摘要： 根據(jù)生命周期分析法的原理，利用單位面積圍護(hù)結(jié)構(gòu)（考慮墻體或屋面）的采暖總耗費(fèi)的數(shù)學(xué)模型，得出了一個簡單的保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的計算式。使用該方法對大連地區(qū)典型節(jié)能住宅建筑外墻和屋面的保溫層厚度進(jìn)行了計算分析。分析結(jié)果表明：在實(shí)際工程中，外墻和屋面的保溫層厚度應(yīng)根據(jù)各地區(qū)各建筑物的具體條件計算得到，而不應(yīng)簡單地直接取用推薦值或憑經(jīng)驗(yàn)來確定，這樣才能有效地提高建筑物的經(jīng)濟(jì)性。對于我國節(jié)能建筑的工程設(shè)計具有一定的參考和應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞： 節(jié)能建筑 生命周期耗費(fèi)分析法 LCCA 保溫層 經(jīng)濟(jì)厚度
1 引言
在外墻和屋面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)中設(shè)置保溫層以提高外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻，是改善我國目前嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑采暖能耗大、熱環(huán)境差等狀況重要的有效的措施。在保溫材料確定的情況下，保溫層厚度是決定建筑保溫水平的重要參數(shù)。一般隨著保溫層厚度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的絕熱性能提高，從而降低建筑負(fù)荷，采暖設(shè)備造價和采暖系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用也相應(yīng)降低；但同時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建造費(fèi)用也相應(yīng)增加，因此，一定存在某一特定的保溫層厚度，即經(jīng)濟(jì)厚度δop ，使建筑物總費(fèi)用（建造費(fèi)用和經(jīng)營費(fèi)用之和）最小。保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的合理計算可以防止因根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇保溫層厚度所造成的綜合效益損失，因此 ，研究保溫層厚度的計算方法對建筑節(jié)能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
目前，計算保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的方法有很多種，包括采暖年平均最小費(fèi)用法[1]、Lagrange乘子法[2]、生命周期耗費(fèi)分析法[3,4]等。由實(shí)際情況可知，保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的影響因素很多，如果其數(shù)學(xué)模型復(fù)雜、參數(shù)眾多且不易確定，往往會造成使用不便，最終仍然流于經(jīng)驗(yàn)判斷。因此，應(yīng)探尋比較接近客觀現(xiàn)實(shí)，又易于計算的方法。采用生命周期耗費(fèi)分析法對建筑物總耗費(fèi)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，是國外（如美國等）使用較多的一種方法，對于我國也具有一定的參考價值。
2 數(shù)學(xué)模型
對于節(jié)能建筑能耗的分析，國外大都采用生命周期耗費(fèi)分析法（即“Life Cycle Cost Analysis”, 簡稱“LCCA”）. LCCA法是全面評價事物性能的方法，即對建筑物從建造、使用至拆除的整個過程（即建筑物的生命周期）進(jìn)行全面性的整體評估，從宏觀上為節(jié)約能源提供了方向。本模型主要分析了建筑物在其生命周期中的采暖能耗，從單位面積圍護(hù)結(jié)構(gòu)（考慮墻體或屋面）的年采暖總費(fèi)用出發(fā)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，提出了在節(jié)能建筑設(shè)計過程中計算保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的數(shù)學(xué)模型，得出一個簡單的計算經(jīng)濟(jì)厚度公式。
2.1 外墻和屋面的單位面積熱損失
冬季建筑物采暖熱負(fù)荷包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量和冷風(fēng)滲透的耗熱量，其中冷風(fēng)滲透的耗熱量不直接影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻，在計算保溫層經(jīng)濟(jì)厚度時只考慮外墻和屋面耗熱量的影響。
2.1.1 單位面積熱損失可用下式計算：
Q＝K?ΔT
式中 Q－單位面積的耗熱量，W/ m2；
K－傳熱系數(shù)，W/（m2?℃）；
ΔT－冬季室內(nèi)外溫差，℃。
2.1.2 單位面積年熱損失可用采暖度日數(shù)計算：
QA＝86400?DD?K
式中 QA―年采暖耗熱量，J/m2；
DD－采暖度日數(shù)，℃?d；
K－圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/（m2?℃）。
21.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)為：
K＝
式中 Ri、Ro－分別為內(nèi)、外表面的換熱阻，m2?K/W；
Rw－圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻，m2?K/W；
Rin－保溫層的熱阻，m2?K/W。
Rin＝
式中 δ－保溫層厚度，m;
λ－保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，W?m/K。
2.2 單位面積年采暖總費(fèi)用
建筑物年采暖總費(fèi)用等于保溫層的投資費(fèi)用和采暖耗熱費(fèi)用之和，即：
Ct＝Cin +Ch （1）
式中 Ct－單位面積年采暖總費(fèi)用，￥/ m2；
Cin－單位面積保溫層的投資費(fèi)用，￥/ m2；
Ch－單位面積年采暖耗熱費(fèi)用，￥/ m2。
2.2.1 保溫層的投資費(fèi)用Cin按下式計算：
Cin＝Ci?δ （2）
式中 Ci－單位體積保溫材料的造價，￥/m3；
δ－保溫層厚度，m。
2.2.2 采暖所用耗熱量的費(fèi)用Ch采用生命周期耗費(fèi)分析法（即僅考慮資金的時間價值）進(jìn)行計算：
Ch＝PWF?Ce （3）
式中 PWF－貼現(xiàn)系數(shù)（Present Worth Factor），即將資金的將來值折算成現(xiàn)值；
Ce－單位面積采暖年運(yùn)行費(fèi)用，￥/ m2?a。
（4）
式中 QA―同前，J/m2；
Cf－煤價，￥/kg；
η－采暖系統(tǒng)的總效率，η＝η1?η2；
η1－室外管網(wǎng)輸送效率，一般取0.9；
η2－鍋爐的運(yùn)行效率，一般取0.68；
Hc－煤的發(fā)熱量，kJ/kg。
貼現(xiàn)系數(shù)PWF的確定方法如下：
若g＝i，PWF＝（1+i）-1；
若g＜ i，則I＝（i－g）/（1+g）；
若g＞ i，則I＝（g－i
關(guān)鍵詞： 節(jié)能建筑 生命周期耗費(fèi)分析法 LCCA 保溫層 經(jīng)濟(jì)厚度
1 引言
在外墻和屋面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)中設(shè)置保溫層以提高外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻，是改善我國目前嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑采暖能耗大、熱環(huán)境差等狀況重要的有效的措施。在保溫材料確定的情況下，保溫層厚度是決定建筑保溫水平的重要參數(shù)。一般隨著保溫層厚度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的絕熱性能提高，從而降低建筑負(fù)荷，采暖設(shè)備造價和采暖系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用也相應(yīng)降低；但同時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建造費(fèi)用也相應(yīng)增加，因此，一定存在某一特定的保溫層厚度，即經(jīng)濟(jì)厚度δop ，使建筑物總費(fèi)用（建造費(fèi)用和經(jīng)營費(fèi)用之和）最小。保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的合理計算可以防止因根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇保溫層厚度所造成的綜合效益損失，因此 ，研究保溫層厚度的計算方法對建筑節(jié)能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
目前，計算保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的方法有很多種，包括采暖年平均最小費(fèi)用法[1]、Lagrange乘子法[2]、生命周期耗費(fèi)分析法[3,4]等。由實(shí)際情況可知，保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的影響因素很多，如果其數(shù)學(xué)模型復(fù)雜、參數(shù)眾多且不易確定，往往會造成使用不便，最終仍然流于經(jīng)驗(yàn)判斷。因此，應(yīng)探尋比較接近客觀現(xiàn)實(shí)，又易于計算的方法。采用生命周期耗費(fèi)分析法對建筑物總耗費(fèi)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，是國外（如美國等）使用較多的一種方法，對于我國也具有一定的參考價值。
2 數(shù)學(xué)模型
對于節(jié)能建筑能耗的分析，國外大都采用生命周期耗費(fèi)分析法（即“Life Cycle Cost Analysis”, 簡稱“LCCA”）. LCCA法是全面評價事物性能的方法，即對建筑物從建造、使用至拆除的整個過程（即建筑物的生命周期）進(jìn)行全面性的整體評估，從宏觀上為節(jié)約能源提供了方向。本模型主要分析了建筑物在其生命周期中的采暖能耗，從單位面積圍護(hù)結(jié)構(gòu)（考慮墻體或屋面）的年采暖總費(fèi)用出發(fā)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，提出了在節(jié)能建筑設(shè)計過程中計算保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的數(shù)學(xué)模型，得出一個簡單的計算經(jīng)濟(jì)厚度公式。
2.1 外墻和屋面的單位面積熱損失
冬季建筑物采暖熱負(fù)荷包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量和冷風(fēng)滲透的耗熱量，其中冷風(fēng)滲透的耗熱量不直接影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻，在計算保溫層經(jīng)濟(jì)厚度時只考慮外墻和屋面耗熱量的影響。
2.1.1 單位面積熱損失可用下式計算：
Q＝K?ΔT
式中 Q－單位面積的耗熱量，W/ m2；
K－傳熱系數(shù)，W/（m2?℃）；
ΔT－冬季室內(nèi)外溫差，℃。
2.1.2 單位面積年熱損失可用采暖度日數(shù)計算：
QA＝86400?DD?K
式中 QA―年采暖耗熱量，J/m2；
DD－采暖度日數(shù)，℃?d；
K－圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/（m2?℃）。
21.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)為：
K＝
式中 Ri、Ro－分別為內(nèi)、外表面的換熱阻，m2?K/W；
Rw－圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻，m2?K/W；
Rin－保溫層的熱阻，m2?K/W。
Rin＝
式中 δ－保溫層厚度，m;
λ－保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，W?m/K。
2.2 單位面積年采暖總費(fèi)用
建筑物年采暖總費(fèi)用等于保溫層的投資費(fèi)用和采暖耗熱費(fèi)用之和，即：
Ct＝Cin +Ch （1）
式中 Ct－單位面積年采暖總費(fèi)用，￥/ m2；
Cin－單位面積保溫層的投資費(fèi)用，￥/ m2；
Ch－單位面積年采暖耗熱費(fèi)用，￥/ m2。
2.2.1 保溫層的投資費(fèi)用Cin按下式計算：
Cin＝Ci?δ （2）
式中 Ci－單位體積保溫材料的造價，￥/m3；
δ－保溫層厚度，m。
2.2.2 采暖所用耗熱量的費(fèi)用Ch采用生命周期耗費(fèi)分析法（即僅考慮資金的時間價值）進(jìn)行計算：
Ch＝PWF?Ce （3）
式中 PWF－貼現(xiàn)系數(shù)（Present Worth Factor），即將資金的將來值折算成現(xiàn)值；
Ce－單位面積采暖年運(yùn)行費(fèi)用，￥/ m2?a。
（4）
式中 QA―同前，J/m2；
Cf－煤價，￥/kg；
η－采暖系統(tǒng)的總效率，η＝η1?η2；
η1－室外管網(wǎng)輸送效率，一般取0.9；
η2－鍋爐的運(yùn)行效率，一般取0.68；
Hc－煤的發(fā)熱量，kJ/kg。
貼現(xiàn)系數(shù)PWF的確定方法如下：
若g＝i，PWF＝（1+i）-1；
若g＜ i，則I＝（i－g）/（1+g）；
若g＞ i，則I＝（g－i
