嚴(yán)寒地區(qū)被動式低能耗建筑外墻最佳保溫層厚度研究

摘要：為探究嚴(yán)寒地區(qū)被動式低能耗建筑外墻最佳保護層厚度，采用理論計算法和生命周期價值法對不同保溫層厚度的傳熱系數(shù)及經(jīng)濟性進行計算，基于計算結(jié)果對最佳保護層厚度進行分析研究，分析得出當(dāng)保溫層采用EPS板時，厚度增加到220mm以后，無明顯節(jié)能效果及經(jīng)濟性。為進一步驗證外墻最佳保溫層厚度，通過實驗測試三種典型保溫層厚度下同一墻體內(nèi)表面溫度的變化。通過計算及實驗得出，當(dāng)保溫層采用EPS板時，嚴(yán)寒地區(qū)被動式低能耗建筑外墻最佳保護層厚度為220mm。

關(guān)鍵詞：被動式低能耗建筑；保溫層厚度：傳熱系數(shù)：經(jīng)濟性

中圖分類號：TU111.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-2118（2017）01-0059-04

Abstract：To explore optimal thermal insulation thickness on the externalwalls of passive low-energy buildingsin cold region，use theoretical calculation method and the lifetime value method to calculate the heat transfer co-efficient and the insulation layer with different hickness.Base on the result， analyse the best thickness of the in-sulation layer.The result is：insulation layer thickness more than 220mm is not useful for energy savings and econ-omy.To verify the best insulation layer hickness，test the inner surface temperature change of same walls at threetypes typical insulation layer thickness.Through calculation and xperiments，when the insulation layer adoptsEPS plate，we have the result that the optimal insulation layer thickness of passive low-energy buildings in coldregion is 220mm.

Keywords ： passive low-energy buildings ； insulation thickness ； heat transfer coefficient ； economy

0 引言

被動式低能耗建筑的房屋外圍護結(jié)構(gòu)是采用最佳的節(jié)能技術(shù)組合來提高房屋的保溫隔熱性和氣密性，使房屋對冷氣和暖氣的耗能降到最低。再通過新風(fēng)系統(tǒng)、排風(fēng)熱回收系統(tǒng)和可再生能源系統(tǒng)等給房屋提供正能量和能量的回收再利用，實現(xiàn)房屋室內(nèi)的舒適環(huán)境，同時又最大限度地降低或取消了建筑對化石能源的依賴，減少或杜絕了有害氣體和物質(zhì)排放的建筑。

墻體是外圍護的主體，要降低建筑物的能耗，首先要考慮墻體的節(jié)能。因此，嚴(yán)寒地區(qū)外保溫墻體的最佳保溫層厚度研究也越來越引起大家的重視。雖然提高外墻的保溫性能可以減少建筑物的供熱能耗費用，但也會增加外墻的建設(shè)成本，提高建設(shè)方的一次建設(shè)資金，并且保溫層的使用壽命是有限的，因此不能無限制的加大保溫層厚度去減少能耗費用，而要合理選擇保溫層的厚度使外墻在保溫層生命周期內(nèi)所造成的采暖能耗費用和保溫層造價之和最低。

本文采用理論計算法和生命周期價值法分別對不同保溫層厚度的傳熱系數(shù)及經(jīng)濟性進行計算，基于計算結(jié)果對最佳保護層厚度進行分析研究，并通過實驗驗證計算結(jié)果。根據(jù)結(jié)果對節(jié)能性及經(jīng)濟性兩方面進行綜合分析，確定嚴(yán)寒地區(qū)被動式低能耗建筑外墻的最佳保護層厚度。

1 外墻保溫層厚度對傳熱系數(shù)的分析研究

外墻的傳熱系數(shù)K能用下式?jīng)Q定『1]：式中：Ri和w。分別為室內(nèi)和室外空氣的熱阻，（m2.K）/W；R。為基層墻體的總熱阻，（m2.K）/W；Rin為保溫層的總熱阻，（ m2.K）/W。

選取2種常用的基層墻體材料，煤矸石空心磚和爐渣空氣砌塊，厚度均為190mm。保溫材料選取EPS板，傳熱系數(shù)0.039W/（ m2.K）。通過理論計算，得出2種基層材料在不同保溫層（保溫材料為EPS板）厚度（ 0—300mm）下的外墻傳熱系數(shù)。

由圖l，圖2可以看出：

（1）隨著保溫層厚度的增加，外墻的傳熱系數(shù)隨之降低；

（2）當(dāng)保溫層厚度由0增加到50mm時，曲線斜率較大，即傳熱系數(shù)降低的最明顯；

（3）保溫層厚度增加到50mm之后，曲線趨于平緩，斜率逐漸降低，傳熱系數(shù)降低緩慢，節(jié)能效果最好。繼續(xù)增加保溫層厚度，傳熱系數(shù)隨之降低；

（4）當(dāng)保溫層厚度增至220mm時，外墻傳熱系數(shù)分別為0.191W/（m2.K），0.196W/（m2- K），繼續(xù)增加保溫層厚度，每增加lOmm保溫層厚度，外墻傳熱系數(shù)降低值小于0.01 W/（m2.K）斜率趨近于0，若繼續(xù)增加保溫層厚度對其傳熱系數(shù)及能耗降低影響不大，無明顯節(jié)能效果，且經(jīng)濟性有所下降。

2 外墻保溫層厚度的經(jīng)濟性分析研究

2.1 保溫層生命周期內(nèi)各項費用的計算

保溫層生命周期內(nèi)的費用為保溫層的投資費用和采暖燃料費用組成，以下對這2種費用的計算方法進行闡述[2]。

根據(jù)上式及參數(shù)值計算得出不同保溫層厚度和其生命周期內(nèi)的各項費用值。詳情見圖3。

圖3反映了保溫層厚度與相應(yīng)費用之間的關(guān)系。由圖3可見：

（1）保溫層的投資費用Cin，隨保溫層厚度d的增加呈線性增大；

（2）耗熱費用G與保溫層厚度d之間是非線性關(guān)系，開始隨d增大而迅速降低，當(dāng)d達(dá)到200mm時，Ch。變得平緩，可見繼續(xù)增大d并不能使Gh得到明顯地節(jié)省；

（3）對于基層材料為爐渣空心砌塊，當(dāng)保溫層厚度為50mm時，總費用存在一個最小值39.62元/m2。對于基層材料為煤矸石空心磚，當(dāng)保溫層厚度為40mm時，總費用存在一個最小值37.32元/m2；（4）當(dāng)保溫層厚度d增大到200mm時，保溫層費用曲線與總費用曲線相當(dāng)接近，說明燃料費用占總費用的比重越來越小，若繼續(xù)增加保溫層厚度，會使保溫層費用和總費用繼續(xù)增大，對能耗的降低無太大意義，反而會增加經(jīng)濟投入。

針對保溫層厚度增加帶來的初投資增加，可以采取生命周期價值的方法計算增加保溫層的經(jīng)濟性。對于基層材料為爐渣空心砌塊，當(dāng)保溫層厚度為50mm時，總費用存在一個最小值；對于基層材料為煤矸石空心磚，當(dāng)保溫層厚度為40mm時，總費用存在一個最小值。當(dāng)保溫層厚度d增大到200mm時，繼續(xù)增加保溫層厚度，會使保溫層費用和總費用繼續(xù)增大，對能耗的降低無太大意義，反而會增加經(jīng)濟投入。

實際應(yīng)用中，應(yīng)充分考慮建筑的節(jié)能性和經(jīng)濟性，使節(jié)能建筑物的節(jié)能性和經(jīng)濟性綜合指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。

3 外墻保溫層厚度對內(nèi)墻表面溫度影響的實驗研究

為進一步探究長春地區(qū)墻體最佳保溫層厚度，通過實驗測試不同保溫層厚度下，同一墻體內(nèi)表面溫度的變化。

選取院一層北側(cè)外墻進行實驗，選用3個典型保溫層厚度》分別為150mm，220mm，300mm的EPS對墻體進行保溫，并存內(nèi)墻相應(yīng)位置布置墻體表面檢測儀，同時測試室內(nèi)溫度及室外溫度[3]。外墻效果及測點情況詳見圖4，圖5。

測試時間：2015年12月6日O時至24時。室外平均溫度-10.170C。

圖6反映了3種保溫層厚度下內(nèi)墻表面溫度的變化情況。由圖6可見：

（1） 150mmEPS保溫厚度全天內(nèi)墻平均溫度為16.32C；220mmEPS保溫厚度全天內(nèi)墻平均溫度為16.66C；300mmEPS保溫厚度全天內(nèi)墻平均溫度為16.85qC：

（2）3種保溫層厚度下，內(nèi)墻表面溫度差最大值出現(xiàn)在早7時，150mmEPS保溫厚度內(nèi)墻溫度為16.580C：220mmEPS保溫厚度全天內(nèi)墻平均溫度為16.980C；300mmEPS保溫厚度全天內(nèi)墻平均溫度為17.18。C，三者之間差分別為0.4。C和0.2。C；

（3）由圖上內(nèi)墻表面溫度可以看出，保溫層厚度由150mm增加到220mm內(nèi)墻溫升較保溫層厚度由220mm增加到300mm大，由實驗也印證了之前的理論計算結(jié)果。

4結(jié)論

（1）通過計算得出兩種基層材料在不同保溫層（保溫材料為EPS板）厚度下的外墻傳熱系數(shù)。當(dāng)保溫層厚度為0～50mm時，傳熱系數(shù)降低最為明顯，節(jié)能效果最好。繼續(xù)增加保溫層厚度，傳熱系數(shù)隨之降低，但當(dāng)保溫層厚度增加至220mm以后，每增加lOmm保溫層厚度，外墻傳熱系數(shù)降低值小于0.01W/（m2.K），無明顯節(jié)能效果；

（2）采取生命周期價值的方法計算增加保溫層厚度的經(jīng)濟性。對于基層材料分別為爐渣空心砌塊和煤矸石空心磚時，當(dāng)保溫層厚度分別為50mm和40mm時，總費用存在一個最小值；當(dāng)保溫層厚度d增大到200mm時，繼續(xù)增加保溫層厚度，會使保溫層費用和總費用繼續(xù)增大，對能耗的降低無太大意義，反而會增加經(jīng)濟投入；

（3）通過實驗得出，保溫層厚度由150mm增加到220mm內(nèi)墻溫升為保溫層厚度由220mm增加到300mm的近2倍，由此可見，保溫層厚度增加到220mm以上對室內(nèi)溫度影響較小；

（4）嚴(yán)寒地區(qū)通過增加保溫層厚度可以達(dá)到被動式低能耗建筑要求外墻傳熱系數(shù)不大于0.15W/（mz.K）的要求，就節(jié)能性及經(jīng)濟性的綜合分析，當(dāng)保溫材料采用EPS板時，嚴(yán)寒地區(qū)被動式低能耗建筑外墻最佳保護層厚度為220mm。

參考文獻(xiàn)

[1]GB50176-93，民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范[s].北京：中國計劃出版社，1993.

[2]鄒春來，周波，樊曉剛.被動建筑的節(jié)能設(shè)計方法及其可行性[J].工業(yè)建筑，2007，37（5）：45-47.

[3]李穎.嚴(yán)寒地區(qū)建筑節(jié)能型圍護結(jié)構(gòu)熱工性能研究與測試[D].長春：吉林建筑大學(xué)，2014.

編輯：于璐