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1、节能建筑外墙的热工性能摘 要随着社会经济的发展，新建建筑物的不断增多，在能源短缺严重的今天，建筑能耗引起极大关注。在众多解决方法中，改善建筑物围护结构的热工性能是实现建筑节能的有效途径之一，而外墙是建筑围护结构的主要组成部分，据统计通过外墙传热所造成的能耗损失约占建筑外围护结构总能耗的35%-45%，因此研究外墙热工性能具有重要而特殊的意义，而研究节能建筑外墙厚度优化是一门必不可少的课题。 本文以内蒙古中部地区常用的墙体材料、墙体结构、构造层次等为研究内容，结合当地的气候环境等条件，研究计算了内蒙古中部地区典型的已建和在建节能建筑外墙的热工性能,并运用热经济学,综合考虑建筑物能量消耗和墙体造价
2、,对墙体材料的热工性能、造价进行了分析计算,并建立了墙体厚度优化的数学模型,确定了最佳墙体厚度和保温层厚度的优化公式。提供了进行墙体选择，墙体尺寸优化的依据。最后本文通过选取内蒙古中部地区常用的1种组合墙体类型，依据当地独特的气候特点和区域特征，运用已建立的墙体厚度优化数学模型，进行墙体材料热经济性分析和保温层厚度优化分析。最终得出了页岩空心砖加胶粉聚苯颗粒保温墙体保温层的经济厚度。并且与实际工程中保温层厚度进行比较分析。 结果表明：在实际工程中，外墙的厚度应根据各地区各建筑物的具体条件计算得到，而不应简单地直接取用推荐值或凭经验来确定，这样才能有效地提高建筑物的经济性。本研究对我国节能建筑的
3、工程设计具有一定的参考和应用价值。关键词： 建筑能耗，墙体材料，热经济性分析，墙体厚度优化AbstractWith the development of social economy, the new building has increased, and energy shortage serious today, building energy consumption attracted much attention. Improvements in building palisade structure of the thermal performance is to realize t
4、he energy conservation of the building one of the effective ways of exterior wall, and building palisade structure is the main part, according to statistics, the outside wall of the loss caused by heat transfer energy consumption accounts for about the total energy consumption structure building per
5、iphery of 35%-45%, so the study of exterior wall thermal performance has important and special significance, research and energy-saving building exterior wall thickness optimization is an essential task. In this paper, the commonly used in middle Inner Mongolia wall materials, wall structure, inferi
6、or as the research content, compatible with the local climate environment conditions, study the calculation in middle Inner Mongolia typical been built and energy-saving building under construction of exterior wall thermal performance, and the use of a hot economics, considering building energy cons
7、umption and wall body of walling material cost, the thermal performance, bearing capacity and cost is analyzed and calculated, and set up the wall thickness of the optimization mathematical model, the optimum wall thickness and the optimization of the insulation layer thickness formula. Provide a wa
8、ll choice, wall body size optimization of basis. At last this paper through the selection in middle Inner Mongolia commonly used of wall type, based on the combination of the climate characteristics and local unique regional features, use of the established wall thickness optimization mathematical m
9、odel, the wall material hot economic analysis and thermal insulation layer thickness optimization analysis. With the actual engineering thermal insulation layer thickness of comparison and analysis, the author puts forward his own ideas.The analysis results showed that in the actual project, the thi
10、ckness of the wall should be according to the specific conditions of buildings are calculated in all localities, and should not simply direct access to recommend value or to determine by experience, so that we can effectively improve building efficiency. So our country power saving construction engi
11、neering design to have the certain reference and application value.Key Words：Building energy consumption, wall material, hot economic analysis, wall thickness optimization目录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 研究背景11.2研究的目的和意义11.3国内外研究现状21.3.1国内研究现状21.3.2国外研究现状31.4研究的主要内容4第二章 内蒙古中部地区节能建筑外墙52.1内蒙古中部地区地理气候条件52.1
12、.1内蒙古中部地区地理分布52.1.2内蒙古中部地区气候特征52.2内蒙古中部地区外墙技术62.2.1 墙体的基层材料72.2.2常用保温材料72.2.3 常用墙体的保温方式72.3本章小结8第三章 外墙厚度优化设计93.1围护结构传热系数限值设计93.1.1 建筑物耗热量指标计算93.1.2单位建筑面积的空气渗透耗热量计算103.2 墙体材料优化设计113.2.1墙体材料热经济性分析113.2.2墙体材料的选择113.3保温层厚度优化123.3.1年度总负荷的计算123.3.2建立数学模型133.4本章小结15第四章 建筑外墙厚度优化应用与讨论164.1墙体材料和墙体结构164.2讨论与应用
13、184.3本章小结19结 论20致 谢21参考文献2223第一章 绪 论1.1 研究背景随着社会经济的发展目前，建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的三大“耗能大户”。尤其是建筑耗能伴随着建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提升，呈急剧上扬趋势。建筑节能已经引起有关部门的高度重视。早在1986年，我国就开始试行第一部建筑节能设计标准，1999年又把北方地区建筑节能设计标准纳入强制性标准进行贯彻。国办和建设部近年来又相继出台了进一步推进墙体材料革新和推广节能建筑的通知、关于发展节能省地型住宅和公用建筑的指导意见等文件，以推动建筑节能工作。各地也纷纷出台具体落实措施，希望降低建筑能耗。
14、目前建筑节能状况还落后于西方发达国家，且与国外的差距主要表现在建筑围护结构的保温隔热性能上。要降低建筑物的能耗，首先要考虑墙体的节能，所以改善建筑物维护结构的热工性能是实现建筑节能的有效途径之一，而外墙又是建筑围护结构的主要组成部分，通过外墙传热所造成的能耗损失约占建筑外围护结构总能耗的35%-45%，因此研究外墙热工性能具有重要而特殊的意义，外墙厚度优化是其中一门必不可少的研究课题。多年来，我国建筑墙体一般采用单一材料，如空心砌块墙体、加气混凝土墙体等，单一墙体的材料导热系数大，一般为高效保温材料的20倍以上，由于建筑节能的需要，现行规定不能满足保温隔热的要求，并已逐渐被新型的复合墙体所代替
15、。这种复合墙体要通过在墙体的主要结构基础上增加一层或几层复合绝热保温材料来改善整个墙体的热工性能。复合墙体很好的发挥了两种材料的长处，既不会使墙体过厚，又能承重，保温效果又好，因此，发达国家新建建筑已基本上采用此种方式。1.2研究的目的和意义本文以内蒙古中部地区目前的节能建筑为研究对象，针对内蒙古的气候条件和地域特点，对外墙的墙体隔热效果和墙体的厚度进行研究，以进一步提高建筑外墙的保温隔热效果，节约能源，改善室内环境的舒适度，期望对内蒙古中部地区的建筑节能工作做出一些有益的探索和尝试。本文研究的主要目的是：（1）验证内蒙古中部地区按节能65%设计标准进行建设的节能建筑外墙热工指标，是否达到居住
16、建筑节能设计标准、满足建筑设计要求。（2）对已有节能建筑外墙的墙体结构和厚度进行热经济进行研究，分析理论值和现有值之间的关系，探索适于内蒙古中部地区的外墙最佳厚度的做法。（3）分析建筑外墙对能耗的影响因素，建立墙体厚度优化的数学模型，确定最佳墙体厚度的计算式。提出外墙厚度优化和外保温的优化建议；包括外墙墙体材料、保温材料的选用以及外墙厚度的确定。1.3国内外研究现状关于节能建筑外墙厚度优化设计研究，目前世界上许多国家对这一课题都做了深入细致的研究，同比发达国家我国在这方面虽然起步较晚，但发展很快。1.3.1国内研究现状2002年房琳， 曲德林等1介绍了一种计算空调建筑外墙和屋顶经济绝热厚度的模
17、型。该模型根据热流通过不同组件时间的相关分析并运用Lagrange乘子法 ,计算了不同增初投资额条件下外墙和屋顶的经济绝热厚度。运用该模型 ,依据上海、南京、武汉和重庆的气候参数对一典型住宅建筑进行了数值计算。计算结果表明 ,从经济评价角度来看 ,外墙保温隔热宜采用各朝向不均匀分布的原则 ,其中西墙采用节能措施带来的收益最大 ,南墙最小。此外还分析了电价、贴现率、使用年限、绝热材料价格和气候因素对外墙和屋顶绝热材料厚度取值的影响。2006徐云伟，贾珣等2分析了我国建筑墙体能耗的现状，计算了节能65%的建筑耗能指标及围护结构传热系数限值，应用热经济学，综合考虑建筑物能量消耗和墙体造价，对墙体材料
18、进行选择，并建立墙体厚度优化的数学模型，确定最佳墙体厚度的计算式。这样就得到墙体厚度优化设计的理论依据。2007年，高阳洋3对哈尔滨地区几个典型结构高层建筑外墙的传热系数及温度场进行了现场检测。结果表明，高层框架结构外墙和剪力墙结构外墙相比，前者的保温材料厚度可相对小些，保温材料性能可相对差些。另外，对墙体的衰减倍数和延迟时间进行了研究。证明二者受墙体保温形式，墙体厚度，墙体结构层材料以及保温材料的影响。建议哈尔滨地区，保温材料选用挤塑苯板，结构层优先选用陶粒空心砌块。2010年，房志勇、程琛等4通过对严寒地区通讯机房外墙的研究和总结，重点研究外界条件与墙体传热系数和墙体厚度的关系，利用节能计
19、算公式分析总结出一个简单的数学计算模型，经过试验认证，各围护结构的传热总量相同时，其节能方案的墙体厚度只与当地的气候条件有关。 1999年上海市建筑科学研究院的李德荣等5对提高混凝土空心砌块在住宅外墙保温隔热性能的多种方案进行对比。将其中20多种方案做了实验室和现场的保温性能测试，重点研究了外墙内保温。2009年哈尔滨工业大学的赵丽华及其博士生高岩6利用状态空间减秩型对复合混泥土砌块进行了研究，得到了砌块墙体的热阻、温度波时间延迟、蓄热系数和热惰性指标等热工参数。研究表明在提高热阻方面，轻集料混凝土砌块复合效果明显，普通混凝土砌块复合效果很小；但轻集料混凝土砌块墙体的热惰性指标有所减小。200
20、5年重庆大学的徐景峰7通过对冬季采暖条件下，不同运行模式下不同墙体热工性能的研究，指出了运行模式对墙体热工性能、建筑耗能的影响，提供了建筑节能设计中墙体的选择依据，并提供了更为准确的评价建筑节能效果的方法2009年刘备战，周通通8过剪力墙计算，指出墙体厚度在剪力墙结构设计中的作用，并且得出以下结论：在30层以下的剪力墙结构中，剪力墙最小厚度可以适当放宽，考虑施工方便，剪力墙最小厚度可按140mm进行设计。满足建筑抗震设计规范、混凝土结构设计规范即可，不必强求剪力墙结构最小厚度为160mm的规范。2007郭永昌，杨晚生等9在分析夏热冬暖地区热工气候特点的基础上，对该地区典型居住建筑的墙体热工性能
21、进行了详细的实验测试研究，得出了其传热系数、热惰性指标和厚度对其热工性能参数的影响规律，摸清了该地区典型居住建筑墙体热工性能基本特点，找出了其热工性能参数随厚度的变化规律。上述研究表明，我国在节能建筑外墙厚度优化方面已经展开了研究，并且取得了一定的成果。主要表现在新型墙体材料和高效保温材料的研究和应用。新型墙体材料具有保温、隔热、轻质、高强、环保、利废、节能的优点，并且与实心砖相比，新型墙体材料还具有体积大、施工速度快、劳动生产率高的特点。具有这样突出的优势，也使墙体在厚度优化方面有了更广阔的研究空间。保温层厚度优化也是墙体厚度优化设计中必不可少的研究，而且目前我国在保温层的厚度优化方面取得了
22、一定的成果。1.3.2国外研究现状西方发达国家自20世纪70年代爆发石油危机以来，一直重视建筑节能，近年由于建筑能耗的不断增加和环境污染的日趋严重，更加深了建筑节能的力度，有90多个国家和地区在建筑节能上取得了不同程度的收获。发达国家重视节能建筑比我国早，在外围护结构优化技术方面也比我国先进，尤其表现在节能建筑外墙厚度优化方面，已有不少学者展开研究并取得了很大成就。2001年，Mousa S.Mohsen.some等人10调查了约旦住宅建筑当时的能源消耗状况以评价节能建筑，并采用采暖期平均温度计算约旦典型房间采用不同保温材料的热负荷。2004年Femando Braanc等人11采用便捷单元法
23、比较通过俩种双层砖墙模型的稳态热流和水汽扩散。2005年，Peep、Yamuna等人12发现了一种分析计算方法，用于估计处于周期边界条件下，通过多层墙体和平面屋顶的空间得热，这种分析方法可以确定通过抢太热流的每小时的变化值和墙体内表面的温度。考虑了六种不同墙体和俩个不同屋顶结构分析模型，并基于模型的数值分析计算结果和土耳其建筑的特点开发了计算程序。总结以上国内外的研究现状，可以看出墙体的厚度受到墙体材料的热工性能和保温层的保温性能，地区气候条件等方面的因素影响，并非墙体越厚越好，所以需要确定最优值。1.4研究的主要内容以调查研究为基础，以目前内蒙古中部地区节能建筑为研究对象，对节能建筑外墙的墙
24、体材料及其厚度优化进行研究，主要内容如下：1、调研内蒙古中部地区节能建筑常用的基层墙体材料及外墙保温系统的类型。对目前内蒙古地区常用的外墙墙体结构和墙体材料进行调研，以及外保温复合墙体组合类型的热工性能进行对比。通过理论计算得出各类墙体的隔热性能和经济性。2、计算节能65%的建筑耗能指标及围护结构传热系数限值，应用热经济学，综合考虑建筑物能量消耗和墙体造价，对墙体材料进行选择，并建立墙体厚度优化的数学模型，确定最佳墙体厚度的计算式。得到墙体厚度优化设计的理论依据。3、对内蒙古中部地区已有节能建筑的围护结构进行厚度优化分析，选取几种常用的墙体结构类型，运用厚度优化公式计算出最佳墙体厚度，并将理论
25、值和实际值进行对比，提出优化方案。第二章 内蒙古中部地区节能建筑外墙2.1内蒙古中部地区地理气候条件内蒙古属于中国北方高寒地区，独特的气候特征和地域特点，使建筑用能逐渐成为我省乃至全国能源消耗的主体之一。减少建筑耗能是中国可持续发展必须研究解决的重大课题。因此我省积极开展建筑节能工作，主要从改善围护结构的热工性能提高能源利用效率两个方面入手。2.1.1内蒙古中部地区地理分布内蒙古自治区位于中国北部边疆，由东北向西南斜伸，呈狭长形，东西直线距离2400公里，南北跨度1700公里，横跨东北、华北、西北三大区。土地总面积118.3万平方公里，占全国总面积的12.3%，在全国各省、市、自治区中名列第三
26、位。东南西与8省区毗邻，北与蒙古国、俄罗斯接壤，国境线长4200公里。全区基本上是一个高原型的地貌区,大部分地区海拔1000米以上。内蒙古高原是中国四大高原中的第二大高原。除了高原以外，还有山地、丘陵、平原、沙漠、河流、湖泊。2.1.2内蒙古中部地区气候特征内蒙古属典型的中温带季风气候，具有降水量少而不匀、寒暑变化剧烈的显著特点。地域广袤，所处纬度较高，高原面积大，距离海洋较远，边沿有山脉阻隔，气候以温带大陆性季风气候为主。有降水量少而不匀，风大，寒暑变化剧烈的特点。冬季漫长而寒冷，多数地区冷季长达5个月到半年之久。其中1月份最冷，月平均气温从南向北由零下10递减到零下32，夏季温热而短暂，多
27、数地区仅有一至两个月，部分地区无夏季。最热月份在7月，月平均气温在16-27之间，最高气温为36-43。气温变化剧烈，冷暖悬殊甚大。降水量受地形和海洋远近的影响，自东向西由500mm递减为50mm左右。蒸发量则相反，自西向东由3000mm递减到1000mm左右。与之相应的气候带呈带状分布，从东向西由湿润、半湿润区逐步过渡到半干旱、干旱区。这里晴天多，阴天少，日照时数普遍都在2700小时以上，长时达3400小时。全年大风日数平均在10-40天，70发生在春季，冬春季多风大，年平均风速在3m/s以上，蕴藏着丰富的光热、风能资源。（1）温度内蒙古中部地区属于中国北方寒冷地区，冬季漫长而寒冷，多数地区
28、冷季长达5个月到半年之久，最冷的1月份可达到零下32，夏季温热而短暂，多数地区仅有一至两个月。气温变化剧烈，冷暖悬殊甚大，气温年差平均在3436，日差平均为12-16。这里是寒潮进入我国首当其冲的地方，因而冬季严寒、夏季温暖。全年的平均气温在-1-10之间，一月-23-10，七月达17-26，北部气温偏低；西部气温的年较差、日较差都很大。极端最低气温-49.6；极端最高气温达39.6。（2）湿度内蒙古中部地区属于干旱少雨性气候，年平均相对湿度为49%-61%，全年无霜期60-160多天。年平均降水量在50mm-450mm之间，全年度降水的百分之七十集中在夏季。春旱及冬季的暴风雪最为影响农牧业生
29、产的主要自然灾害。风沙、霜冻、冰雹亦可成灾。冬季、春季西部大部地区、东北部及东部偏南部分地区温高雨少，风沙天气少、气候干燥、旱情持续发展，春季常常出现沙尘暴、扬沙及霜冻，夏季出现高温、干旱及暴雨、雷电、冰雹等灾害性天气。（3）采暖度日数 在许多发达国家的建筑节能工作中，往往以采暖度日数作为冷天气候的一个重要基础数据。采暖度日数是指室外日平均温度与采暖基准温度之差与天数乘积之和。通常采用18作为室内采暖基准温度。凡室内平均温度低于基准温度的日子均计入采暖度日数。作为一种简化的计算方法，假定采暖热量近似与室外平均温度与室内基准温度之间的差值成正比，可用来估算采暖能耗，并综合对比不同地区的冷天气温状
30、况。内蒙古中部地区主要城市的采暖度日数19：包头为4017d，呼和浩特为5000d，鄂尔多斯为4500d。（4）太阳辐射内蒙古中部地区日照充足 ，光能资源非常丰富，全年日照时数为3000-3200小时，辐射量在586-670x104kJcm2a，太阳能资源相对来说是比较丰富的，因此充分利用太阳能可以减少本地区冬季的采暖能耗。（5）热岛效应近几年，内蒙古经济保持快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了很大的资源和环境代价，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐。内蒙古是以煤炭为主的能源生产和消费大区，减少污染排放，是我们应该承担的责任。煤炭在一次能源中的比例一直保持在65%以上，天然气、水电、风力发
31、电等清洁优质能源的比重很低。这种以煤为主的能源消费结构特点，造成了环境污染严重，由此而引起的城市热岛效应也越来越严重。2.2内蒙古中部地区外墙技术首先对呼和浩特、包头、鄂尔多斯等地已有的节能建筑的外墙进行调研，了解建筑外墙的墙体构造、墙体材料、保温节能性能以及使用质量情况。对常见复合墙体组合类型的外墙进行理论的热工分析计算，是否满足节能65%的建筑耗热量指标及围护结构传热系数值设计。由于内蒙古处于北方寒冷地区，夏热冬冷，根据居住建筑节能设计标准（DBJ14-037-2006）的要求，建筑节能主要考虑满足冬季保温要求，同时兼顾夏季隔热。下面将着重阐述内蒙古中部地区节能建筑的外墙材料和做法。2.2
32、.1 墙体的基层材料内蒙古自治区是国家在1988年搞墙改试点的三个地方之一。对新型墙体材料的推广应用力度较大较早。国家四部委文件规定，要求全国170个城市在2003年6月30日以前禁止生产使用实心粘土砖。粘土空心砖，由于其仍为粘土制品，节约土地、节约生产能耗的效果并不明显。目前，北京及其它部分城市已禁止粘土制品，主要就是指粘土空心砖。替代产品，各地的条件不一样，产品种类也不相同。混凝土小型空心砌块是全国大多数地区都在使用的一种砌体材料。经调研，目前内蒙古中部地区建筑外墙基层墙体材料主要有砖、砌块、板材三类11。其中砖主要有烧结多孔砖、蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖等。多用于六层以下砖混结构建筑墙体。
33、砌块主要有蒸压加气混凝土砌块、混凝土小型空心砌块、粉煤灰砌块等。常用的板材有预制加气混凝土板、钢筋混凝土绝热材料复合墙板、钢丝网架水泥夹芯板、金属复合板等，砌块和板材主要用于多高层框架结构建筑的填充墙。2.2.2常用保温材料目前比较常用的外墙保温材料有胶粉聚苯颗粒保温砂浆、EPS保温板、XPS保温板及无机保温砂浆等。在保温隔热方面，相同厚度的胶粉聚苯颗粒保温砂浆、无机保温砂浆、EPS以及XPS保温板的保温性能是逐渐升高的。胶粉聚苯颗粒的导热系数为0.060（实际可能达不到），无机保温砂浆的导热系数为小于0.060 ，EPS保温板为0.041，XPS保温板为0.030 。因为外墙装饰厚度在满足保
34、温等各项性能指标的情况，越薄越好。所以同样保温效果的4种做法，胶粉聚苯颗粒的厚度最大。EPS保温板和XPS保温板间同样有这种差别。苯板的价格XPS保温板贵于EPS保温板，同样的苯板力学性能和防火等的差异，造成价格上的差异。2.2.3 常用墙体的保温方式我国建筑墙体的保温做法经过了由单一材料保温体到复合保温墙体。复合墙体根据保温材料的不同，分为外墙内保温、外墙夹芯保温和外墙外保温。上上世纪90年代。我国北方地区，内保温和夹芯保温技术曾经被广泛应用，经过近10你那的技术发展和工程实践，目前外墙外保温体系成为内蒙古地区外墙保温的主要技术措施。如下图，图2.1为外墙外保温体系，图2.2为外墙内保温体系
35、。图2.1外墙外保温体系Fig.2-1Exterior insolation图2.2外墙内保温体系Fig.2-2Exterior wall insolationfig2.3本章小结本章介绍了内蒙古中部地区的气候特征、能耗状况，调研了内蒙古中部地区节能建筑常用的基层墙体材料，墙体结构类型及外墙外保温系统种类。从以上调研结果可知，内蒙古中部地区属于中国北方寒冷地区，冬季漫长寒冷，多数地区冷季长达5个月到半年，一年中采暖期多达7个月，平均采暖度日数4500d，远远高出国内其他地区的采暖度日数，建筑能耗也必然高于其他地区。所以本省非常注重建筑节能，主要措施是改善建筑外围护结构的隔热保温性能和提高采暖效
36、率。根据上述调查来看，总体来说，内蒙古中部地区节能建筑取得了一定效果，但是比起发达国家和中国东部发达地区还是存在的差距需要进一步完善，因此有必要进行更深层次的研究。第三章 外墙厚度优化设计围护结构的耗能在建筑耗能中占有不小比重，据统计，通过外墙体的热损失占建筑总损失的30%左右13。因此合理确定不同朝向围护结构绝热层厚度，使这部分投资获得最有效的节能效果是十分必要的。国内外研究者在这方面做了大量研究工作，尤其对寒冷地区住宅建筑围护结构的节能设计提出了相应的理论和方法，并且从节能建筑外墙厚度优化设计方面进行了优化计算2。研究表明，具有良好保温隔热设计的建筑物可以明显改善热工性能，降低能耗14。外
37、墙厚度的选择除了与墙体材料的热工性能有关外，还应考虑其经济性，使建筑在保温材料使用周期内空调能耗费用低，使用保温材料而新增的初投资回收时间短15。由传热学可知，对于同种墙体的导热系数越小，厚度越厚，通过围护结构传递的热量越小，但是这样就造成结构自重增加，建筑成本增加，同时减少了房屋的使用面积。墙体材料的热工性能、厚度、为了满足室内舒适度所需的采暖空调能耗费用和成本之间存在着一定的关系16。经济保温厚度取决于建筑物所在区域的气候条件，建筑的几何形状，材料特性等因素。在建筑外墙厚度优化设计中存在以下问题：一方面，在某一工作温度范围内所选用的墙体材料的结构并不是唯一的；另一方面，一定的墙体材料在满足
38、热工要求的基础上如何确定合理的厚度。因此，在围护结构热工设计时就有必要结合经济性进行分析。节能建筑外墙厚度优化设计一般从两个方面着手，一是墙体材料的厚度优化设计。二是保温层的厚度优化设计。下面本文将分别建立厚度优化数学模型，进行墙体材料的厚度优化和保温层的厚度优化。3.1围护结构传热系数限值设计为了达到标准的节能目标，可以采取俩种途径确定达标建筑围护结构的热工性能参数。一种称之为规定性方法，只要建筑的体形系数及窗墙比符合规定要求，即可方便地从标准查取围护结构的热工性能参数限值；另一种为性能方法，如果建筑设计不能符合规定要求，可以通过计算，调整围护结构热工参数，控制采暖能耗在规定的限值内来实现节
39、能设计。这种规定性指标操作简单、方便。3.1.1 建筑物耗热量指标计算根据我国建筑节能发展的基本目标：新建采暖居住建筑1986年起，在19801981年当地通用设计能耗水平基础上普遍降低30%，为第一阶段；1996年起在达到第一阶段要求的基础上再节能30%，（即总节能50%）为第二阶段；2005年起在达到第二阶段要求基础上再节能30%（即总节能65%）为第三阶段。建筑物室内的耗热量一般包括由通过墙体、屋顶和窗户的传热及通风和空气渗透损失的热量。下面介绍节能65%的建筑耗热量指标及围护结构传热系数限值的计算方法。 （3-1）式中：是建筑物耗热量指标。（W/）； 是单位建筑面积通过维护结构的传热耗
40、热量，（W/）；单位建筑面积的空气渗透耗热量，（W/）；是单位建筑面积的建筑物内部得热量，住宅建筑取3.80 W/。3.1.2单位建筑面积的空气渗透耗热量计算由传热学知识可计算通过建筑物门窗、屋顶、外墙等围护结构的空气渗透量， 由此得出下式2 (3-2)式中：为单位建筑面积的空气渗透耗热量，（W/）；为全部房间平均室内计算温度，；为采暖期室外平均计算温度，；为空气比热容，取0.28W；为空气密度（kg/）,取条件下的值；为换气次数，取0.5次/h；为换气体积。楼梯间及外廊不采暖时为建筑体积的0.60，即V=0.60;楼梯间外廊采暖时为建筑体积的1065，即V=0.65；建筑面积，（）。通过以上
41、公式计算表可得出单位建筑面积通过围护结构的传热量。但是考虑到围护结构节能的关键部位、目前国内技术水平及经济合理性等因素，确定围护结构传热系数限值在满足建筑总耗能指标的前提下，以外墙及外窗为重点，适当考虑屋顶，而对地板、地面及阳台下部门芯等部位仍采用节能50%的标准。依此原理根据以下公式计算2： (3-3)式中：为单位建筑面积通过维护结构的传热耗热量，（W/）；为全部房间平均室内计算温度，；为采暖期室内平均计算温度；为围护结构传热系数的修正系数；为围护结构的传热系数，外墙应取平均传热系数，W/（）；为围护结构面积（）；为建筑面积，（）。3.2 墙体材料优化设计墙体的热工性能反映了它的保温隔热能力
42、，同时也影响其建筑节能效果。在一幢普通建筑物上使用的各类建筑材料中，墙体材料无论在质量还是价值上所占的比例都是举足轻重的。尤其是节能建筑外墙墙体材料的热经济性尤为重要。合理使用墙体材料，降低建筑耗能是本文主要研究之一。3.2.1墙体材料热经济性分析建筑物的得热负荷是由通过墙体、屋顶和窗户的传热及通风和空气渗透形成的新风负荷组成。这里可认为室内外的传热是以墙体的热传导为主要方式。以夏季室内空调制冷为例，要消除通过墙体进入室内的热负荷，空调制冷必然要消耗一定量的能量，这里将所需能量转换为空调运行费用。一般来说墙体材料的造价决定了它热工性能的优劣。如果仅考虑室内采暖或空调所需的能量和墙体材料的造价，
43、可以以每平方米的墙体面积位计算基准，建立简单且可操作性强的数学模型，通过建筑物的墙体材料选择和尺寸确定分析对建筑物的造价和能耗影响，进行墙体尺寸的优化。3.2.2墙体材料的选择在选择墙体材料时，需要考虑材料热工性能，造价，当地墙体材料产业结构，运输费用等多方面因素，其中材料的热性能与造价是俩个重要因素，也是选择时主要考虑因素，需要将两者综合考虑，通过建立数学模型，确定最优的墙体材料。大连理工大学的徐云伟，贾珣等人2引入S 、两参数对保温绝热材料进行热经济评价，其方法为：用材料的导热系数乘以该保温材料的单位体积价格，其乘积越小者，热经济效果越好。A=S (3-4)式中：为单位体积价格，元/；为保
44、温材料的导热系数，W/（）；为墙体材料的技术经济特征量，也称为每平方米面积上的单位热阻价格，元/）。材料的导热系数与单位体积价格分别乘积后叠加，这样会造成可能有材料用料很少，但是性价之积很高而造成墙体总得热经济性不准确。对于复合墙体，应该在每种材料性价之积的基础上乘以每种材料的权重（权重是一个相对的概念，是针对某一指标而言。某一指标的权重是指该指标在整体评价中的相对重要程度。），然后再相加比较。但是对于围护结构为多种材料复合的墙体，其热经济性不能简单的将所有材料加在一起，即2，A= (3-5)式中，该层墙体材料的权重。这样得出的公式（3-5）能更精确的计算出墙体材料的技术经济特征量，得出的数据
45、也更符合实际。通过对内蒙古中部地区节能建筑外围护结构的几种类型：混凝土小型空心砌块，页岩空心砖，钢筋混凝土，加气混凝土砌块等进行上述比较得出：页岩空心砖的热性能和经济性的综合指标最好。如下图3-1为页岩空心砖，图3-2为页岩空心砖外保温墙体的构造。图3-1 页岩空心砖Fig.3-1Shale hollow bricks图3-2 页岩空心砖外保温墙Fig3-2 Shale hollow bricks insulation3.3保温层厚度优化墙体是外外围护的主体，要降低建筑物的能耗，首先考虑墙体节能，外保温复合墙体的保温层厚度优化设计也越来越引起大家的重视。虽然提高外墙的保温性可以减少建筑物得供热
46、能耗费用，但也会增加外墙建设成本，提高建设方的一次建设基金，并且保温层的使用寿命是有限的，因此不能无限制的增加保温层的厚度去减少能耗费用，而要合理选择保温层的厚度使外墙在保温层生命周期内所造成的采暖费用和保温层造价之和最低。建筑物得传热负荷是由通过墙体、屋顶和窗户的传热及通风和空气渗透形成的新风负荷组成。在此为了简化计算，此种计算方法仅考虑通过围护结构的传热对保温材料厚度的影响，通过采暖度日数和空调度日数来计算热负荷。下面利用生命周期价值分析的方法，建立墙体保温层最佳厚度的数学模型。3.3.1年度总负荷的计算建筑物的传热负荷是由通过墙体、屋顶和窗户的传热及通风和空气渗透形成的新风负荷组成。在此
47、为了简化计算，仅考虑通过围护结构的传热对保温材料厚度的影响，通过采暖度日数和空调度日数来计算热负荷。由传热学可得，单位面积外墙的热损失： (3-6)式中：为单位面积外墙在采暖期或空调期的热损失，为外墙的传热系数，：为室内外的温差，。年度总负荷的计算公式为16 （3-7） （3-8） , (3-9) 其中表示年度总负荷，表示冬季负荷，表示夏季负荷，kWh/；HDD18和CDD26分别代表采暖和空调度日数，；k值为墙体传热系数，接下来确定外墙的传热系数K，由传热学可知：，墙体的总热阻包括室内外空气的热阻、基层墙体的总热阻、保温层得热阻，单位均为。因此： （3-10）为了方便起见，我们将式（3-3）中、之和设为，则式（3-8）可变形为： （3-11）式中，分别为墙体内外表面换热热阻，由设计规范查询得，取0.11,冬季的外表面换热热阻统一取0.05；为基层墙体热阻；为保温材