基于傳熱性能模型優化的建筑外墻隔熱保溫與節能

摘要：為提高建筑外墻保溫隔熱節能效果，引入傳熱性能模型模擬建筑物的傳熱過程，識別建筑物節能潛力，并提供改進建議，以減少能源消耗和碳排放。設計建筑傳熱性能模型模擬建筑物的傳熱過程；以傳熱性能模型為基礎，通過敏感性分析方法獲取外墻傳熱系數與輻射吸收系數；以能耗最小化和成本最低為目標，構建節能優化目標函數；通過考慮結構設計、材料選用和施工工藝等方面調整墻面基體與保溫板的導熱系數，解決導熱系數差異帶來的伸縮強度不一致，設計外墻保溫隔熱節能優化方案。結果表明，該方法可有效降低建筑的供暖負荷、制冷負荷以及總負荷，提高建筑節能效果。

關鍵詞：傳熱性能模型；綠色建筑；外墻保溫隔熱；節能優化；外墻傳熱系數

中圖分類號：TP391.92文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2025）01-0161-05

Thermal insulation and energy efficiency of building external walls optimized based on heat transfer performance model

LI Jinqi1，2

（1.College of Architecture Science and Engineering，angzhou University，Yangzhou 225000，Jiangsu China；

2.Yancheng Chengtou Real Estate Group Co.，Ltd.，Yancheng 224000，Jiangsu China）

Abstract：In order to improve the energy saving effect of building exterior wall insulation，a heat transfer perfor?mance model was introduced to simulate the heat transfer process of the building，the energy saving potential of the building was identify，and improvement suggestions were provided to reduce energy consumption and carbon emis?sions.Design a building heat transfer performance model to simulate the heat transfer process of the building.Based on the heat transfer performance model，the sensitivity analysis method was used to obtain the heat transfer coeffi?cient and radiation absorption coefficient of the exterior wall.With the goal of minimizing energy consumption and minimizing costs，a energy-saving optimization objective function was constructed.By considering structural design，material selection，and construction technology，the thermal conductivity of the wall substrate and insulation board were adjusted to solve the inconsistent expansion and contraction strength caused by differences in thermal conduc?tivity，and an energy-saving optimization plan for external wall insulation and thermal insulation were designed.The results showed that this method can effectively reduce the heating load，cooling load，and total load of buildings，im?prove building energy savings，and provide high energy efficiency for buildings.

Key words：heat transfer performance model；green building；external wall thermal insulation；energy saving opti?mization；external wall heat transfer coefficient

綠色建筑是一種以降低對環境影響為目標的建筑設計和建造方式[1，2]。綠色建筑通過改善空氣質量、優化照明和采光、降低噪音等因素來提高居住者的舒適感[3，4]。綠色建筑在設計時需要保證更低的能耗，從而進一步提高建筑節能的可持續性[5]。有較多學者對節能方法進行研究，如基于遺傳算法的智能建筑節能設計，該方法利用遺傳算法對節能方案進行尋優[6]；研究基于遺傳算法的高層住宅太陽能光伏利用潛力參數化設計方法[7]；研究基于節能減碳及光環境性能優化的辦公建筑設計[8]；研究基于隨機負荷預測的熱泵熱水系統節能運行策略優化[9]。在建筑領域中，傳熱性能模型常用于評估建筑結構、保溫隔熱材料和整體建筑系統的熱性能，用于設計高效節能的建筑[10，11]。為此，借助傳熱性能模型，設計綠色建筑外墻保溫隔熱節能優化方法。

1建筑外墻保溫隔熱節能優化

1.1建筑外墻能耗情況分析

為有效實現建筑外墻保溫隔熱節能優化，分析綠色建筑在不同外墻傳熱系數L以及外墻外表面太陽輻射吸收系數φi情況下的能耗情況，構建綠色建筑傳熱性能模型。

（1）假定綠色建筑屋面、外窗傳熱性能保持不變，以此為基礎評估建筑外墻傳熱性能與能耗之間的關系[12]。分析不同外墻傳熱系數下的建筑能耗，分析結果如圖1所示。

由圖1可知，隨著外墻傳熱系數的逐漸減小，建筑供冷能耗、供暖能耗以及總能耗均有所下降，說明外墻傳熱系數與建筑節能率成反比，外墻傳熱系數與建筑能耗影響的敏感性系數成反比，可見在較低的外墻傳熱系數下可以實現良好的建筑節能效果[13]。

（2）分析不同外墻外表面輻射吸收系數變化對建筑能耗的影響，分析結果如圖2所示。

由圖2可知，當外墻外表面輻射吸收系數逐漸減小，建筑對日光輻射的吸收能力逐漸下降，導致建筑的整體能耗有所上升，而輻射吸收系數越小，對建筑能耗的敏感性系數也會越大，因此，在較大的輻射吸收系數下，建筑才能夠保持優異的節能能力。

1.2綠色建筑傳熱性能模型構建

建筑傳熱性能模型是一種用于評估綠色建筑在不同氣候條件下的能源效率和熱舒適性的工具[14]。傳熱性能模型可以幫助分析建筑物的能源利用情況，并確定能源消耗的主要來源[15]。可見，建筑傳熱性能模型對于提高建筑物外墻隔熱保溫節能效果至關重要[16]。因此，為便于后續綠色建筑外墻隔熱保溫節能優化，在設計保溫隔熱節能優化方法之前，先對綠色建筑傳熱性能模型進行設計，利用傳熱性能模型，評估綠色建筑在不同傳熱系數情況下的能源消耗，為后續節能設計提供可靠依據[17]。

假定綠色建筑結構層內部溫度十分均勻；假定密封保溫層可在短時間內使傳熱過程維持穩定。

假設綠色建筑外表面溫度為ψe；傳熱系數為α0；綠色建筑外墻材料導熱系數為φi；室外綜合溫度為Esa；外墻結構層溫度為Em；結構層厚度為ηi；外墻內傳熱系數為αi。以上述條件為基礎，構建綠色建筑傳熱性能模型，如式（1）所示：

式中：Ei為室內氣溫；V1、V2均為常數；D為綠色建筑圍護結構體積；U'為內墻面積；Vs、Va為外窗的有效面積系數、遮擋系數；Uw為外墻墻體面積；U為外窗對應面積；D為建筑房間體積；ηm為外墻結構層厚度；ρm、vm依次為墻體承重材料密度與比熱容。

1.3綠色建筑外墻保溫隔熱節能優化

1.3.1目標函數構建

在設計的綠色建筑傳熱性能模型基礎上，構建綠色建筑外墻保溫隔熱節能優化目標函數，由于大多節能優化模型僅考慮能耗問題，并未考慮建筑隔熱過程中的成本問題[18]，為此，在綠色建筑外墻保溫隔熱節能優化過程中引入成本目標，具體模型設計情況如下。

根據上述傳熱性能模型分析可知，綠色建筑隔熱保溫節能效果受到較多因素影響，為此，結合分析結果，構建綠色建筑年能耗子目標函數g1（x）：

式中：L為外墻傳熱系數；a、w分別為夏季制冷能耗、冬季制熱能耗與L之間的關系；Sx、Sd為空調夏季、冬季制冷及制熱能耗；Ss為設備運行能耗；Sz為照明設備能耗；Sg為公共設備能耗。同時以建筑傳熱系數成本g2（x）為子目標，構建目標函數如式（3）所示：

式中：y0為外墻材料單價成本；xn、xb分別為南向、北向窗戶在各層中的面積；x1、y1分別為建筑周長與高度；p為建筑層數。

利用上述構建的子目標函數，構建以成本最低、能耗最小的優化目標，設計節能優化目標函數，如公式（4）所示：

1.3.2外墻保溫隔熱節能優化設計

外墻保溫結構主要由找平層、粘接層、保溫層、抹面層（抗裂防護層）、飾面層構成，固定粘貼于基層外墻的外表面上，屬于建筑的非承重防護結構。抹面層采用聚合物抗裂膠漿粘貼耐堿玻纖網格布，并用塑料膨脹錨栓加固處理。飾面層通常為涂料、面磚或石材。外墻保溫層材料可分為有機保溫材料、無機保溫材料和復合保溫材料。

通過考慮結構設計、材料選用和施工工藝等方面解決導熱系數差異帶來的伸縮強度不一致問題。具體綠色建筑外墻保溫隔熱節能優化方案如下：

（1）增加膨脹縫：在墻體中設置合適的膨脹縫，以減緩由于溫度變化引起的熱脹冷縮效應對墻體產生的影響，從而減小基底墻體與保溫層之間的受力差異；

（2）選用相容材料：選擇與基層墻體相容性好的保溫材料，例如聚苯乙烯泡沫板或玻璃棉板等，這些材料具有較好的伸縮性能，能夠減小與基層墻體的熱傳導差異；

（3）增加粘接層：在基層墻體與保溫板之間增加一層高彈性、高伸縮性的粘接層，可以有效減小溫度變化對墻體產生的影響，并提高整體的抗風壓性能；

（4）優化結構設計：在設計階段，盡量減小建筑結構暴露在陽光直射下的面積，或者采用遮陽措施，如外挑陽臺、遮陽篷等，減少溫差對結構的影響；

（5）施工質量控制：在施工過程中，嚴格控制保溫層的厚度和表面平整度，確保保溫材料的安裝質量符合要求，避免出現局部應力集中的情況。

2實驗分析

為測試所設計的節能方法是否有效，選一夏熱冬冷地區某綠色建筑進行節能效果研究，并通過本文方法獲取節能方案后，對比該建筑以往能耗情況。

該建筑在夏天室溫高于28℃時自動開啟空調，并在冬季室溫低于16℃時自動啟動空調，而室內濕度基本保持在40%～75%。該建筑實際能耗情況模擬值如表1所示。

為了更精準地評估所研究的節能方法，選擇最大節能率與平均節能率作為評價指標，并分別采用式（5）、式（6）對這2種指標進行計算：

式中：Jmax表示最大節能率；Hr為所選建筑的年能耗值；Hmax表示優化方案中最大的年能耗值；J（-）為平均節能率；Hi為第i個優化方案的年耗值；n為建筑成本。

本文研究的保溫隔熱節能優化方法是否可靠，具體分析結果如下。

分析應用所提方法進行保溫隔熱節能優化前后，該建筑在全年12個月份的供暖負荷情況，結果如圖3所示。

由圖3可知，該建筑在1、2、3、11月和12月的供暖負荷消耗相對過大，在使用所提方法進行節能優化前，該建筑供暖負荷最高可達到90 kW·h/（m2·a），最低也要保持在20 kW·h/（m2·a）左右，而通過所提方法進行節能優化設計后，該建筑每月的供暖負荷均有所下降，其中，最高供暖負荷僅為75 kW·h/（m2·a）左右，可以看出，應用所提方法進行節能優化后，該建筑在進行供暖時可明顯降低負荷。

采用所提方法對建筑進行保溫隔熱節能優化，分析該建筑在全年12個月份的供冷負荷情況，結果如圖4所示。

由圖4可知，該建筑在4月～10月的供冷負荷消耗相對較大，而其他幾個月份因天氣寒冷，供冷空調使用的效率不高，從而導致供冷負荷較低，在未應用所提方法進行節能優化前，該建筑供冷負荷最高達到80 kW·h/（m2·a）左右，經過優化后，供冷負荷明顯得到下降。可見，該方法可有效降低空調使用能耗。

分析應用所提方法進行保溫隔熱節能優化前后的建筑總負荷情況，以此評估節能效果，分析結果如圖5所示。

由圖5可知，當未進行節能優化之前，該建筑每月的總負荷都要達到120 kW·h（m2·a）以上，處于較高水平，使得該建筑日常能源開銷較大，而進行節能優化后，該建筑每月總負荷均下降至100 kW·h/（m2·a）以下，降低了建筑負荷量。可見，該方法具有良好的節能效果。

分析該建筑在不同外部溫度情況下的供暖節能量與供冷節能量，結果如圖6所示。

由圖6可知，隨著環境溫度的逐漸上升，經過節能優化后的建筑供暖節能量開始有所上升，這是由于在高溫環境下建筑供暖消耗相對較低導致的；而在溫度升高過程中，該建筑供冷節能量則有所下降，這是因為溫度增高后建筑需要開啟空調進行制冷，雖然在制冷過程節能量有所下降，但該方法仍然能夠保證良好的節能效果，無論是供冷還是供暖，均可以有效保障節能水平。

應用節能設計后，該建筑每月的平均節能率與最大節能率情況，結果如圖7所示。

由圖7可知，當應用節能優化后，該建筑在不同月份的最大節能率可達到21%以上，而平均節能率也保持在10%～15%，明顯具備較高的節能水平，為此，該方法可為綠色建筑提供優異的節能方案。

3結語

通過建立傳熱性能模型，評估不同傳熱系數對建筑的影響。以能耗最小化和成本最低為目標，構建節能優化目標函數，通過優化方法獲取最佳節能方案。通過考慮結構設計、材料選用和施工工藝等方面調整墻面基體與保溫板的導熱系數，解決導熱系數差異帶來的伸縮強度不一致，設計外墻保溫隔熱節能優化方案。結果表明，該方法可有效降低建筑的供暖負荷、制冷負荷以及總負荷，通過該方法可以最大限度地減少熱損失，進一步提高建筑的節能效果。

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（責任編輯：平海，蘇幔）