保溫層最佳保溫層厚度

我國(guó)寒冷地區(qū)的既有住宅建筑多屬磚混結(jié)構(gòu),建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能差、墻體不保溫,造成了全年采暖空調(diào)能耗居高不下。改進(jìn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能是節(jié)能改造的關(guān)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(duì)北方地區(qū)的城市居民樓簡(jiǎn)單的平屋頂住宅建筑進(jìn)行能耗模擬,通過比較幾組具有不同厚度保溫層的負(fù)荷指標(biāo),分析了保溫層厚度對(duì)建筑負(fù)荷的影響,并確定了最佳的經(jīng)濟(jì)保溫層厚度。保溫層“經(jīng)濟(jì)厚度”的計(jì)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(fèi)用、能源價(jià)格、貸款利率、導(dǎo)熱系數(shù)等經(jīng)濟(jì)因素對(duì)保溫層厚度的影響。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)（僅考慮屋頂）的采暖總耗費(fèi)的數(shù)學(xué)模型，得出了一個(gè)簡(jiǎn)單的保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的計(jì)算式。最后通過幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并推廣為其他常見保溫材料的最佳保溫層厚度，進(jìn)一步驗(yàn)證所得結(jié)論的正確與合理性。

目前，我國(guó)對(duì)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(jiǎn)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(shù)。外保溫與內(nèi)保溫相比，技術(shù)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(nèi)保溫的效果好。外保溫技術(shù)不僅適用于新建的結(jié)構(gòu)工程，也適用于舊樓改造，適用于范圍廣，技術(shù)含量高；外保溫包在主體結(jié)構(gòu)的外側(cè)，能夠保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)建筑物的壽命；有效減少了建筑結(jié)構(gòu)的熱橋，增加建筑的有效空間；同時(shí)消除了冷凝，提高了居住的舒適度。根據(jù)一系列的節(jié)能政策、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和強(qiáng)制性條文的指導(dǎo)下，我國(guó)住宅建設(shè)的節(jié)能工作不斷深入，節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，引進(jìn)開發(fā)了許多新型的節(jié)能技術(shù)和材料，在住宅建筑中大力推廣使用。但我國(guó)目前的建筑節(jié)能水平，還遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)建筑單位面積能耗仍是氣候相近的發(fā)達(dá)國(guó)家的3倍~5倍。北方寒冷地區(qū)的建筑采暖能耗已占當(dāng)?shù)厝鐣?huì)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(shí)給環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染。所以建筑節(jié)能還是本世紀(jì)我國(guó)建筑業(yè)的一個(gè)重要的課題。而同時(shí)墻體和屋頂作為建筑物的重要圍護(hù)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(shù)，于是針對(duì)增強(qiáng)保溫性能和節(jié)省熱能損失和能源浪費(fèi)，設(shè)計(jì)最佳保溫層厚度有著重要的意義。

建筑能耗在社會(huì)總能耗中占有很大的比例, 在西方發(fā)達(dá)國(guó)家, 建筑能耗占社會(huì)總能耗的 30 %～45 %,而我國(guó)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平和生活水平都還不高的情況下, 建筑能耗已占到社會(huì)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(yán)重的大氣污染。為了減少建筑能耗, 目前國(guó)家正在實(shí)施建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能。

墻體是外圍護(hù)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(fù)合墻體的保溫層厚度設(shè)計(jì)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(fèi)用, 但也會(huì)增加外墻的建設(shè)成本, 提高建設(shè)方的一次建設(shè)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(fèi)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(nèi)所造成的采暖能耗費(fèi)用和保溫層造價(jià)之和最低。

保溫層問題的重述

屋頂由里向外的結(jié)構(gòu)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(dá)到攝氏75度，冬季為攝氏零下40度。為了保持室內(nèi)有較好的舒適溫度，又不造成浪費(fèi)，設(shè)計(jì)最佳保溫層厚度及選擇最佳保溫材料。

保溫層模型假設(shè)

a. 假設(shè)研究對(duì)象為室內(nèi)空氣維持在設(shè)定適宜值的空調(diào)建筑。

b. 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，其中認(rèn)為冷風(fēng)滲透的耗熱量不直接影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻，而在計(jì)算保溫層最佳厚度時(shí)只考慮屋頂耗熱量的影響。

c. 假設(shè)屋頂結(jié)構(gòu)體及保溫層材料均勻，熱傳導(dǎo)系數(shù)是常數(shù)。

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

e. 室內(nèi)空氣與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面之間允許溫度差攝氏4度，即在冬季平頂屋室內(nèi)空氣比內(nèi)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(dá)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(shù)說明

Q 單位面積的透過屋頂損失的熱量，W/ m2

K 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）

ΔT 室內(nèi)外溫差，℃。

Qn 年采暖耗熱量，J/m2

HDD 采暖度日數(shù)，℃·d

Ri 由里到外屋頂結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料的厚度，m

d 保溫層的厚度

i 材料各層的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m/K

λ 保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m/K

W 單位面積年采暖總費(fèi)用，￥/ m2；

WT 單位面積保溫層的投資費(fèi)用，￥/ m2；

WN 單位面積年采暖耗熱費(fèi)用

WY 單位面積采暖年運(yùn)行費(fèi)用，￥/ m2·a

PWF 貼現(xiàn)系數(shù)

i 銀行利潤(rùn)

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(jià)

C 單位時(shí)間的電價(jià),￥/h

H 空調(diào)單位面積單位時(shí)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(shù)，d

保溫層有關(guān)概念的定義

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

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

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

問題的分析

屋頂是建筑物的重要圍護(hù)結(jié)構(gòu),為確保其保持室溫,減少熱損的功能. 尤其是在嚴(yán)寒地區(qū),在保證寒冷地區(qū)冬季室內(nèi)氣溫達(dá)到應(yīng)有的標(biāo)準(zhǔn)的情況下，還需把其采暖費(fèi)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(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(jià)和采暖系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用也相應(yīng)降低；但同時(shí)，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d ，使建筑物總費(fèi)用（建造費(fèi)用和經(jīng)營(yíng)費(fèi)用之和）最小。于是考慮建立關(guān)于總費(fèi)用W的目標(biāo)函數(shù)，其包括保溫層的投資費(fèi)用和采暖耗熱費(fèi)用，其中對(duì)于采暖好熱費(fèi)用，考慮經(jīng)濟(jì)和節(jié)能，采用生命周期法，建立節(jié)能建筑設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。建立關(guān)于保溫層厚度d的關(guān)系式，得到計(jì)算經(jīng)濟(jì)厚度的關(guān)系，使得目標(biāo)函數(shù)W最小，對(duì)應(yīng)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(shí)只需替代導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)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(shí)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(zhǎng)，擠塑板次之，苯板最差；

價(jià)格：聚氨酯泡沫最高，擠塑板次之，苯板最低；

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

保溫層模式的改進(jìn)和推廣

對(duì)于室內(nèi)外的溫差計(jì)算，本文采用室內(nèi)達(dá)到適宜溫度時(shí)與外界最高溫差的一半作為一段時(shí)間內(nèi)的平均溫差，然而實(shí)際上溫度差隨著外界氣候、環(huán)境、時(shí)間等因素時(shí)刻發(fā)生變化。為此，對(duì)于室外溫差的計(jì)算應(yīng)考慮建立動(dòng)態(tài)負(fù)荷和保溫層厚度之間的關(guān)系式。

本文是是著重從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度來確定最佳保溫層厚度。然而實(shí)際上保溫層厚度的選擇不僅關(guān)系到節(jié)約能源問題，同時(shí)也關(guān)系到環(huán)境保護(hù)問題，能源日益短缺的及國(guó)內(nèi)乃至世界日趨嚴(yán)重的近日更加顯得重要和必須。倘若在圍護(hù)保溫層材料的選擇上考慮其對(duì)環(huán)境的影響，以及其所需消耗熱源燃料產(chǎn)生的污染物量進(jìn)行評(píng)估，使得選取的厚度在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的效益最佳。

在設(shè)置集中采暖的建筑物，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻除了根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的比較確定，而且要符合國(guó)家有關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)于居住平頂屋等建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最小熱阻應(yīng)按一下計(jì)算公式計(jì)算的結(jié)構(gòu)進(jìn)行附加，其最小的傳熱阻按以下計(jì)算確定：

Rmin——圍護(hù)結(jié)構(gòu)最小傳熱阻（m2·K/W）

ti——冬季室內(nèi)計(jì)算溫度，一般取20°C。

te——圍護(hù)結(jié)構(gòu)冬季室外計(jì)算溫度，單位：°C。

n——溫差修正數(shù)系數(shù)，外墻，平屋頂取1.00。

ΔT——室內(nèi)空氣與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面之間的允許溫差°C。

Rk——圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱阻（m2·K/W）

于是，在所建模型中增加評(píng)估條件：最小保溫層厚度d應(yīng)滿足 ，這在實(shí)際工程中，對(duì)于圍護(hù)保溫層的厚度確定亦有著重要的意義。

保溫層評(píng)價(jià)與分析

由于實(shí)際情況的千變?nèi)f化，因此我們得到的數(shù)據(jù)和假定的在實(shí)際操作中總存在著微小的誤差，因此一個(gè)好的模型絕不能由這些微小變動(dòng)而導(dǎo)致結(jié)果的較大改變。為了我們所做的模型能進(jìn)行比較全面的測(cè)試，同時(shí)考慮到實(shí)際情況，我們選用適宜參數(shù)的條件下，設(shè)定了一些合理的初始條件，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模型檢驗(yàn)，得到包括珍珠保溫層在內(nèi)的一系列保溫材料的最佳保溫厚度，并且其計(jì)算結(jié)果亦與實(shí)際工程設(shè)計(jì)中采用的保溫層厚度比較接近。

保溫層厚度的選擇關(guān)系到節(jié)能建筑的造價(jià)和運(yùn)行成本的經(jīng)濟(jì)性問題。生命周期耗費(fèi)分析法計(jì)算保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的數(shù)學(xué)模型，考慮了建筑物在其生命周期中的采暖能耗，具有科學(xué)簡(jiǎn)單、方便等特點(diǎn)。當(dāng)缺少采暖系統(tǒng)數(shù)據(jù)資料時(shí)，利用設(shè)計(jì)規(guī)范針對(duì)性和適應(yīng)性較好，對(duì)于工程設(shè)計(jì)具有一定的參考和應(yīng)用價(jià)值，可用于新建或舊有建筑改造以及新型保溫材料的設(shè)計(jì)計(jì)算。但是在呼吁以人為本，全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的今天，從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境兩方面綜合考慮保溫層厚度，應(yīng)該更為合理，意義更為重大。

首先保溫層分為內(nèi)墻保溫和外墻保溫。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源形勢(shì)嚴(yán)峻，建筑節(jié)能已成為當(dāng)今世界發(fā)展的潮流，更是當(dāng)今世界發(fā)展的需要。在國(guó)內(nèi)外，目前應(yīng)用最多的建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，降低建筑能耗。對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)保溫層厚度的研究已成為一個(gè)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(gòu)造層。依據(jù)國(guó)家頒布的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，從2001年10月1日起規(guī)定，新規(guī)劃的樓盤必須強(qiáng)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(shè)備及管道經(jīng)常處在散熱損失最小的經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下運(yùn)行，就必須選擇合理的保溫層和經(jīng)常做好保溫層的維護(hù)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(shù)要求基本上與新敷設(shè)時(shí)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(shè)備外壁嚴(yán)密敷設(shè)，以減少設(shè)備內(nèi)的熱量傳外敵失。如主保溫層有裂縫或脫落等現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)或重新敷設(shè)，敷設(shè)工藝及要求如下：

(1)在對(duì)設(shè)備及管道敷設(shè)主保溫層前，應(yīng)先將被保溫設(shè)備表面上的舊保溫層、灰塵和銹垢等雜物清除干凈，并按設(shè)計(jì)要求涂刷防腐劑，待干燥后，再行施工。

(2)凡對(duì)直立的管道或設(shè)備敷設(shè)主保溫層時(shí)，每隔2-3米，應(yīng)裝設(shè)一個(gè)分段承重托架，其寬度可稍小于主保溫層。

(3)對(duì)大型設(shè)備或直徑在650毫米及以上的管道(汽包除外)敷設(shè)主保溫層時(shí)，必須焊接鉤釘。在壁厚等于或小于4毫米的設(shè)缶上焊接鉤釘時(shí)，應(yīng)在設(shè)備或管道進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)前進(jìn)行。段備上施敷主保溫層，應(yīng)在嚴(yán)密性試驗(yàn)后進(jìn)行。

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

(5)為使主保溫層牢固不脫落，應(yīng)用鍍鋅鐵絲或鐵絲網(wǎng)將敷設(shè)或修補(bǔ)部分緊緊地包裹住。

(6)主保溫層必須保證有高度的密實(shí)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(zhì)保溫制品的保溫層，安裝時(shí)，要把其制品如瓦在被包復(fù)的鋼管上旋扭磨擦三次以上再就位，以保證弧度一致，結(jié)合嚴(yán)密；水平管縱向接縫位置應(yīng)偏離管道垂直中心線。對(duì)于單層雙瓦組合，縱縫要布在管中心豎直線45度以外；對(duì)于多層、多瓦組合，縱縫也應(yīng)偏離管道垂直中心線。

一般可采用16號(hào)至18號(hào)鍍鋅鐵絲雙股捆扎捆扎的間距不應(yīng)大于400mm。如公稱直徑等于或大于600mm的管道或相應(yīng)設(shè)備，除一般捆扎外，要另用10號(hào)至14號(hào)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(zhǎng)度應(yīng)為帶寬的1/2，纏時(shí)要拉緊。每條帶纏完后，應(yīng)用鍍鋅鐵絲捆扎到管道上，再接纏第二條；纏第二層時(shí)，要壓第一層的縫纏繞。用保溫繩纏繞時(shí)，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(wù)使繩子付在管子上轉(zhuǎn)動(dòng)，繩股之間無間隙。繩的表面要復(fù)蓋織物，并縫起來。也可在繩上敷設(shè)金屬網(wǎng)，在網(wǎng)上抹灰，最后進(jìn)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(shí)，應(yīng)設(shè)置固形層(亦稱支承圈)?？捎?0×10×1～20×20×1的平織鐵絲網(wǎng)或直接用金屬保護(hù)層制做，在充填施工時(shí)，要防止漏料和固形層變形。充填施工時(shí)，應(yīng)用木板條輕輕拍擊固形層，以保證充填密實(shí)。當(dāng)網(wǎng)與管道之間的下半部空間填滿后，從下面穿過金屬網(wǎng)及保溫層安設(shè)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(jìn)行充填施工時(shí)，應(yīng)設(shè)置防沉層。防沉層用硬質(zhì)保溫制品制作，間隔高度為400mm～600mm。隨充填保溫到達(dá)防沉層高度時(shí)，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(shè)的能起保溫、絕熱作用的層結(jié)構(gòu)，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(jìn)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(hù)層：保護(hù)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(hù)層外涂規(guī)定顏色，以區(qū)別管道內(nèi)的流質(zhì)。