保溫層

我國寒冷地區(qū)的既有住宅建筑多屬磚混結構,建筑圍護結構熱工性能差、墻體不保溫,造成了全年采暖空調能耗居高不下。改進建筑圍護結構熱工性能是節(jié)能改造的關鍵,而外墻節(jié)能在建筑節(jié)能中占有非常重要的位置,本文采用生命周期法對北方地區(qū)的城市居民樓簡單的平屋頂住宅建筑進行能耗模擬,通過比較幾組具有不同厚度保溫層的負荷指標,分析了保溫層厚度對建筑負荷的影響,并確定了最佳的經濟保溫層厚度。保溫層“經濟厚度”的計算方法, 不但考慮了傳熱基本原理, 而且考慮了保溫材料的投資費用、能源價格、貸款利率、導熱系數等經濟因素對保溫層厚度的影響。據生命周期分析法的原理，利用單位面積圍護結構（僅考慮屋頂）的采暖總耗費的數學模型，得出了一個簡單的保溫層經濟厚度的計算式。最后通過幾組數據進行驗證，并推廣為其他常見保溫材料的最佳保溫層厚度，進一步驗證所得結論的正確與合理性。

目前，我國對房屋建筑的保溫隔熱性能提出了更高的要求，而目前很多城市居民樓尚且都還是簡單的平頂屋。外保溫是目前大力推廣的一種建筑保溫節(jié)能技術。外保溫與內保溫相比，技術合理，有其明顯的優(yōu)越性，使用同樣規(guī)格、同樣尺寸和性能的保溫材料，外保溫比內保溫的效果好。外保溫技術不僅適用于新建的結構工程，也適用于舊樓改造，適用于范圍廣，技術含量高；外保溫包在主體結構的外側，能夠保護主體結構，延長建筑物的壽命；有效減少了建筑結構的熱橋，增加建筑的有效空間；同時消除了冷凝，提高了居住的舒適度。根據一系列的節(jié)能政策、法規(guī)、標準和強制性條文的指導下，我國住宅建設的節(jié)能工作不斷深入，節(jié)能標準不斷提高，引進開發(fā)了許多新型的節(jié)能技術和材料，在住宅建筑中大力推廣使用。但我國目前的建筑節(jié)能水平，還遠低于發(fā)達國家，我國建筑單位面積能耗仍是氣候相近的發(fā)達國家的3倍~5倍。北方寒冷地區(qū)的建筑采暖能耗已占當地全社會能耗的20%以上，且絕大部分都是采用火力發(fā)電和燃煤鍋爐，同時給環(huán)境帶來嚴重的污染。所以建筑節(jié)能還是本世紀我國建筑業(yè)的一個重要的課題。而同時墻體和屋頂作為建筑物的重要圍護物件, 而其保溫層厚度又是決定于建筑保溫水平的重要參數，于是針對增強保溫性能和節(jié)省熱能損失和能源浪費，設計最佳保溫層厚度有著重要的意義。

建筑能耗在社會總能耗中占有很大的比例, 在西方發(fā)達國家, 建筑能耗占社會總能耗的 30 %～45 %,而我國在社會經濟水平和生活水平都還不高的情況下, 建筑能耗已占到社會總能耗的 20 %～25 %, 正逐步上升到 30 %[1], 并且高的建筑能耗造成了大量化石燃料的使用, 帶來了越來越嚴重的大氣污染。為了減少建筑能耗, 目前國家正在實施建筑節(jié)能設計標準,提高建筑圍護結構的保溫性能。

墻體是外圍護的主體, 要降低建筑物的能耗, 首先要考慮墻體的節(jié)能, 因此外保溫復合墻體的保溫層厚度設計也越來越引起大家的重視[1~2]。雖然提高外墻的保溫性能可以減少建筑物的供熱能耗費用, 但也會增加外墻的建設成本, 提高建設方的一次建設基金, 并

且保溫層的使用壽命是有限的, 因此不能無限制的加大保溫層厚度去減少能耗費用, 而要合理選擇保溫層的厚度使外墻在保溫層生命周期內所造成的采暖能耗費用和保溫層造價之和最低。

保溫層問題的重述

屋頂由里向外的結構是0.1(cm)涂料，1.5(cm)水泥砂漿20(cm)樓板，2(cm)水泥砂漿，珍珠巖保溫層，2(cm)水泥砂漿，1(cm)三氈四油防水材料。北方地區(qū)這樣的屋頂，夏季太陽日照下的表面溫度最高可以達到攝氏75度，冬季為攝氏零下40度。為了保持室內有較好的舒適溫度，又不造成浪費，設計最佳保溫層厚度及選擇最佳保溫材料。

保溫層模型假設

a. 假設研究對象為室內空氣維持在設定適宜值的空調建筑。

b. 冬季建筑物采暖熱負荷包括圍護結構的耗熱量和冷風滲透的耗熱量，其中認為冷風滲透的耗熱量不直接影響圍護結構的熱阻，而在計算保溫層最佳厚度時只考慮屋頂耗熱量的影響。

c. 假設屋頂結構體及保溫層材料均勻，熱傳導系數是常數。

d. 室內溫度和室外溫度保持不變，且熱傳導過程已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

e. 室內空氣與圍護結構內表面之間允許溫度差攝氏4度，即在冬季平頂屋室內空氣比內墻壁高4攝氏度。

f. 北方地區(qū)屋頂，夏季太陽日照下的表面溫度最高達攝氏75度，冬季為攝氏零下40度。

保溫層建立模型

模型中使用的主要參數說明

Q 單位面積的透過屋頂損失的熱量，W/ m2

K 圍護結構的傳熱系數，W/（m2·℃）

ΔT 室內外溫差，℃。

Qn 年采暖耗熱量，J/m2

HDD 采暖度日數，℃·d

Ri 由里到外屋頂結構材料的傳熱阻，m2·K/W

R 保溫層的熱阻，m2·K/W

di 由里到外屋頂結構材料的厚度，m

d 保溫層的厚度

i 材料各層的導熱系數，W·m/K

λ 保溫層的導熱系數，W·m/K

W 單位面積年采暖總費用，￥/ m2；

WT 單位面積保溫層的投資費用，￥/ m2；

WN 單位面積年采暖耗熱費用

WY 單位面積采暖年運行費用，￥/ m2·a

PWF 貼現(xiàn)系數

i 銀行利潤

I 現(xiàn)貼率

g 通貨膨脹率

N 使用年限

P 單位體積保溫材料的造價

C 單位時間的電價,￥/h

H 空調單位面積單位時間的發(fā)熱量, J/h

η 采暖系統(tǒng)的總效率

Vi 采暖或降暖日數，d

保溫層有關概念的定義

（1）厚度為d的均勻介質，兩側溫度差為ΔT，則單位時間由溫度高的一側向溫度低的一側通過單位面積的熱量Q與ΔT成正比，即： Q=kΔT, k為熱傳導系數，其中k= ,R為介質的傳熱阻

（2）PWF－貼現(xiàn)系數（Present Worth Factor），是把今后某一日期收到或支付的款項，折算為現(xiàn)值的過程。一元資金在不同時期的現(xiàn)值，叫做貼現(xiàn)系數，即將資金的將來值折算成現(xiàn)值。

（3）所謂采暖度日數 HDD(Heating Degree Days) 是指一段時間 ( 月、季或年 ) 日平均溫度低于 65 °F(18.3 ° C) 的累積度數。如果日平均溫度高于 65 °F,那么這一天無采暖度日數。

問題的分析

屋頂是建筑物的重要圍護結構,為確保其保持室溫,減少熱損的功能. 尤其是在嚴寒地區(qū),在保證寒冷地區(qū)冬季室內氣溫達到應有的標準的情況下，還需把其采暖費用作為重要考慮因素。保溫層厚度是決定建筑保溫水平的重要參數。一般隨著保溫層厚度的增加，圍護結構的絕熱性能提高，從而降低建筑負荷，采暖設備造價和采暖系統(tǒng)運行費用也相應降低；但同時，圍護結構的建造費用也相應增加，因此，一定存在某一特定的保溫層厚度，即經濟厚度d ，使建筑物總費用（建造費用和經營費用之和）最小。于是考慮建立關于總費用W的目標函數，其包括保溫層的投資費用和采暖耗熱費用，其中對于采暖好熱費用，考慮經濟和節(jié)能，采用生命周期法，建立節(jié)能建筑設計的數學模型。建立關于保溫層厚度d的關系式，得到計算經濟厚度的關系，使得目標函數W最小，對應的即為最佳厚度d。由此得到最佳保溫厚度，變換保溫材料時只需替代導熱系數，結合數據得到最佳保溫材料。

不同材料的保溫層最佳厚度的比較分析

不同材料保溫層的最佳厚度

實際上保溫效果：聚氨酯泡沫最好，擠塑板次之，苯板最差；

耐冷熱性能：聚氨酯泡沫最好，擠塑板次之，苯板最差；

吸水率（性）：擠塑板最低，聚氨酯次之，苯板最易吸水；

使用壽命：聚氨酯泡沫最長，擠塑板次之，苯板最差；

價格：聚氨酯泡沫最高，擠塑板次之，苯板最低；

聚氨酯現(xiàn)場發(fā)泡（噴涂）可直接現(xiàn)場噴涂成型（液體膨脹），成型、運輸方便；其他兩種板材需要運輸、粘貼，較為麻煩且會存在一定的破損，有拼接縫存在。

保溫層模式的改進和推廣

對于室內外的溫差計算，本文采用室內達到適宜溫度時與外界最高溫差的一半作為一段時間內的平均溫差，然而實際上溫度差隨著外界氣候、環(huán)境、時間等因素時刻發(fā)生變化。為此，對于室外溫差的計算應考慮建立動態(tài)負荷和保溫層厚度之間的關系式。

本文是是著重從經濟學的角度來確定最佳保溫層厚度。然而實際上保溫層厚度的選擇不僅關系到節(jié)約能源問題，同時也關系到環(huán)境保護問題，能源日益短缺的及國內乃至世界日趨嚴重的近日更加顯得重要和必須。倘若在圍護保溫層材料的選擇上考慮其對環(huán)境的影響，以及其所需消耗熱源燃料產生的污染物量進行評估，使得選取的厚度在經濟和環(huán)境的效益最佳。

在設置集中采暖的建筑物，其圍護結構的傳熱阻除了根據技術經濟的比較確定，而且要符合國家有關節(jié)能標準的要求，對于居住平頂屋等建筑圍護結構的最小熱阻應按一下計算公式計算的結構進行附加，其最小的傳熱阻按以下計算確定：

Rmin——圍護結構最小傳熱阻（m2·K/W）

ti——冬季室內計算溫度，一般取20°C。

te——圍護結構冬季室外計算溫度，單位：°C。

n——溫差修正數系數，外墻，平屋頂取1.00。

ΔT——室內空氣與圍護結構內表面之間的允許溫差°C。

Rk——圍護結構內表面換熱阻（m2·K/W）

于是，在所建模型中增加評估條件：最小保溫層厚度d應滿足 ，這在實際工程中，對于圍護保溫層的厚度確定亦有著重要的意義。

保溫層評價與分析

由于實際情況的千變萬化，因此我們得到的數據和假定的在實際操作中總存在著微小的誤差，因此一個好的模型絕不能由這些微小變動而導致結果的較大改變。為了我們所做的模型能進行比較全面的測試，同時考慮到實際情況，我們選用適宜參數的條件下，設定了一些合理的初始條件，利用計算機進行模型檢驗，得到包括珍珠保溫層在內的一系列保溫材料的最佳保溫厚度，并且其計算結果亦與實際工程設計中采用的保溫層厚度比較接近。

保溫層厚度的選擇關系到節(jié)能建筑的造價和運行成本的經濟性問題。生命周期耗費分析法計算保溫層經濟厚度的數學模型，考慮了建筑物在其生命周期中的采暖能耗，具有科學簡單、方便等特點。當缺少采暖系統(tǒng)數據資料時，利用設計規(guī)范針對性和適應性較好，對于工程設計具有一定的參考和應用價值，可用于新建或舊有建筑改造以及新型保溫材料的設計計算。但是在呼吁以人為本，全面協(xié)調可持續(xù)發(fā)展的今天，從經濟和環(huán)境兩方面綜合考慮保溫層厚度，應該更為合理，意義更為重大。

首先保溫層分為內墻保溫和外墻保溫。隨著全球經濟的發(fā)展，能源形勢嚴峻，建筑節(jié)能已成為當今世界發(fā)展的潮流，更是當今世界發(fā)展的需要。在國內外，目前應用最多的建筑外墻圍護結構節(jié)能措施即是外墻外保溫系統(tǒng)。合適的外墻外保溫層厚度可以提高建筑圍護結構的保溫隔熱性能，降低建筑能耗。對外墻外保溫系統(tǒng)保溫層厚度的研究已成為一個重要的問題。 外墻保溫是指，由保溫材料組成，在外保溫系統(tǒng)中起到保溫隔熱作用的構造層。依據國家頒布的節(jié)能標準，從2001年10月1日起規(guī)定，新規(guī)劃的樓盤必須強制做外墻保溫層。

保溫層的主要作用就是起到房屋保溫、隔熱的作用。

要保證熱力設備及管道經常處在散熱損失最小的經濟狀態(tài)下運行，就必須選擇合理的保溫層和經常做好保溫層的維護檢修工作。一般保溫層有主保溫和敷面兩層，常見的缺陷是裂縫和脫落。保溫層的檢修工藝及技術要求基本上與新敷設時相同。

主保溫層是用保溫材料(膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、硅藻土或石棉等)或保溫成型材料(保溫瓦等)，緊貼設備外壁嚴密敷設，以減少設備內的熱量傳外敵失。如主保溫層有裂縫或脫落等現(xiàn)象時，應及時進行修補或重新敷設，敷設工藝及要求如下：

(1)在對設備及管道敷設主保溫層前，應先將被保溫設備表面上的舊保溫層、灰塵和銹垢等雜物清除干凈，并按設計要求涂刷防腐劑，待干燥后，再行施工。

(2)凡對直立的管道或設備敷設主保溫層時，每隔2-3米，應裝設一個分段承重托架，其寬度可稍小于主保溫層。

(3)對大型設備或直徑在650毫米及以上的管道(汽包除外)敷設主保溫層時，必須焊接鉤釘。在壁厚等于或小于4毫米的設缶上焊接鉤釘時，應在設備或管道進行嚴密性試驗前進行。段備上施敷主保溫層，應在嚴密性試驗后進行。

(4)當采用成型材料保溫時，必須做到保溫材料與設備表面接觸緊密。若用板型制品對直徑在450毫米以下的管道做保溫層時，必須將板型保溫晶鋸成楔形板條敷砌。當主保溫層的厚度大于或等于80毫米時，應分層敷砌。

(5)為使主保溫層牢固不脫落，應用鍍鋅鐵絲或鐵絲網將敷設或修補部分緊緊地包裹住。

(6)主保溫層必須保證有高度的密實性和均勻性，避免出現(xiàn)沉陷和空洞等。影響保溫效果。

管道保溫層捆扎法施工

采用硬質保溫制品的保溫層，安裝時，要把其制品如瓦在被包復的鋼管上旋扭磨擦三次以上再就位，以保證弧度一致，結合嚴密；水平管縱向接縫位置應偏離管道垂直中心線。對于單層雙瓦組合，縱縫要布在管中心豎直線45度以外；對于多層、多瓦組合，縱縫也應偏離管道垂直中心線。

一般可采用16號至18號鍍鋅鐵絲雙股捆扎捆扎的間距不應大于400mm。如公稱直徑等于或大于600mm的管道或相應設備，除一般捆扎外，要另用10號至14號鍍鋅鐵絲或包裝鋼帶加固，加固的間距宜為500mm。

管道保溫層纏繞法施工

按螺旋形纏繞，搭接長度應為帶寬的1/2，纏時要拉緊。每條帶纏完后，應用鍍鋅鐵絲捆扎到管道上，再接纏第二條；纏第二層時，要壓第一層的縫纏繞。用保溫繩纏繞時，先把一端用鍍鋅鐵絲捆扎到鋼管上，再拉緊保溫繩一股緊貼一股的纏繞。務使繩子付在管子上轉動，繩股之間無間隙。繩的表面要復蓋織物，并縫起來。也可在繩上敷設金屬網，在網上抹灰，最后進行裱糊或涂刷涂料。

管道保溫層充填法施工

在管道上填充松散材料保溫時，應設置固形層(亦稱支承圈)?？捎?0×10×1～20×20×1的平織鐵絲網或直接用金屬保護層制做，在充填施工時，要防止漏料和固形層變形。充填施工時，應用木板條輕輕拍擊固形層，以保證充填密實。當網與管道之間的下半部空間填滿后，從下面穿過金屬網及保溫層安設鍍鋅鐵絲吊件，并將吊件固定到管道上。然后，再填充上半部空間，填滿后，把固形層封口固定。在垂直管道上進行充填施工時，應設置防沉層。防沉層用硬質保溫制品制作，間隔高度為400mm～600mm。隨充填保溫到達防沉層高度時，把防沉層粘貼或支吊上去，再接著充填松散材料。

在管道外圍敷設的能起保溫、絕熱作用的層結構，一般由以下幾部分組成：1、防腐層：在管道外表面刷防銹漆兩遍；2、保溫層：保溫、絕熱材料層；3、防潮層：防止水汽進入保溫層，一般用油氈包捆，瀝青瑪碲脂涂縫，通常用于冷管道；4、保護層：保護保溫層不受損壞，通常用玻璃布纏繞于保間斷層表面；5、著色層：在保護層外涂規(guī)定顏色，以區(qū)別管道內的流質。