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基于生命周期成本的墙体外保温层最佳经济厚度确定.pdf
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1、收稿日期:2023-01-31作者简介:霍海娥(1974),女,山西代县人,西华大学建筑与土木工程学院副教授,研究方向为绿色建筑理论与技术研究;魏滟欢(1999),女,四川眉山人,西华大学建筑与土木工程学院2021级土木水利专业硕士研究生,研究方向为土木工程建造与管理。摘要:墙体外保温是应用最为广泛的节能方法之一,保温材料种类繁多,保温层最佳经济厚度的确定受诸多因素影响。从保温材料的全生命周期出发,结合生命周期成本法,建立能耗数值计算模型,从保温材料的热工性能和经济性能两个方面进行评价,得到 8种保温材料应用于成都地区典型基层墙体时对应的总成本、节能率、投资回收期及保温层最佳经济厚度。经数据拟
2、合,得到的最佳经济厚度i与导热系数和单价Ci的关系式为:i=-2.63+2.1 106(/Ci)-1.74 1010(/Ci)2+5.38 1013(/Ci)3,最佳经济厚度对应的最低总成本CTi与导热系数和单价的关系式为CTi=113.24Ci+6 866.78。所得公式简单实用,可为成都地区建筑节能设计提供参考。关键词:保温材料;最佳经济厚度;生命周期成本法;夏热冬冷地区中图分类号:TU761.12文献标志码:A文章编号:2096-0425(2023)03-0004-070引言中国建筑能耗研究报告 2020 指出,2018 年全国建筑全寿命周期能耗总量为 21.47 亿 tce(ton o
3、fstandard coal equivalent,1吨标准煤当量),占全国能源消费总量的 46.5%。1目前,我国正处于工业化和城镇化高速发展的关键时期,建筑能耗在未来几年仍将持续增长。能耗必然带来严重的环境问题,其中最受关注的是温室效应。2020年中国在第 75届联合国大会上提出在 2030年前达到碳达峰、2060年前达到碳中和的目标。因此,降低建筑能耗,减少碳排放,对于我国实现“双碳”目标有着重要的战略意义。在建筑全生命周期能耗中,围护结构能耗损失约占 46.6%,其中墙体结构能耗损失占 60%70%、门窗能耗损失占 20%30%,屋顶能耗损失约占 10%。2所以,提高建筑物围护结构的保
4、温隔热性能是建筑节能的有效措施,而运用和研发合适的保温材料是改善墙体和屋顶热工性能的重要途径。国内外对保温材料最佳经济厚度的确定方法研究较多,Behnam Rosti等3采用生命周期成本分析方法,对伊朗 8个城市的 3种经典现代墙体进行了研究,确定了外墙保温层的理想厚度。根据墙体的类型、朝向和所在地气候的不同,保温层最佳经济厚度在0 cm4 cm。Ashouri等4基于运动寿命周期评估方法,针对岩棉和玻璃棉两种绝热材料,以经济指标最优和环境影响指标最优为目标,研究了亚洲典型冬季气候下建筑外墙保温层的最佳经济厚度,得到玻璃棉和岩棉材料的保温层最佳经济厚度分别为 0.219 m和 0.098 m。
5、刘向伟等5利用传热模型和经济模型对夏热冬冷地区长沙地区典型墙体进行研究,结果显示,膨胀聚苯乙烯保温层的最佳经济厚度为0.08 0.13。黄仁达等6建立了计算墙体保温材料经济性的数学模型,分析了5种不同保温材料的经济性,结果表明,保温层厚度在一定范围内时,总投资费用随着保温层厚度的增加先减小后增大,存在总费用最小的经济厚度。当以电为能源时,XPS(挤塑聚苯乙烯泡沫塑料)、EPS(聚苯乙烯泡沫板)、聚氨酯泡沫、玻璃纤维棉和气凝胶的经济厚度分别为 63 mm、81 mm、48 mm、54 mm、9 mm,新型气凝胶材料的保温层具有最小的经济厚度。沈天清7利用公式推导和实例计算得到不同材料保温层经济厚
6、度、适宜厚度的关系式及模型图,定义不同保温层适宜厚度在经济厚度区间的取值范围,以挤塑聚苯板和基基于生命周期成本的墙体外保温层最佳经济厚度确定于生命周期成本的墙体外保温层最佳经济厚度确定霍 海 娥,魏 滟 欢,邓 晓 雪,刘 知 博,刘 明 蓉(西华大学建筑与土木工程学院,成都 610039)江苏工程职业技术学院学报Journal of Jiangsu College of Engineering and Technology第23卷 第 3 期2 0 2 3 年 9 月DOI:10.19315/j.issn.2096-0425.2023.03.002Vol.23,No.3Sept.2 0 2
7、3胶粉聚苯颗粒为例,这两种材料的保温层适宜厚度分别为 35 mm40 mm 和 40 mm60 mm。陈欣8以武汉、长沙、杭州和成都地区典型住宅为例,利用能耗模拟软件和价格系数来研究 4个地区特有的间歇式用能情景下 EPS保温层的最佳经济厚度,结果表示,4个地区的 EPS保温层最佳经济厚度依次为 50 mm、50 mm、50 mm、40 mm。张浩杰等9基于全生命周期理论,综合考虑能耗、碳排放和总成本,运用遗传算法进行多目标组合优化,得出 EPS保温层的最佳经济厚度为 121 mm。综上,建筑围护结构保温层厚度对建筑全年的热工性能有显著影响,是决定节能效果的重要参数。文献针对某建筑采用软件模拟
8、计算得到的保温层厚度仅适用于该建筑,不能直接用于其他建筑,不具有普适性。因此,本文拟基于全生命周期成本法分析常用保温材料应用于成都地区典型基层墙体的经济性和节能效果,提出能直接计算保温层最佳经济厚度和最低总成本的拟合公式,以期简明实用,为成都地区建筑节能设计提供参考和借鉴。1模型建立1.1物理模型本文考虑 8种不同的墙体保温材料,分别为聚氨酯、XPS、橡塑、玻璃棉、EPS、岩棉、胶粉颗粒、玻化微珠,研究外保温方式下各材料保温层对建筑动态热性能的影响。研究对象是成都地区某单体建筑,平面图见图 1。外墙初始保温层厚度统一设定为 50 mm,屋顶初始保温层厚度为 70 mm,后续研究变化步长为10
9、mm;外墙信息为:外侧水泥砂浆 20 mm+砖墙 240 mm+内侧水泥砂浆 20 mm;屋顶信息为:外侧水泥砂浆20 mm+钢筋混凝土 200 mm+内侧水泥砂浆 20 mm。建筑材料、保温材料的热物性参数及单价见表 1。参考文献10-11可知,在成都地区,采用保温技术能有效降低建筑能耗,而且为了取得较好的节能效果,应优先选用导热系数较小的保温材料,但导热系数小的保温材料单价可能较高,从经济分析的角度看并不经济。本文采用生命周期成本法(LifeCycle Cost,简称 LCC),分析建筑物全年能耗,在保温材料的生命周期内综合考虑初期投资和节约的能源费用,确定保温层的最佳经济厚度。1.2生命
10、周期成本模型在建筑经济性分析中,生命周期成本法12是最成熟、使用最广泛的一种方法,因为它充分考虑了未来成本,包括建筑寿命周期内的绝热成本和能耗成本。采用合理的外围护结构设计可以明显降低建筑物在使用过程中的能耗水平,达到减少建筑冷热负荷、节约能源的目的。然而,通过采用保温措施来提高建筑物外围护结构的热工性能,必然会增加建筑物的初期投资,因此,需要在初期投资和能源节约之间寻求平衡点,确定保温层的最佳厚度。从经济评价的注:数值单位为 mm。图 1某单体建筑平面图材料砖水泥XPS橡塑EPS聚氨酯玻璃棉岩棉玻化微珠胶粉颗粒导热系数/W(mK)-10.8100.9300.0280.0350.0420.02
11、50.0370.0500.0690.059密度/kgm-31 8001 800353030404070270230比热容c/J(kgK)-11 0501 0501 3801 3801 3801 3801 0601 2201 0501 220单价/元m-36501 000520900450300550400注:砖、水泥为基础材料,成本不纳入初始成本,故单价不计。表 1建筑材料、保温材料的热物性参数及单价霍海娥,等:基于生命周期成本的墙体外保温层最佳经济厚度确定5 5第 3期角度出发,最佳厚度与许多因素相关,如保温材料的价格、能耗的价格、全年空调和采暖负荷、制冷和制热设备的性能系数、建筑寿命、折现
12、率和通货膨胀率等。1)初始成本。本文仅考虑外墙和屋顶保温的初始化成本,忽略外围护结构基础材料的成本,因此,保温材料初始化成本Cin主要与保温材料的单价Ci和保温材料的体积有关。计算式见式(1)。Cin=jCijAj(1)式(1)中Ci表示第 i种保温材料的单位价格,单位为元/m3;Aj表示第 j个表面的面积,单位为m2;j表示第 j个表面的保温材料厚度,单位为m。2)运行成本。运行成本指的是生命周期内围护结构在使用过程中产生的费用。本文假定建筑物的制冷和制热设备均为空气源热泵,由电能来驱动。因此,建筑物的年采暖能耗可以表达为式(2)。CA,H=QHCE3.6 106COPH(2)式(2)中CA
13、,H表示年采暖能耗,单位为元;QH表示冬季采暖负荷,单位为 J;CE表示电价,单位为元/kWh;COPH表示制热设备的性能系数。建筑物的年空调能耗CA,C可以表达为式(3)。CA,C=QCCE3.6 106COPC(3)式(3)中CA,C表示年空调能耗,单位为元;QC表示夏季空调负荷,单位为 J;COPC表示制冷设备的性能系数。因此,建筑年能耗成本CA可写为:CA=CA,H+CA,C。建筑在生命周期运行过程中的运行费用需要考虑通货膨胀以及时间价值,因此需要采用净现值因子来评价。净现值因子表达式见式(4)。PWF=N1+i,i=g()1+rN 1r()1+rN,r=i g1+g,i gr=g i
14、1+i,i g(4)式(4)中 PWF 表示净现值因子;i表示折现率;g表示通货膨胀率;N表示建筑的寿命周期,单位为年。3)总成本。总成本CZ包括初投资和生命周期内的运行成本,由式(5)计算得到。CZ=Cin+CAPWF(5)2保温材料的经济性分析采用外保温技术,应用 LCC 法对 8种保温材料的经济性进行分析,计算各材料保温层对应的总成本、节能率、投资回收期以及最佳经济厚度。计算中保温材料的单价见表 1,其余相关计算参数见表 2。2.1总成本随保温厚度的变化计算 8 种材料对应的保温层初期投资、年运行成本和总成本,得到结果如图 2所示。由图 2可见,当建筑采用外保温措施时,无论是哪种材料的保
15、温层,其成本随厚度变化的趋势均相似:材料费用即初期投资随着保温层厚度的增加线性增加;能耗费用与保温层厚度为非线性关系,随着保温层厚度增大,能耗成本呈现出先急剧下降后下降变缓的趋势;总成本为初投资与能耗成本的总和,在图 2中为抛物线型曲线,随着保温层厚度的增加,总成本先减小,在达到最小值后又逐渐增大,可见,盲目增加保温层厚度并不能减小总成本。图 2中的虚线箭头指向总成本最小值对应的保温层厚度,也就是最佳经济厚度。8种材料的保温层最佳经济厚度见表 3。表 2计算参数设置一览表计算参数CECOPCCOPHigN参数含义电价制冷设备性能系数制热设备性能系数折现率通货膨胀率建筑的寿命周期参数值0.6元/
16、kWh2.3131.9136%144%1520年6 6江苏工程职业技术学院学报2023年由表 3可知,8种材料中保温层最佳经济厚度最小的是聚氨酯(45 mm),最大的是岩棉(115 mm)。不同材料保温层最佳经济厚度对应的总成本不同,其中岩棉最低,玻化微珠最高,从低到高排序为:岩棉、玻璃棉、XPS、EPS、聚氨酯、胶粉颗粒、橡塑、玻化微珠。由表 3数据可以发现,保温层最佳经济厚度与/Ci项之间存在非线性关系,多项式函数比较接近最佳经济厚度与/Ci项的关系曲线特性。多项式拟合对于小数据量、简单的关系很有效且容易理解,有利于决策分析,故本文采用多项式拟合。经过拟合,得到某种材料保温层的最佳经济厚度
17、i与/Ci的关系式如式(6)所示。i=-2.63+2.1 106(/Ci)-1.74 1010(/Ci)2+5.38 1013(/Ci)3(6)保温层最佳经济厚度对应的最低总成本CTi与Ci之间存在线性关系,经过拟合,得到某种材料的保温层最佳经济厚度对应的最低总成本CTi与Ci的关系式如式(7)所示。表 38种材料的相关参数值、保温层最佳经济厚度、总成本保温材料聚氨酯XPS橡塑玻璃棉EPS岩棉胶粉颗粒玻化微珠导热系数/W(mK)-10.0250.0280.0350.0370.0420.0500.0590.069单价Ci/元m-39006501 000450520300400550Ci/W元m-
18、4K-122.5018.2035.0016.6521.8415.0023.6037.95/Ci/Wm2(元K)-127.78 10 643.08 10 635.00 10 682.88 10 680.77 10 6166.67 10 6147.50 10 6125.45 10 6最佳经济厚度/mm456050858011510095总成本/元9 512.208 932.7210 852.318 704.719 417.158 441.209 605.3311 068.03图 28种材料成本随保温层厚度变化曲线材料费用能耗费用总成本050 100 150 200 250 300 350 400保
19、温层厚度/mm2.01.81.61.41.21.00.80.60.40.20.0成本/万元(45)材料费用能耗费用总成本2.01.81.61.41.21.00.80.60.40.20.0成本/万元(60)050 100 150 200 250 300 350 400保温层厚度/mm材料费用能耗费用总成本2.01.81.61.41.21.00.80.60.40.20.0成本/万元050 100 150 200 250 300 350 400保温层厚度/mmc橡塑a聚氨酯bXPS材料费用能耗费用总成本2.01.81.61.41.21.00.80.60.40.20.0成本/万元050 100 150
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