经济厚度的计算

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1、经济厚度的计算经济厚度的计算1 1 引言引言在外墙和屋面等围护结构中设置保温层以提高外围护结构热阻，是改善我 国目前严寒和寒冷地区居住建筑采暖能耗大、热环境差等状况重要的有效的措 施。在保温材料确定的情况下，保温层厚度是决定建筑保温水平的重要参数。 一般随着保温层厚度的增加，围护结构的绝热性能提高，从而降低建筑负荷， 采暖设备造价和采暖系统运行费用也相应降低；但同时，围护结构的建造费用 也相应增加，因此，一定存在某一特定的保温层厚度，即经济厚度 op ，使建 筑物总费用（建造费用和经营费用之和）最小。保温层经济厚度的合理计算可 以防止因根据经验选择保温层厚度所造成的综合效益损失，因此，研究保温

2、层 厚度的计算方法对建筑节能具有重要的现实意义。【除湿机】，【加湿器】，【空气净化器】，【空气消毒器】，【恒温恒湿机】 ，【转轮除湿机】，【升温除湿机】，【调温除湿机】，【湿度调节器】， 【防潮箱】，【防潮柜】，【工业加湿器】，【工业除湿机】，【抽湿机】， 【防潮机】，【组合式空调】,【组合式除湿机】,【风冷调温除湿机】,【水冷 调温除湿机】,【移动空调】,【移动工业空调】,【净化式恒温恒机组】,【冷干 机】,【生物制冷机】,【胶囊专用除湿机】,【纺织加湿器】,【烟草除湿机】, 【防爆除湿机】，【防爆空调】，【空调】，【冷水机】，【工业冷水机】, 【低湿除湿机】，【低温除湿机】，【高温除湿机】

3、，【超声波加湿器】， 【离心加湿器】，【特种除湿机】，【管道除湿机】，【特种空调】,【工业空 调】,【实验设备】，【湿膜柜机加湿器】，【机房空调】，【精密空调】， 【机房专用加湿器】【除湿机常识】【除湿机原理】【除湿机功能】【加湿器 用途】【除湿机用途】【空气处理设备】【冷干机】【转轮除湿机】【UPS 不 间断电源】【抽湿机】【工业抽湿机】【干燥机】【空气处理设备】【工业设 备】目前，计算保温层经济厚度的方法有很多种，包括采暖年平均最小费用法1、 Lagrange 乘子法2、生命周期耗费分析法3,4等。由实际情况可知，保温层经 济厚度的影响因素很多，如果其数学模型复杂、参数众多且不易确定，往往

4、会 造成使用不便，最终仍然流于经验判断。因此，应探寻比较接近客观现实，又 易于计算的方法。采用生命周期耗费分析法对建筑物总耗费进行经济分析，是 国外（如美国等）使用较多的一种方法，对于我国也具有一定的参考价值。 2 2 数学模型数学模型对于节能建筑能耗的分析，国外大都采用生命周期耗费分析法（即“Life Cycle Cost Analysis”, 简称“LCCA”）. LCCA 法是全面评价事物性能的方 法，即对建筑物从建造、使用至拆除的整个过程（即建筑物的生命周期）进行 全面性的整体评估，从宏观上为节约能源提供了方向。本模型主要分析了建筑 物在其生命周期中的采暖能耗，从单位面积围护结构（考虑

5、墙体或屋面）的年 采暖总费用出发，进行经济分析，提出了在节能建筑设计过程中计算保温层经 济厚度的数学模型，得出一个简单的计算经济厚度公式。2.12.1 外墙和屋面的单位面积热损失外墙和屋面的单位面积热损失冬季建筑物采暖热负荷包括围护结构的耗热量和冷风渗透的耗热量，其中冷风 渗透的耗热量不直接影响围护结构的热阻，在计算保温层经济厚度时只考虑外 墙和屋面耗热量的影响。2.1.1 单位面积热损失可用下式计算：QKT式中 Q单位面积的耗热量，W/ m2；K传热系数，W/（m2）；T冬季室内外温差，。2.1.2 单位面积年热损失可用采暖度日数计算：QA86400DDK式中 QA年采暖耗热量，J/m2；D

6、D采暖度日数，d；K围护结构的传热系数，W/（m2）。21.3 围护结构的传热系数为：K 式中 Ri、Ro分别为内、外表面的换热阻，m2K/W；Rw围护结构的传热阻，m2K/W；Rin保温层的热阻，m2K/W。Rin 式中 保温层厚度，m;保温层的导热系数，Wm/K。2.22.2 单位面积年采暖总费用单位面积年采暖总费用建筑物年采暖总费用等于保温层的投资费用和采暖耗热费用之和，即：CtCin +Ch （1）式中 Ct单位面积年采暖总费用，￥/ m2；Cin单位面积保温层的投资费用，￥/ m2；Ch单位面积年采暖耗热费用，￥/ m2。2.2.1 保温层的投资费用 Cin按下式计算：CinCi （

7、2）式中 Ci单位体积保温材料的造价，￥/m3；保温层厚度，m。2.2.2 采暖所用耗热量的费用 Ch采用生命周期耗费分析法（即仅考虑资金的时 间价值）进行计算：ChPWFCe （3）式中 PWF贴现系数（Present Worth Factor），即将资金的将来值折算成现 值；Ce单位面积采暖年运行费用，￥/ m2a。（4）式中 QA同前，J/m2；Cf煤价，￥/kg；采暖系统的总效率，12；1室外管网输送效率，一般取 0.9；2锅炉的运行效率，一般取 0.68；Hc煤的发热量，kJ/kg。贴现系数 PWF 的确定方法如下：若 gi，PWF（1+i）-1；若 g i，则 I（ig）/（1+g

8、）；若 g i，则 I（gi）/（1+i）；那么，PWF1-(1+I)-N/I。式中 i银行利率，%；g通货膨胀率，%；N使用年限，a；I贴现率，%。2.32.3 经济厚度的计算经济厚度的计算综合以上各式（1）（4），整理得到：（5）如前所述，建筑采暖总费用 Ct存在一个最小值 Ct，min，其对应的厚度值即为经 济厚度 op。由 得：（6）3 3 实例计算及分析实例计算及分析3.13.1 建筑概述建筑概述以大连市一座节能住宅建筑为例。其主体采用框架结构，六层楼，层高 2.8m， 南北向，单框双玻塑钢窗，楼梯间不采暖。墙体和屋面构造取用目前大连地区 节能建筑常用的构造（见表 1），本算例对各种

9、构造的保温层经济厚度进行分 析。表 1 大连地区常用节能建筑构造 构造部件基体保温层材料厚度(mm)导热系数 (W/k)保温材料导热系数 (W/k)屋面类型 1钢筋混凝土1001.74苯板0.047类型 2钢筋混凝土1001.74苯板0.047水泥珍珠岩保温块0.160墙体类型 1大孔空心砖（页岩）3000.58外贴挤塑苯板0.025类型 2大孔空心砖（页岩）3000.58外贴 EPS0.050类型 3大孔空心砖（页岩）3000.58内贴带钢丝网苯板0.047类型 4大孔空心砖（页岩）3000.58内抹保温砂浆0.060主要建筑设计参数如下：建筑体积:o=13748.613； 表 2.墙体(类

10、型 1)构造5 材料名称导热系数 (W/k)厚度(mm)聚合物砂浆0.9303挤塑聚苯乙烯泡沫板0.030聚合物砂浆0.9303砂浆找平层0.93020大孔空心砖（页岩）0.580300白灰砂浆0.81020建筑外表面积：o=3834.95 m2；建筑面积：o=4758.34 m2；体形系数：S=o /o=0.28m-1 0.3 m-1；换气体积与次数：=8936.63，n=0.65 次/； 窗墙面积比：南：0.27，北：0.22；采暖期室外平均温度：Te1.6；采暖期度日数：DD=2541/。3.23.2 计算结果及分析计算结果及分析3.2.1 保温层厚度与费用的关系图 1. 保温层厚度与费

11、用的关系当墙体及保温层的构造和材料一定时，保温层厚度直接影响建筑采暖的经济性。 本文选用类型 1 的墙体进行分析，该墙体的具体结构见表 25。挤塑苯板的容重为 15kg/m3，单位体积的造价为 Ci260 ￥/m3；选用辽宁鞍山 半烟末煤，煤发热量 Hc20.9MJ/kg，其价格 Cf0.22￥/Kg ；当前国家年贷 款利率 i6.21，通货膨胀率 g2，使用年限 N10，经计算得， PWF9.27；Ro0.04K/W，Ri0.11K/W。图 1 反映了保温层厚度与相 应费用之间的关系。由图 1 可见，建筑采暖过程中，保温层的投资费用 Cin随保温层厚度 的增加 呈线性增大，而采暖所用耗热费用

12、 Ch与保温层厚度 之间是非线性关系，开 始随 增大而迅速降低，当 达到一定值时，Ch变得平缓，可见继续增大 并不能使 Ch得到明显地节省；从而导致建筑年采暖总费用 Ct随着 的增加， 先减小后有所增长，在 op40mm 时存在一个最小值，为 9.6 万元。3.2.2 不同结构的保温层经济厚度分析部件保温材料设计厚度(mm)计算经济厚度(mm)差值(mm)屋顶类型 1苯板506416类型 2苯板3029-1水泥珍珠岩保温块120114-6墙体类型 1外贴挤塑苯板203540520类型 2外贴 EPS5046-4类型 3内贴带钢丝网苯板304046616类型 4内抹保温砂浆304047717表

13、3.保温层设计厚度和计算经济厚度比较对大连市节能建筑各种常用构造的保温层经济厚度进行计算，并与目前设计中 采用的保温层厚比较，计算结果见表 3（表 3 中屋面和墙体的类型构造与表 1 对应）。由表 3 可知，在本文选用参数的条件下，计算经济厚度与实际工程设计中采用 的保温层厚度比较接近，但是存在差值，分析产生差值的原因如下：一是设计 参数的差异，如各地的煤价不同等因素；另一个原因是工程中的设计厚度仅从 传热系数角度考虑以满足节能设计的要求，而计算经济厚度 op则综合考虑了 建筑物在其生命周期中的经济性。在本文计算条件下，计算经济厚度一般大于设计厚度，即 op设计。 例如， 类型 1 墙体保温层

14、计算经济厚度为 op=40mm，当设计值取用 20mm 时，二者差 值可达 20mm。与取用经济厚度的保温层相比较，虽然取用 20mm 的保温层也可 以满足节能设计的要求，而且保温层投资费用降低了一半，但却使年采暖总费 用增加了 2 万元（见图 1），可见计算经济厚度对工程的经济性影响很大。同 时，在设计实践中，考虑到保温材料实际保温性能与理论值有所差距而应留有 一定的裕量，故提高相应保温层的设计厚度很有必要。 3.2.3 不同墙体 EPS 保温层厚度比较主体结构主体厚度(mm)主体传热系数k(w/m2.K)EPS 板厚(mm)推荐值计算值差值粘土空心砖2400.5805047-33700.5

15、824038-24900.58630300混凝土空心砌块1900.5936051-9粘土实心砖2400.5476046-143700.5675037-134900.5924030-10表 4. 不同墙体 EPS 保温层厚度比较 当保温材料一定，墙体的主体结构不同时，保温材料的厚度也应不同。本文取 用 EPS 保温结构，对不同主体结构的墙体6,7进行比较分析，计算结果见表 4。 由表 4 可见：在本文计算条件下，EPS 保温层的计算经济厚度小于推荐（设计） 厚度，即 op设计，并且对于不同外墙主体结构，差值大小不同；采用粘土 实心砖时，差值超过 10mm，可见推荐值有些偏大。综合表 3、4 可知

16、，在实际 工程中，外墙和屋面的保温层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能 耗的经济性。4 4 关于经济厚度的几点探讨关于经济厚度的几点探讨如前文所述，建筑围护结构保温层经济厚度的影响因素众多，在对其进行分析 与计算过程中，一些重要的因素常作简化处理，直接影响了保温层经济厚度计 算的准确性。因此，笔者认为以下几方面的问题还待于深入研究：4.14.1 计算通过围护结构的负荷时，普遍使用室外平均计算温度 Te，然而实际上 热流随着外界气候、环境、时间等因素时刻发生变化。为此，应建立动态负荷 和保温层厚度之间的关系式。4.24.2 目前，保温层厚度的确定方法一般仅考虑冬季