■ 崔寶霞 陳小娟 金國輝 尚琪 梁娜飛

內蒙古科技大學土木工程學院 包頭 014010

0 引言

我國嚴寒地區(qū)冬季嚴寒，夏季短暫。其中，內蒙古地區(qū)的采暖期長達半年之久，雖然日照資源充沛，但是晝夜溫差大。因此，為了保證居住建筑舒適的室內環(huán)境并減少建筑能耗，本文通過改變建筑圍護結構的熱工性能提高建筑圍護結構的保溫性。

目前，我國處于發(fā)展中國家和農業(yè)大國的發(fā)展階段，所以還有一半的住宅位于農村。由于農村住宅的布局比較分散，集中供暖比較困難，農民的節(jié)能意識比較淺薄，造成了能源消耗大，浪費嚴重等情況。而且，因為農民的收入水平低，只看重眼前的利益，所以人們幾乎不進行住宅圍護結構的優(yōu)化。HuaKeer Wang[1]通過對相變材料（PCM）的研究結果表明，當PCM 都集中到南墻時最經濟；沈亞倩[2]等利用DeST軟件分別對三步節(jié)能和四步節(jié)能進行能耗模擬與分析，得出四步更節(jié)能而且也更經濟；趙康[3]通過研究得出，在保溫材料中添加相變材料能夠有效的控制室溫，改變室內舒適度，而且其經濟價值能夠在使用年限中得到回收；孫立新[4]等將傳熱系數(shù)作為驗證保溫系統(tǒng)的適用性指標，研究建筑的全壽命周期；張垚、崔寶霞[5]利用等時效采暖的原理，研究了保溫材料在考慮經濟性時的最佳保溫厚度、總費用與凈現(xiàn)值，為快速確定建筑最優(yōu)保溫厚度提供了一種簡便方法；梁盼[6]通過對綠色建筑的節(jié)能性，通風系統(tǒng)，太陽能的利用率等方面的研究，得出綠色技術符合我國的經濟發(fā)展，而且對我國的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展有重要意義。王檡[7]通過對醫(yī)院建筑的節(jié)能關鍵技術與管理手段的剖析與探討，等出改造方案可以使醫(yī)院建筑的節(jié)能效果顯著提高。劉紅梅[8]通過對建筑節(jié)能技術的經濟性分析，得出節(jié)能技術帶來的經濟性可以促進相關政策的制定。以上研究都是先通過改變墻體材料與保溫材料的種類和厚度，然后再計算圍護結構的傳熱系數(shù)與整體的經濟性，這種方法不能準確地模擬墻體的最佳保溫系數(shù)。所以本文通過利用SPSS和MATLAB中的遺傳算法首先模擬出最優(yōu)的傳熱系數(shù)，再確定保溫層的厚度，解決了以上存在的問題。

本文對外圍護結構的四向墻體的傳熱系數(shù)對建筑能耗和經濟性的影響進行研究，通過對模擬數(shù)據(jù)的擬合，優(yōu)化出建筑成本比較經濟時四向墻體的最佳傳熱系數(shù)，對合理選擇和優(yōu)化建筑傳熱系數(shù)有著重要的指導作用。

1 構建物理模型

1.1 設計四向墻體傳熱系數(shù)的選擇方案

根據(jù)《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》對于嚴寒區(qū)圍護結構熱工性能參數(shù)的對頂進行取值，每向墻體的取值最低為0.05 W/(m2*k)，最高為2.15 W/(m2*k)，步長取0.35。使用優(yōu)選法進行方案設計共得到247 組方案，各向墻體傳熱系數(shù)的取值如表1所示。

1.2 建立典型民居住宅模型

本文選取烏拉特地區(qū)的典型民居，建筑物總面積96 m2，層高3 m，屋面為雙坡形式，北墻為370 mm 磚墻，東南西為240 mm 墻東西向不設窗，朝向正南，烏拉特地區(qū)典型民居模型如圖1所示。

由于本文研究外圍護結構的四向墻體的傳熱系數(shù)對對建筑能耗和經濟性的影響，因此主要通過改變外墻傳熱系數(shù)的方式進行模擬。其中本文墻體傳熱系數(shù)的變化是通過保溫材料的厚度的變化實現(xiàn)的。調查研究表明，EPS 保溫板運用范圍比較廣，占全國市場份額的40%，而XPS、巖棉、?；⒅楸厣皾{分別占市場份額的20%、22%和12%，而且EPS 保溫板的造價比較低，便于施工，能夠加快施工速度，而且有利于控制工程質量，所以，本文選取EPS作為保溫材料。

表1 四向墻體傳熱系數(shù)取值

圖1 烏拉特地區(qū)典型民居模型

2 優(yōu)化墻體的傳熱系數(shù)

雖然四向墻體的自變量取值范圍相同但不同變量之間取值的組合卻多種多樣，為了快速得到最優(yōu)解，借助MATLAB 優(yōu)化工具箱中的遺傳算法求解。它是通過模仿自然界的選擇與遺傳的機理來尋找最優(yōu)解，同時能夠避免求解過程中陷入局部最優(yōu)，從而使得解更加精確。通過遺傳算法求得四向墻體的最優(yōu)傳熱系數(shù)如圖2所示。

由圖2可知，南向墻體的傳熱系數(shù)降低了1.089K[W/(m2*k)]，東向墻體的傳熱系數(shù)降低了1.049 K[W/(m2*k)]，西向墻體的傳熱系數(shù)降低了1.029 K[W/(m2*k)]，北向墻體的傳熱系數(shù)降低了0.553 K[W/(m2*k)]，所以，經過優(yōu)化后墻體的傳熱系數(shù)都有了明顯的降低，墻體的保溫性能也大大提高了。

3 利用DeST軟件進行建筑能耗的模擬

墻體是建筑外圍護結構的重要組成部分，因此，墻體保溫性能的優(yōu)略對建筑物的冷熱負荷起到了決定性的作用。墻體傳熱系數(shù)不同，室內的能耗量也不盡相同，當墻體的傳熱系數(shù)不同時，DeST 軟件模擬的能耗量如表2所示。

由表2中可以看出，當墻體的傳熱系數(shù)是原始系數(shù)即西墻、東墻、南墻、北墻的傳熱系數(shù)分別是1.969 K[W/(m2*k)]、1.969 K[W/(m2*k)]、1.969 K[W/(m2*k)]、1.513 K[W/(m2*k)]時，室內的采暖能耗是154.50 kWh/m2，室內平均的PMV 是-1.74，整個采暖季消耗的煤是4.5 t；當墻體的傳熱系數(shù)是優(yōu)化系數(shù)即西墻、東墻、南墻、北墻的傳熱系數(shù)分別是0.94 K[W/(m2*k)]、0.92 K[W/(m2*k)]、0.88 K[W/(m2*k)]、0.96 K[W/(m2*k)]時，室內的采暖能耗是105.58 kWh/m2，室內平均PMV 是-1.52，整個采暖季消耗的煤是3.9 t。優(yōu)化后的室內采暖能耗減少了48.92 kWh/m2，室內的熱舒適性增加了0.22PMV，整個采暖季煤的消耗量節(jié)約了0.6 噸。所以，當四向墻體的傳熱系數(shù)進行優(yōu)化后，墻體的保溫效果有了明顯的提高，節(jié)約了能源的消耗量。

表2 民居能耗模擬分析

4 對優(yōu)化方案進行效益評價分析

本文主要對居住建筑節(jié)能優(yōu)化方案的經濟、環(huán)境、社會3 個方面進行效益評價分析，通過分析各效益自身的特點，點明優(yōu)化方案的可行性。

4.1 經濟效益分析

圍護結構的優(yōu)化不僅僅要優(yōu)化外圍護結構的傳熱保溫性能，同時還要在建筑節(jié)能的基礎上使得建筑物的成本最低。凈現(xiàn)值是指投資方案所產生的現(xiàn)金流量以資金成本為貼現(xiàn)率折現(xiàn)后與原始投資額現(xiàn)值的差額，凈現(xiàn)值大于零則方案可行，且凈現(xiàn)值越大方案越好，根據(jù)式（1）,（2）,（3）,（4）計算：

圖2 四向墻體的傳熱系數(shù)K［W/（m2*k）］

式中,NPVi是凈現(xiàn)值，元/m2；PWF是現(xiàn)值因子；CIi是第i種方案年增量投資收益，元/m2；COi是第i種方案初始增量費用，元/m2；M是生命周期維修費率，%；Cu是單位面積保溫材料建造費用，元/m2；S是保溫工程面積，m2；P是煤炭的價格，元/t;ΔEs是模擬節(jié)能量，kWh；η1是室外管網輸送效率；η2是鍋爐運行效率；Hc是標準煤熱值，KW·h/kg；g是能源價格增長率，%；d是折現(xiàn)率，%；n是保溫層周期壽命，a。

表3 計算參數(shù)及其數(shù)值

根據(jù)公式（1）,（2）,（3）,（4）和表3中的參數(shù)數(shù)值計算四向墻體不同傳熱系數(shù)時的凈現(xiàn)值NPVi，以NPV 作為最優(yōu)厚度確定準則，再通過MATLAB 進行數(shù)值模擬，并求出不同傳熱系數(shù)時保溫材料的厚度h。

擬合墻體保溫材料的厚度h(m)與墻體的傳熱系數(shù)Xi的關系如下：

式中：Xi為墻體傳熱系數(shù)，[W/(m2*k)]，i=東，西，南，北擬合凈現(xiàn)值與墻體保溫材料厚度h(m)的關系如下：

根據(jù)（5）～（6）的公式計算可知，當各墻體的傳熱系數(shù)是原始傳熱系數(shù)時，計算的整個圍護結構的單位面積的凈現(xiàn)值NPV1=123.44 元；當各墻體的傳熱系數(shù)是優(yōu)化后的傳熱系數(shù)時，計算的整個圍護結構的單位面積的凈現(xiàn)值NPV2=134.56元。

由上述分析求得，各方案的單位面積的能耗量與圍護結構的單位面積的凈現(xiàn)值后，可以根據(jù)價值工程原理，求得優(yōu)化方案的價值功能系數(shù)ΔV，根據(jù)功能系數(shù)ΔV的大小作為優(yōu)化方案是否可行的依據(jù)。

由上述分析計算可知，價值功能系數(shù)ΔV=4.40，方案優(yōu)化后的單位建筑面積的能源節(jié)約量，遠遠大于因為方案優(yōu)化單位建筑面積增加的成本，所以該優(yōu)化方案是可行的。

4.2 環(huán)境效益分析

由于近幾年我國工業(yè)與建筑業(yè)的快速發(fā)展，CO2、SO2等有害物質的過度排放，使我國的空氣遭到了嚴重的污染，所以為了改善環(huán)境質量，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和人與自然的和諧共處，我們因該減少有害物質的排放。本文通過優(yōu)化墻體傳熱系數(shù)，減少室內單位建筑面積的采暖能耗，較少煤的消耗量，從而降低CO2、SO2等有害物質的排放，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

根據(jù)上述模擬與計算可知，原始墻體傳熱系數(shù)的民居整個采暖季大約消耗4.5 t煤；優(yōu)化后的民居整個采暖季消耗的煤大約是3.9 t。據(jù)統(tǒng)計，我國工業(yè)鍋爐每燃燒1 t 煤大約產生2620kg 的CO2，8.5 kg 的SO2，7.4 kg 的NOx，5.5 kg 的煙塵。所以，原始方案與優(yōu)化方案整個采暖季燃燒煤產生的有害物質如表4所示.

表4 整個采暖季燃燒煤產生的有害物質

由表4可知，在整個采暖季中，優(yōu)化方案比原始方案產生的有害物質都有明顯的降低，其中CO2的產生量減少了1572 kg，SO2的產生量減少了5.10 kg，NOx的產生量減少了4.44 kg，煙塵的產生量減少了3.30 kg。由此可知，優(yōu)化后方案大大減少了有害物質的排放，改善了建筑物周圍的空氣環(huán)境，符合我國節(jié)能減排的政策要求，對我國建設綠水青山有重要意義。

4.3 社會效益分析

與經濟效益和環(huán)境效益相比，建筑節(jié)能對社會效益的影響并不是那么明顯直觀，但對我國農村住宅的持續(xù)發(fā)展至關重要。由于住宅建筑節(jié)能改造的前期費用比較高，這使得農村居民在建造的時候遠離了節(jié)能改造，所以想要推進農村建筑節(jié)能改造的發(fā)展，政府等部門的支持與鼓勵顯得尤為重要。即政府有關部門可以制定出有利于農村居住建筑節(jié)能改造的政策與法規(guī)，也可以通過稅收和補貼等優(yōu)惠政策為建筑節(jié)能創(chuàng)造一個良好的政策環(huán)境，加強對參與者的引導與激勵，最后，國家對于科技創(chuàng)新的補貼激勵政策同樣可以減少住宅建筑節(jié)能改造的前期成本投入，從而促進建筑節(jié)能的市場發(fā)展。

要推進農村住宅建筑節(jié)能的發(fā)展，不能只依靠政府的政策和補貼，還要農村居民意識到建筑節(jié)能對可持續(xù)發(fā)展的重要性。在可持續(xù)發(fā)展的過程中，政府要做到主導地位，積極的運用市場運作、政策法規(guī)、稅收補貼等優(yōu)惠政策，全面統(tǒng)籌發(fā)展，積極解決建筑節(jié)能在發(fā)展過程中遇到的各種風險和挑戰(zhàn)。在節(jié)能改造的過程中，農村居民要積極的配合節(jié)能改造的進程，不能盲目的聽從改造設計，要結合實際情況和了解改造效益的前提下，參與到節(jié)能改造的發(fā)展中。

建筑節(jié)能是我國建設節(jié)約、和諧社會的需要。我國21世紀以前建造的房屋與現(xiàn)在建設的房屋節(jié)能措施和節(jié)能狀況相差很大，為了滿足人們對房屋建筑的使用功能、舒適的居住環(huán)境和節(jié)約能源的要求，人們開始把目光轉移到建筑節(jié)能改造中，大大促進了建筑節(jié)能行業(yè)的發(fā)展。

5 結論

本文選取烏拉特地區(qū)的農村住宅為研究對象，分別從經濟、環(huán)境、社會3 個方面對優(yōu)化方案進行分析，得出以下結論：

（1）本文通過MATLAB 優(yōu)化后，得出室內單位面積的能耗量是105.58 kWh/m2，相對于原始傳熱系數(shù)的單位面積的能耗量減少了48.92 KWh/m2。在通過對圍護結構的經濟性分析，得出優(yōu)化后的整個圍護結構的單位面積的凈現(xiàn)值NPV1=134.56 元，原始的整個圍護結構的單位面積的凈現(xiàn)值NPV2=123.44元，所以，優(yōu)化后的單位面積的凈現(xiàn)值比原始的單位面積的凈現(xiàn)值增加了11.12元。通過價值工程分析可知，價值功能系數(shù)ΔV=4.40>1，所以從經濟方面可以得出，優(yōu)化方案是可行的。

（2）通過整個采暖季消耗煤的數(shù)量可知，優(yōu)化后產生的CO2、SO2、NOx和煙塵等有害物質的排放量都有顯著的減少，改善了建筑周圍的居住環(huán)境，對我國空氣質量的治理有顯著作用，符合我國節(jié)能減排的政策要求。節(jié)能優(yōu)化方案的可行性，同時也促進了我國對建筑節(jié)能相關政策的發(fā)展，也有利于制定建筑節(jié)能的稅收補貼等優(yōu)惠政策。而這些相關政策也反過來促進了建筑節(jié)能行業(yè)的發(fā)展。