圍護(hù)結(jié)構(gòu)其他材料熱阻，保溫材料的熱阻為：

(4)

其中，λ為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；δ為保溫材料的厚度，m。

2.2 費(fèi)用計(jì)算

嚴(yán)寒地區(qū)廠房通常采用鍋爐統(tǒng)一冬季供暖，則能耗費(fèi)用的基本公式為：

(5)

其中,Cw為年采暖總費(fèi)用，元/ m2；Ct為煤炭單價(jià)，元/kg；Qw為年采暖耗熱費(fèi)用；H為煤炭發(fā)熱量，kJ/kg；η1為室外管網(wǎng)輸送效率，取0.9；η2為鍋爐的運(yùn)行效率，取0.68。

將保溫材料整個(gè)生命周期內(nèi)要消耗的煤炭費(fèi)用折算為當(dāng)前的費(fèi)用，采用現(xiàn)值系數(shù)(Present Worth Factor,PWF)方法進(jìn)行計(jì)算。現(xiàn)值系數(shù)是在N年內(nèi)每年等額收支一筆資金，在利率及通貨膨脹因素影響下，此等額年金收支的現(xiàn)值總額。PWF計(jì)算式為[4]：

PWF=[1-(1+I*)-N]/I*

(6)

(7)

(8)

其中，N為保溫材料使用年限，年；g為通貨膨脹率；I為貸款利率。

則年采暖總費(fèi)用公式為：

(9)

令建筑采暖總費(fèi)用Cz取一個(gè)最小值Cz，min，對應(yīng)的厚度值即為經(jīng)濟(jì)厚度δ0p。

3 經(jīng)濟(jì)保溫厚度的應(yīng)用

3.1 工程模型

嚴(yán)寒地區(qū)主要是冬季采暖，夏季不用空調(diào)。在計(jì)算保溫層經(jīng)濟(jì)厚度時(shí)只考慮對圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量的影響。冬季供暖時(shí)計(jì)算保溫經(jīng)濟(jì)厚度就可以采用生命周期耗費(fèi)分析法。以長春市某廠房為例，進(jìn)行墻體經(jīng)濟(jì)保溫厚度的分析。

廠房主體采用門剛結(jié)構(gòu)，層高7.5m，門窗采用單框雙玻中空塑鋼窗。選用常用的保溫材料對保溫層厚度進(jìn)行分析。計(jì)算的保溫材料有膨脹聚苯乙烯夾芯板、巖棉夾芯板、聚氨酯夾芯板。

3.2 保溫經(jīng)濟(jì)分析

以巖棉夾芯板為例，巖棉夾芯板單位體積的造價(jià)為Cin=250 元/m3；選用動力煤，吉林省售價(jià)(考慮運(yùn)費(fèi)影響)為0.78元/kg,煤發(fā)熱量Hc=16.8MJ/kg；假定國家年貸款利率i=5.94%，通貨膨脹率g=3.3%，使用年限N=20年。計(jì)算可得出PWF=1.07，HDD18=4 497 ℃·d，圖1反映了保溫層厚度與相應(yīng)費(fèi)用之間的關(guān)系。

從圖1可以看出，保溫材料費(fèi)用隨保溫厚度的增加而增大。同時(shí)，能耗費(fèi)用隨厚度的增加而減小。保溫厚度在80mm時(shí)總費(fèi)用為最低值。當(dāng)保溫厚度達(dá)到一定值后，總費(fèi)用曲線趨近于保溫材料費(fèi)用曲線。可以認(rèn)為，保溫材料達(dá)到一定值后，保溫材料費(fèi)用成為影響總費(fèi)用的主要因素，能耗費(fèi)用對總費(fèi)用影響不大。

3.3 不同煤炭價(jià)格及保溫材料價(jià)格對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)厚度

根據(jù)《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對吉林省地區(qū)外墻保溫節(jié)能要求，計(jì)算不同保溫材料達(dá)到該節(jié)能要求的最小保溫厚度，如表1所示。從表1可以看出，各種保溫材料在厚度70mm～80mm下即可滿足節(jié)能設(shè)計(jì)要求。上述的經(jīng)濟(jì)保溫厚度完全能達(dá)到節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。如果在設(shè)計(jì)過程中保溫厚度一味增加，能耗費(fèi)用降低較少，且大大增加了建筑成本，節(jié)能效果不明顯。

煤炭價(jià)格及保溫材料價(jià)格是影響鋼結(jié)構(gòu)廠房外墻經(jīng)濟(jì)厚度的重要因素之一。將近幾年煤炭價(jià)格與保溫材料價(jià)格進(jìn)行綜合分析，對應(yīng)的巖棉夾芯板的經(jīng)濟(jì)厚度見表2。

表1 滿足節(jié)能要求最小保溫厚度

表2 滿足節(jié)能要求經(jīng)濟(jì)保溫厚度

綜合表1與表2可以看出，在滿足《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》外墻保溫節(jié)能要求前提下，保溫經(jīng)濟(jì)厚度公式在一定范圍內(nèi)存在經(jīng)濟(jì)保溫厚度。保溫材料經(jīng)濟(jì)厚度值隨煤炭單價(jià)的增長而增大；隨保溫材料單價(jià)增長而降低。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

1)根據(jù)吉林省地區(qū)《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)計(jì)算，以長春為例，工業(yè)廠房常采用的三種保溫材料滿足節(jié)能要求下的最小保溫厚度在70 mm～80 mm左右。

2)實(shí)際工程中，簡單地直接取用推薦值或憑經(jīng)驗(yàn)確定保溫厚度極易造成經(jīng)濟(jì)成本增加。為有效的提高建筑物的經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性，外墻保溫層厚度根據(jù)地區(qū)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)、工程的具體條件計(jì)算得到，能有效地提高建筑物的經(jīng)濟(jì)性。嚴(yán)寒地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房經(jīng)濟(jì)保溫厚度建議取80 mm為宜。

如果需要增加保溫厚度，會大大增加建筑投入成本。

3)上述結(jié)論采用生命周期法對外墻保溫材料經(jīng)濟(jì)厚度進(jìn)行分析，是在度日數(shù)全天供暖情況下得出的。在計(jì)算經(jīng)濟(jì)厚度時(shí)，工業(yè)廠房具體的度日數(shù)需要根據(jù)實(shí)際情況考慮。

4)由于建筑物外墻不同朝向接受的熱輻射不同，因此不同朝向外墻保溫厚度可根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。

[1] 許志忠,白延林.我國工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)初探[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2008(7):21.

[2] 荊有印,柴保雙,宋 燕,等.寒冷地區(qū)外墻保溫對建筑負(fù)荷的影響及經(jīng)濟(jì)保溫厚度的確定[J].建筑科學(xué),2012(12):39-41.

[3] 王厚華,吳偉偉.居住建筑外墻外保溫厚度的優(yōu)化分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2008(8):937-941.

[4] 許建柳,何嘉鵬,孫偉民.南京建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算研究[J].暖通空調(diào),2008(1):49-51.

[5] 李多田.外墻外保溫技術(shù)的設(shè)計(jì)研究[J].山西建筑，2012，38(3)：206-207.

The optimization analysis on workshop exterior wall thermal insulation thickness of steel structure in cold area

LV Qing LI Xiao-run CHEN Shui-rong

(ChinaMetallurgicalBuildingResearchInstituteLimitedCompany,Beijing100088,China)

Taking the common thermal insulation material of steel structure workshop in Changchun area as an example, through the comprehensive analysis on heating load and life cycle, gained the proportion of economic thickness, heat preservation material price, coal price etc. in total cost in cold area of different insulation materials of industrial plants, so as to provided reference for external wall thermal insulation design of steel structure building.

insulation thickness, life cycle method, total annual load, building energy saving

1009-6825(2014)03-0204-02

2013-11-13

呂 青(1984- )，女，碩士，工程師； 李曉潤(1974- )，男，教授級高級工程師； 陳水榮(1964- )，男，教授級高級工程師

TU201.5

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