CN112035924A - 一种优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法，包括：计算得到围护结构的经济保温热阻及某朝向的围护结构的室外综合温度；确定围护结构的结构参数和保温层的结构参数，并计算得到非平衡保温下计算面围护结构面积和围护结构总面积比、保温层和墙体材料的导热系数比、保温层和外装饰的导热系数比；根据经济保温热阻、围护结构的室外综合温度、围护结构的结构参数、保温层的结构参数、非平衡保温下计算面围护结构面积和围护结构总面积比、保温层和墙体材料的导热系数比、保温层和外装饰的导热系数比计算某朝向保温层最优的厚度。可以精确地确定差异化保温的的厚度，使围护结构既能满足人体舒适又能满足热工需求，更加经济节能。

Description

一种优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法

技术领域

本发明属于建筑热工与建筑节能技术领域，具体涉及一种优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法。

背景技术

我国现行的《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(下称《节能标准》)缓解了我国严寒和寒冷地区居住建筑采暖能耗大、热环境质量差的问题，通过在建筑采暖设计中采用有效的技术措施，将采暖能耗控制在规定水平内；《建筑热工设计规范》(下称《热工规范》)使民用建筑热工设计与地区气候相适应，保证室内基本热环境要求，主要适用于夏热冬冷地区、夏热冬暖以及温和地区。按目前《热工规范》规定，建筑围护各个方向外墙传热系数限值统一的、无差别的，与朝向无关，这种规定源于无朝向差别的室内、外空气计算温度。《节能标准》认为围护结构传热仅仅是由于两侧空气温差引起的。但对于太阳能富集(我国青藏高原西部、新疆南部、甘肃北部、宁夏北部等)地区而言，其太阳能资源丰富、往往日较差大、不同朝向室外综合温度差异大，此类地区太阳辐射对不同朝向外墙的传热过程影响很大。虽然，现行《暖通空调》设计规范通过朝向修正了对负荷进行了修正，但未对建筑保温、建筑热工做特殊的要求。因此，现行《节能标准》、《热工规范》等暖通空调相关标准规范更符合在非太阳能富集地区的设计要求，而对于太阳能富集地区应该充分考虑太阳辐射对建筑物冬季能耗的有利因素，对朝向差异化围护结构实行非平衡保温。

但现有技术无法针对外墙的内保温层进行厚度的控制，对太阳能的利用效率底，建筑物的能耗高，无法达到节能的最优化。因此，通过朝向差异化围护结构经济保温热阻计算方法来确定非平衡保温各方向保温结构及其厚度，对于太阳能富集地区建筑保温设计具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法，为朝向差异化围护结构经济保温热阻的确定提供重要的理论基础，提高太阳能的利用效率，减少建筑物的能耗。

为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法，包括：

1)计算得到围护结构的经济保温热阻及某朝向的围护结构的室外综合温度；

2)确定围护结构的结构参数和保温层的结构参数，并计算得到非平衡保温下计算面围护结构面积和围护结构总面积比、保温层和墙体材料的导热系数比、保温层和外装饰的导热系数比；

3)根据经济保温热阻、围护结构的室外综合温度、围护结构的结构参数、保温层的结构参数、非平衡保温下计算面围护结构面积和围护结构总面积比、保温层和墙体材料的导热系数比、保温层和外装饰的导热系数比计算某朝向保温层的最优厚度，使施工中的实际某朝向保温层厚度等于该某朝向保温层的最优厚度。

进一步的，步骤1)中，所述围护结构的经济保温热阻计算公式为：

式中：C_f—当地电价，元/kWh；PWF—贴现系数，即将资金的将来值折算成现值；η_h—采暖设备效率；CDD—所选地区空调度日数，℃·d；η_c—空调设备效率；HDD—所选地区采暖度日数，℃·d；κ—单位热阻时单位面积的初期投资，元·W/m²·℃。

进一步的，引进相对通货膨胀率改进的银行利率I，所述贴现系数PWF用下式计算：

1)当g<i时，I＝(i-g)/(1+g)；当g>i时，I＝(g-i)/(1+i)；此时，PWF＝[1-(1+I)^-N]/I；

2)当g＝i时，PWF＝(1+i)^-N；

上列式中：g—通货膨胀率；i—银行贷款利率；I—改进的银行利率；N—使用年限，年。

单位热阻时单位面积的初期投资κ按下式计算：

式中：F—为外围护结构面积，m²；R₀—实际建筑的总热阻，℃/W；S—初期投资，元，只包括围护结构建造费用及采暖空调设备费用。

进一步的，步骤1)中，所述围护结构包括围护结构墙体、保温层和外装饰；所述围护结构墙体包括：北外墙、东外墙、南外墙、西外墙。

进一步的，步骤1)中，所述某朝向的围护结构的室外综合温度用以下公式计算：

式中：t_ZX—某朝向室外综合温度，℃；t_a—室外空气温度，℃；I_X—某朝向围护结构单位外表面积所受到的太阳总辐射，W/m²；ρ—围护结构外表面对太阳辐射的吸收率，取0.7；α_a—壁表面总换热系数，取23.3W/(m²·K)；q_e有效辐射或夜间辐射，W/m²。

进一步的，步骤2)中：

进一步的，保温层采用统一保温材料，导热系数为λ_b，北外墙的内保温厚度为δ_bN，东外墙的内保温厚度为δ_bE，南外墙的内保温厚度为δ_bS，西外墙的内保温厚度为δ_bW；

围护结构墙体采用统一材料，导热系数为λ_w；北外墙的厚度为δ_wN，东外墙的厚度为δ_wE，南外墙的厚度为δ_wS，西外墙的厚度为δ_wW；

外装饰采用统一材料，导热系数为λ_s；北外墙的外装饰材料厚度为δ_sN，东外墙的装饰材料厚度为δ_sE，南外墙的装饰材料厚度为δ_sS，西外墙的装饰材料厚度为δ_sW。

进一步的，非平衡保温下计算面围护结构面积和总面积比：α_X＝F_X/F。

进一步的，保温层和墙体材料的导热系数比：β＝λ_b/λ_w。

进一步的，保温层和外装饰的导热系数比：γ＝λ_b/λ_s。

进一步的，步骤3)中，采用下式计算某朝向的保温层最优的厚度：

式中：X—所需计算保温层厚度的方向，北向为N，东向为E，南向为S，西向为W；δ_bX—非平衡保温下计算面保温层的厚度，m；λ_b—非平衡保温下计算面保温层所选材料对应的导热系数，W/m·℃；δ_wX—非平衡保温下计算面外墙的厚度，m；δ_sX—非平衡保温下计算面外装饰的厚度，m；t_i—室内空气温度，℃；t_a—室外空气温度，℃；t_ZX—计算面空气室外综合温度，℃；R_J—经济热阻，℃/W；F_X—非平衡保温下计算墙面面积，m²；F—外围护结构总面积，m²；式中三个系数：α_X—非平衡保温下计算面围护结构面积和总面积比；β—保温层和墙体材料的导热系数比；γ—保温层和外装饰的导热系数比。

本发明有益效果如下：

1、本发明方法基于各向外墙等热流密度，结合室外空气综合温度和经济保温热阻给出了一套朝向差异化围护结构厚度的计算公式；传统计算方法比较复杂，此方法在得出经济热阻后只需要确定α_X，β，γ三个系数，便可以计算出各向维护结构保温材料的厚度，简便快捷节省成本。

2、本发明方法可以较为精确地确定差异化保温的的厚度，使得建筑围护结构既能满足人体舒适又能满足热工需求，同时减少了热量损耗，满足经济性要求，更加经济节能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例中北面围护结构传热模型图；

图2是本发明实施例中东面围护结构传热模型图；

图3是本发明实施例中南面围护结构传热模型图；

图4是本发明实施例中西面围护结构传热模型图；

图5是本发明实施例中各向围护结构传热热阻模型图；

图6是本发明实施例中太阳辐射围护结构示意图；

图7是本实施例提供的方法流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

本发明实施例提供了一种优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法，基于各向外墙等热流密度，结合室外空气综合温度和经济保温热阻给出了一套朝向差异化围护结构厚度的计算公式；传统计算方法比较复杂，此方法在得出经济热阻后只需要确定α_X，β，γ三个系数，便可以计算出各向维护结构保温材料的厚度，简便快捷节省成本。可以较为精确地确定差异化保温的的厚度，使得建筑围护结构既能满足人体舒适又能满足热工需求，同时减少了热量损耗，满足经济性要求，更加经济节能。

具体如下：

(一)、

一种优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法，包括：

S1计算得到围护结构的经济保温热阻；

所述围护结构的经济保温热阻计算公式为：

式中：C_f—当地电价，元/kWh；PWF—贴现系数，即将资金的将来值折算成现值；η_h—采暖设备效率；CDD—所选地区空调度日数，℃·d；η_c—空调设备效率；HDD—所选地区采暖度日数，℃·d；κ—单位热阻时单位面积的初期投资，元·W/m²·℃。

引进相对通货膨胀率改进的银行利率I，所述贴现系数PWF用下式计算：

1)当g<i时，I＝(i-g)/(1+g)；当g>i时，I＝(g-i)/(1+i)；此时，PWF＝[1-(1+I)^-N]/I；

2)当g＝i时，PWF＝(1+i)^-N；

上列式中：g—通货膨胀率；i—银行贷款利率；I—改进的银行利率；N—使用年限，年。

单位热阻时单位面积的初期投资κ按下式计算：

式中：F—为外围护结构面积，m²；R₀—实际建筑的总热阻，℃/W；S—初期投资，元，只包括围护结构建造费用及采暖空调设备费用。

所述围护结构包括围护结构墙体、保温层和外装饰；所述围护结构墙体包括：东外墙、西外墙、南外墙、北外墙。所述围护结构分为北面围护结构、东面围护结构、南面围护结构、西面围护结构等。

S2计算得到某朝向的围护结构的室外综合温度；

所述某朝向的围护结构的室外综合温度用以下公式计算：

式中：t_ZX—某朝向室外综合温度，℃；t_a—室外空气温度，℃；I_X—某朝向围护结构单位外表面积所受到的太阳总辐射，W/m²；ρ—围护结构外表面对太阳辐射的吸收率，取0.7；α_a—壁表面总换热系数，取23.3W/(m²·K)；q_e有效辐射或夜间辐射，W/m²。

S3确定围护结构的结构参数和保温层的结构参数，并计算得到非平衡保温下计算面围护结构面积和围护结构总面积比、保温层和墙体材料的导热系数比、保温层和外装饰的导热系数比；

保温层采用统一保温材料，导热系数为λ_b，北外墙的内保温厚度为δ_bN，东外墙的内保温厚度为δ_bE，南外墙的内保温厚度为δ_bS，西外墙的内保温厚度为δ_bW；

围护结构墙体采用统一材料，导热系数为λ_w；北外墙的厚度为δ_wN，东外墙的厚度为δ_wE，南外墙的厚度为δ_wS，西外墙的厚度为δ_wW；

外装饰采用统一材料，导热系数为λ_s；北外墙的外装饰材料厚度为δ_sN，东外墙的装饰材料厚度为δ_sE，南外墙的装饰材料厚度为δ_sS，西外墙的装饰材料厚度为δ_sW；

非平衡保温下计算面围护结构面积和总面积比：α_X＝F_X/F；

保温层和墙体材料的导热系数比：β＝λ_b/λ_w；

保温层和外装饰的导热系数比：γ＝λ_b/λ_s。

S4根据经济保温热阻、围护结构的室外综合温度、围护结构的结构参数、保温层的结构参数、非平衡保温下计算面围护结构面积和围护结构总面积比、保温层和墙体材料的导热系数比、保温层和外装饰的导热系数比计算某朝向保温层的最优厚度，，使施工中的实际某朝向保温层厚度等于该某朝向保温层的最优厚度。

采用下式计算保温层厚度：

式中：X—所需计算保温层厚度的方向，北向为N，东向为E，南向为S，西向为W；δ_bX—非平衡保温下计算面保温层的厚度，m；λ_b—非平衡保温下计算面保温层所选材料对应的导热系数，W/m·℃；δ_wX—非平衡保温下计算面外墙的厚度，m；δ_sX—非平衡保温下计算面外装饰的厚度，m；t_i—室内空气温度，℃；t_a—室外空气温度，℃；t_ZX—计算面空气室外综合温度，℃；R_J—经济热阻，℃/W；F_X—非平衡保温下计算墙面面积，m²；F—外围护结构总面积，m²；式中三个系数：α_X—非平衡保温下计算面围护结构面积和总面积比；β—保温层和墙体材料的导热系数比；γ—保温层和外装饰的导热系数比；注：上述热阻除了经济热阻外其他都为单位面积热阻。

(二)、

在非平衡保温条件下，为计算方便以及更好的和现有标准相衔接，以方便设计人员使用，依然按照等传热热流强度原则分析传热系数限值。即：q_N＝q_E＝q_S＝q_W＝q_J；

式中：q_N—非平衡保温下北面围护结构的热流密度，W/m²；q_E—非平衡保温下东面围护结构的热流密度，W/m²；q_S—非平衡保温下南面围护结构的热流密度，W/m²；q_W—非平衡保温下西面围护结构的热流密度，W/m²；q_J—非平衡保温下经济热阻对应的最小的热流密度， W/m²；

非平衡保温热阻有如下关系式：

各向围护结构总热阻可用下式计算：

式中：X—所需计算保温层厚度的方向，北向为N，东向为E，南向为S，西向为W；F_X—非平衡保温下计算墙面面积，m²；F—外围护结构总面积，m²；

R_qX—计算面围护结构其他项总热阻，℃/W，可用下式计算：

其中北面围护结构其他项热阻为：

式中：h_in—围护结构内表面换热系数，W/m²·℃；h_out—围护结构外表面换热系数，W/m²·℃；根据民用建筑热工设计规范GB50176-2016，内外表面换热阻分别取0.11和0.04m²·K·W^-1；δ_wN—北外墙厚度，m；λ_wN—北外墙所用建筑材料的导热系数，W/m·℃；δ_sN—北外墙外装饰材料总厚度，m；λ_sN—北外墙外装饰材料的导热系数，W/m·℃；F_N—北外墙面积，m²；

其中东面围护结构其他项热阻为：

式中：h_in—围护结构内表面换热系数，W/(m²·K)；h_out—围护结构外表面换热系数， W/(m²·K)；根据民用建筑热工设计规范GB50176-2016，内外表面换热阻分别取0.11和0.04m²·K·W^-1；δ_wE—东外墙厚度，m；λ_wE—东外墙所用建筑材料的导热系数，W/m·℃；δ_sE—东外墙外装饰材料总厚度，m；λ_sE—东外墙外装饰材料的导热系数，W/m·℃；F_E—东外墙面积，m²；

其中南面围护结构其他项热阻为：

式中：h_in—围护结构内表面换热系数，W/(m²·K)；h_out—围护结构外表面换热系数， W/(m²·K)；根据民用建筑热工设计规范GB50176-2016，内外表面换热阻分别取0.11和0.04m²·K·W^-1；δ_wS—南外墙厚度，m；λ_wS—南外墙所用建筑材料的导热系数，W/m·℃；δ_sS—南外墙外装饰材料总厚度，m；λ_sS—南外墙外装饰材料的导热系数，W/m·℃；F_S—南外墙面积，m²；

其中西面围护结构其他项热阻为：

式中：h_in—围护结构内表面换热系数，W/(m²·K)；h_out—围护结构外表面换热系数， W/(m²·K)；根据民用建筑热工设计规范GB50176-2016，内外表面换热阻分别取0.11和0.04m²·K·W^-1；δ_wW—西外墙厚度，m；λ_wW—西外墙所用建筑材料的导热系数，W/m·℃；δ_sW—西外墙外装饰材料总厚度，m；λ_sW—西外墙外装饰材料的导热系数，W/m·℃；F_W—西外墙面积，m²；

根据规范西藏自治区民用建筑节能设计标准DBJ540001-2016，严寒(A)区外墙传热系数限值为0.35W/(m²·K)，严寒(B)区外墙传热系数限值为0.4W/(m²·K)；即：

以此限定保温材料的最小厚度。

(三)、

以拉萨地区为例，拉萨在建筑热工上属于寒冷地区，选取一典型条形单层建筑；南北朝向，建筑南向开大窗，且窗、门面积占墙体面积的50％，东西向和北向不开窗，层高3.0m，单层建筑面积128m²，东西长度16m，南北长度8m，外墙墙体材料采用灰砂砖，厚度为370mm，导热系数为1.1W/m·K；内保温材料为EPS保温板，导热系数为0.041W/m·K；外装饰采用材料为水泥砂浆，内外各为20mm厚，导热系数为0.93W/m·K。其单位面积总热阻为11.44K/(W·m²)，折合成单位面积外墙的初期投资为205元/m²进行实例计算，其各向围护结构如图1，图2，图3，图4所示建立模型，拉萨采暖度日数为6535.556℃·d；拉萨地区电价为0.4493元/kWh。采暖设备效率为4，当前国家年贷款利率i＝6.21％,通货膨胀率g＝2％,使用年限N取为20年，则PWF＝13.44。

计算重要系数：

α_N＝F_N/F＝48/120＝0.4；

α_E＝F_E/F＝24/120＝0.2；

α_S＝F_S/F＝24/120＝0.2；

α_W＝F_W/F＝24/120＝0.2；

β＝λ_b/λ_w＝0.041/1.1＝0.037；

γ＝λ_b/λ_s＝0.041/0.93＝0.044；

室内空气温度t_i取18℃；

室外空气温度t_a取-6℃；

计算拉萨地区各朝向室外空气综合温度：

北向室外综合温度t_ZN＝2.1℃；

东向室外综合温度t_ZE＝4.5℃；

南向室外综合温度t_ZS＝8℃；

西向室外综合温度t_ZW＝3.9℃；

围护结构热阻模型如图5，图6，图7所示，将上述参数代入以下计算公式：

即北面外墙保温层的厚度为400mm；

即东面外墙保温层的厚度为170mm；

即南面外墙保温层的厚度为120mm；

即西面外墙保温层的厚度为180mm；

满足热工需求的最小保温层厚度为：

即100mm；

可见上述所计算保温厚度均满足要求。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法，其特征在于，包括：

1)计算得到围护结构的经济保温热阻及某朝向的围护结构的室外综合温度；

2)确定围护结构的结构参数和保温层的结构参数，并计算得到非平衡保温下计算面围护结构面积和围护结构总面积比、保温层和墙体材料的导热系数比、保温层和外装饰的导热系数比；

3)根据经济保温热阻、围护结构的室外综合温度、围护结构的结构参数、保温层的结构参数、非平衡保温下计算面围护结构面积和围护结构总面积比、保温层和墙体材料的导热系数比、保温层和外装饰的导热系数比计算某朝向保温层的最优厚度，使施工中的实际某朝向保温层厚度等于该某朝向保温层的最优厚度。

2.根据权利要求1所述的优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法，其特征在于，步骤1)中，所述围护结构的经济保温热阻计算公式为：

式中：C_f—当地电价，元/kWh；PWF—贴现系数，即将资金的将来值折算成现值；η_h—采暖设备效率；CDD—所选地区空调度日数，℃·d；η_c—空调设备效率；HDD—所选地区采暖度日数，℃·d；κ—单位热阻时单位面积的初期投资，元·W/m²·℃。

3.根据权利要求2所述的优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法，其特征在于，引进相对通货膨胀率改进的银行利率I，所述贴现系数PWF用下式计算：

1)当g<i时，I＝(i-g)/(1+g)；当g>i时，I＝(g-i)/(1+i)；此时，PWF＝[1-(1+I)^-N]/I；

2)当g＝i时，PWF＝(1+i)^-N；

上列式中：g—通货膨胀率；i—银行贷款利率；I—改进的银行利率；N—使用年限，年；

单位热阻时单位面积的初期投资κ按下式计算：

式中：F—为外围护结构面积，m²；R₀—实际建筑的总热阻，℃/W；S—初期投资，元，只包括围护结构建造费用及采暖空调设备费用。

4.根据权利要求1所述的优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法，其特征在于，步骤1)中，所述围护结构包括围护结构墙体、保温层和外装饰；所述围护结构墙体包括：东外墙、西外墙、南外墙、北外墙。

5.根据权利要求1所述的优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法，其特征在于，步骤1)中，所述某朝向的围护结构的室外综合温度用以下公式计算：

式中：t_ZX—某朝向室外综合温度，℃；t_a—室外空气温度，℃；I_X—某朝向围护结构单位外表面积所受到的太阳总辐射，W/m²；ρ—围护结构外表面对太阳辐射的吸收率，取0.7；α_a—壁表面总换热系数，取23.3W/(m²·K)；q_e有效辐射或夜间辐射，W/m²。

6.根据权利要求5所述的优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法，其特征在于，步骤2)中：

保温层采用统一保温材料，导热系数为λ_b，北外墙的内保温厚度为δ_bN，东外墙的内保温厚度为δ_bE，南外墙的内保温厚度为δ_bS，西外墙的内保温厚度为δ_bW；

围护结构墙体采用统一材料，导热系数为λ_w；北外墙的厚度为δ_wN，东外墙的厚度为δ_wE，南外墙的厚度为δ_wS，西外墙的厚度为δ_wW；

外装饰采用统一材料，导热系数为λ_s；北外墙的外装饰材料厚度为δ_sN，东外墙的装饰材料厚度为δ_sE，南外墙的装饰材料厚度为δ_sS，西外墙的装饰材料厚度为δ_sW。

7.根据权利要求4所述的优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法，其特征在于，非平衡保温下计算面围护结构面积和总面积比：α_X＝F_X/F。

8.根据权利要求4所述的优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法，其特征在于，保温层和墙体材料的导热系数比：β＝λ_b/λ_w。

9.根据权利要求4所述的优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法，其特征在于，保温层和外装饰的导热系数比：γ＝λ_b/λ_s。

10.根据权利要求1所述的优化朝向差异化围护结构保温层厚度的方法，其特征在于，步骤3)中，采用下式计算某朝向的保温层最优的厚度：

式中：X—所需计算保温层厚度的方向，北向为N，东向为E，南向为S，西向为W；δ_bX—非平衡保温下计算面保温层的厚度，m；λ_b—非平衡保温下计算面保温层所选材料对应的导热系数，W/m·℃；δ_wX—非平衡保温下计算面外墙的厚度，m；δ_sX—非平衡保温下计算面外装饰的厚度，m；t_i—室内空气温度，℃；t_a—室外空气温度，℃；t_ZX—计算面空气室外综合温度，℃；R_J—经济热阻，℃/W；F_X—非平衡保温下计算墙面面积，m²；F—外围护结构总面积，m²；式中三个系数：α_X—非平衡保温下计算面围护结构面积和总面积比；β—保温层和墙体材料的导热系数比；γ—保温层和外装饰的导热系数比。

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