摘要：為提高建筑外墻保溫隔熱節(jié)能效果，引入傳熱性能模型模擬建筑物的傳熱過程，識(shí)別建筑物節(jié)能潛力，并提供改進(jìn)建議，以減少能源消耗和碳排放。設(shè)計(jì)建筑傳熱性能模型模擬建筑物的傳熱過程；以傳熱性能模型為基礎(chǔ)，通過敏感性分析方法獲取外墻傳熱系數(shù)與輻射吸收系數(shù)；以能耗最小化和成本最低為目標(biāo)，構(gòu)建節(jié)能優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；通過考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用和施工工藝等方面調(diào)整墻面基體與保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)，解決導(dǎo)熱系數(shù)差異帶來的伸縮強(qiáng)度不一致，設(shè)計(jì)外墻保溫隔熱節(jié)能優(yōu)化方案。結(jié)果表明，該方法可有效降低建筑的供暖負(fù)荷、制冷負(fù)荷以及總負(fù)荷，提高建筑節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：傳熱性能模型；綠色建筑；外墻保溫隔熱；節(jié)能優(yōu)化；外墻傳熱系數(shù)

中圖分類號(hào)：TP391.92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）01-0161-05

Thermal insulation and energy efficiency of building external walls optimized based on heat transfer performance model

LI Jinqi1，2

（1.College of Architecture Science and Engineering，angzhou University，Yangzhou 225000，Jiangsu China；

2.Yancheng Chengtou Real Estate Group Co.，Ltd.，Yancheng 224000，Jiangsu China）

Abstract：In order to improve the energy saving effect of building exterior wall insulation，a heat transfer perfor?mance model was introduced to simulate the heat transfer process of the building，the energy saving potential of the building was identify，and improvement suggestions were provided to reduce energy consumption and carbon emis?sions.Design a building heat transfer performance model to simulate the heat transfer process of the building.Based on the heat transfer performance model，the sensitivity analysis method was used to obtain the heat transfer coeffi?cient and radiation absorption coefficient of the exterior wall.With the goal of minimizing energy consumption and minimizing costs，a energy-saving optimization objective function was constructed.By considering structural design，material selection，and construction technology，the thermal conductivity of the wall substrate and insulation board were adjusted to solve the inconsistent expansion and contraction strength caused by differences in thermal conduc?tivity，and an energy-saving optimization plan for external wall insulation and thermal insulation were designed.The results showed that this method can effectively reduce the heating load，cooling load，and total load of buildings，im?prove building energy savings，and provide high energy efficiency for buildings.

Key words：heat transfer performance model；green building；external wall thermal insulation；energy saving opti?mization；external wall heat transfer coefficient

綠色建筑是一種以降低對(duì)環(huán)境影響為目標(biāo)的建筑設(shè)計(jì)和建造方式[1，2]。綠色建筑通過改善空氣質(zhì)量、優(yōu)化照明和采光、降低噪音等因素來提高居住者的舒適感[3，4]。綠色建筑在設(shè)計(jì)時(shí)需要保證更低的能耗，從而進(jìn)一步提高建筑節(jié)能的可持續(xù)性[5]。有較多學(xué)者對(duì)節(jié)能方法進(jìn)行研究，如基于遺傳算法的智能建筑節(jié)能設(shè)計(jì)，該方法利用遺傳算法對(duì)節(jié)能方案進(jìn)行尋優(yōu)[6]；研究基于遺傳算法的高層住宅太陽(yáng)能光伏利用潛力參數(shù)化設(shè)計(jì)方法[7]；研究基于節(jié)能減碳及光環(huán)境性能優(yōu)化的辦公建筑設(shè)計(jì)[8]；研究基于隨機(jī)負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱泵熱水系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行策略優(yōu)化[9]。在建筑領(lǐng)域中，傳熱性能模型常用于評(píng)估建筑結(jié)構(gòu)、保溫隔熱材料和整體建筑系統(tǒng)的熱性能，用于設(shè)計(jì)高效節(jié)能的建筑[10，11]。為此，借助傳熱性能模型，設(shè)計(jì)綠色建筑外墻保溫隔熱節(jié)能優(yōu)化方法。

1建筑外墻保溫隔熱節(jié)能優(yōu)化

1.1建筑外墻能耗情況分析

為有效實(shí)現(xiàn)建筑外墻保溫隔熱節(jié)能優(yōu)化，分析綠色建筑在不同外墻傳熱系數(shù)L以及外墻外表面太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)φi情況下的能耗情況，構(gòu)建綠色建筑傳熱性能模型。

（1）假定綠色建筑屋面、外窗傳熱性能保持不變，以此為基礎(chǔ)評(píng)估建筑外墻傳熱性能與能耗之間的關(guān)系[12]。分析不同外墻傳熱系數(shù)下的建筑能耗，分析結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，隨著外墻傳熱系數(shù)的逐漸減小，建筑供冷能耗、供暖能耗以及總能耗均有所下降，說明外墻傳熱系數(shù)與建筑節(jié)能率成反比，外墻傳熱系數(shù)與建筑能耗影響的敏感性系數(shù)成反比，可見在較低的外墻傳熱系數(shù)下可以實(shí)現(xiàn)良好的建筑節(jié)能效果[13]。

（2）分析不同外墻外表面輻射吸收系數(shù)變化對(duì)建筑能耗的影響，分析結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)外墻外表面輻射吸收系數(shù)逐漸減小，建筑對(duì)日光輻射的吸收能力逐漸下降，導(dǎo)致建筑的整體能耗有所上升，而輻射吸收系數(shù)越小，對(duì)建筑能耗的敏感性系數(shù)也會(huì)越大，因此，在較大的輻射吸收系數(shù)下，建筑才能夠保持優(yōu)異的節(jié)能能力。

1.2綠色建筑傳熱性能模型構(gòu)建

建筑傳熱性能模型是一種用于評(píng)估綠色建筑在不同氣候條件下的能源效率和熱舒適性的工具[14]。傳熱性能模型可以幫助分析建筑物的能源利用情況，并確定能源消耗的主要來源[15]?？梢?，建筑傳熱性能模型對(duì)于提高建筑物外墻隔熱保溫節(jié)能效果至關(guān)重要[16]。因此，為便于后續(xù)綠色建筑外墻隔熱保溫節(jié)能優(yōu)化，在設(shè)計(jì)保溫隔熱節(jié)能優(yōu)化方法之前，先對(duì)綠色建筑傳熱性能模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用傳熱性能模型，評(píng)估綠色建筑在不同傳熱系數(shù)情況下的能源消耗，為后續(xù)節(jié)能設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)[17]。

假定綠色建筑結(jié)構(gòu)層內(nèi)部溫度十分均勻；假定密封保溫層可在短時(shí)間內(nèi)使傳熱過程維持穩(wěn)定。

假設(shè)綠色建筑外表面溫度為ψe；傳熱系數(shù)為α0；綠色建筑外墻材料導(dǎo)熱系數(shù)為φi；室外綜合溫度為Esa；外墻結(jié)構(gòu)層溫度為Em；結(jié)構(gòu)層厚度為ηi；外墻內(nèi)傳熱系數(shù)為αi。以上述條件為基礎(chǔ)，構(gòu)建綠色建筑傳熱性能模型，如式（1）所示：

式中：Ei為室內(nèi)氣溫；V1、V2均為常數(shù)；D為綠色建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體積；U'為內(nèi)墻面積；Vs、Va為外窗的有效面積系數(shù)、遮擋系數(shù)；Uw為外墻墻體面積；U為外窗對(duì)應(yīng)面積；D為建筑房間體積；ηm為外墻結(jié)構(gòu)層厚度；ρm、vm依次為墻體承重材料密度與比熱容。

1.3綠色建筑外墻保溫隔熱節(jié)能優(yōu)化

1.3.1目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建

在設(shè)計(jì)的綠色建筑傳熱性能模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建綠色建筑外墻保溫隔熱節(jié)能優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，由于大多節(jié)能優(yōu)化模型僅考慮能耗問題，并未考慮建筑隔熱過程中的成本問題[18]，為此，在綠色建筑外墻保溫隔熱節(jié)能優(yōu)化過程中引入成本目標(biāo)，具體模型設(shè)計(jì)情況如下。

根據(jù)上述傳熱性能模型分析可知，綠色建筑隔熱保溫節(jié)能效果受到較多因素影響，為此，結(jié)合分析結(jié)果，構(gòu)建綠色建筑年能耗子目標(biāo)函數(shù)g1（x）：

式中：L為外墻傳熱系數(shù)；a、w分別為夏季制冷能耗、冬季制熱能耗與L之間的關(guān)系；Sx、Sd為空調(diào)夏季、冬季制冷及制熱能耗；Ss為設(shè)備運(yùn)行能耗；Sz為照明設(shè)備能耗；Sg為公共設(shè)備能耗。同時(shí)以建筑傳熱系數(shù)成本g2（x）為子目標(biāo)，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)如式（3）所示：

式中：y0為外墻材料單價(jià)成本；xn、xb分別為南向、北向窗戶在各層中的面積；x1、y1分別為建筑周長(zhǎng)與高度；p為建筑層數(shù)。

利用上述構(gòu)建的子目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建以成本最低、能耗最小的優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)節(jié)能優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，如公式（4）所示：

1.3.2外墻保溫隔熱節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)

外墻保溫結(jié)構(gòu)主要由找平層、粘接層、保溫層、抹面層（抗裂防護(hù)層）、飾面層構(gòu)成，固定粘貼于基層外墻的外表面上，屬于建筑的非承重防護(hù)結(jié)構(gòu)。抹面層采用聚合物抗裂膠漿粘貼耐堿玻纖網(wǎng)格布，并用塑料膨脹錨栓加固處理。飾面層通常為涂料、面磚或石材。外墻保溫層材料可分為有機(jī)保溫材料、無(wú)機(jī)保溫材料和復(fù)合保溫材料。

通過考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用和施工工藝等方面解決導(dǎo)熱系數(shù)差異帶來的伸縮強(qiáng)度不一致問題。具體綠色建筑外墻保溫隔熱節(jié)能優(yōu)化方案如下：

（1）增加膨脹縫：在墻體中設(shè)置合適的膨脹縫，以減緩由于溫度變化引起的熱脹冷縮效應(yīng)對(duì)墻體產(chǎn)生的影響，從而減小基底墻體與保溫層之間的受力差異；

（2）選用相容材料：選擇與基層墻體相容性好的保溫材料，例如聚苯乙烯泡沫板或玻璃棉板等，這些材料具有較好的伸縮性能，能夠減小與基層墻體的熱傳導(dǎo)差異；

（3）增加粘接層：在基層墻體與保溫板之間增加一層高彈性、高伸縮性的粘接層，可以有效減小溫度變化對(duì)墻體產(chǎn)生的影響，并提高整體的抗風(fēng)壓性能；

（4）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)階段，盡量減小建筑結(jié)構(gòu)暴露在陽(yáng)光直射下的面積，或者采用遮陽(yáng)措施，如外挑陽(yáng)臺(tái)、遮陽(yáng)篷等，減少溫差對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；

（5）施工質(zhì)量控制：在施工過程中，嚴(yán)格控制保溫層的厚度和表面平整度，確保保溫材料的安裝質(zhì)量符合要求，避免出現(xiàn)局部應(yīng)力集中的情況。

2實(shí)驗(yàn)分析

為測(cè)試所設(shè)計(jì)的節(jié)能方法是否有效，選一夏熱冬冷地區(qū)某綠色建筑進(jìn)行節(jié)能效果研究，并通過本文方法獲取節(jié)能方案后，對(duì)比該建筑以往能耗情況。

該建筑在夏天室溫高于28℃時(shí)自動(dòng)開啟空調(diào)，并在冬季室溫低于16℃時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)空調(diào)，而室內(nèi)濕度基本保持在40%～75%。該建筑實(shí)際能耗情況模擬值如表1所示。

為了更精準(zhǔn)地評(píng)估所研究的節(jié)能方法，選擇最大節(jié)能率與平均節(jié)能率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并分別采用式（5）、式（6）對(duì)這2種指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算：

式中：Jmax表示最大節(jié)能率；Hr為所選建筑的年能耗值；Hmax表示優(yōu)化方案中最大的年能耗值；J（-）為平均節(jié)能率；Hi為第i個(gè)優(yōu)化方案的年耗值；n為建筑成本。

本文研究的保溫隔熱節(jié)能優(yōu)化方法是否可靠，具體分析結(jié)果如下。

分析應(yīng)用所提方法進(jìn)行保溫隔熱節(jié)能優(yōu)化前后，該建筑在全年12個(gè)月份的供暖負(fù)荷情況，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，該建筑在1、2、3、11月和12月的供暖負(fù)荷消耗相對(duì)過大，在使用所提方法進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化前，該建筑供暖負(fù)荷最高可達(dá)到90 kW·h/（m2·a），最低也要保持在20 kW·h/（m2·a）左右，而通過所提方法進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)后，該建筑每月的供暖負(fù)荷均有所下降，其中，最高供暖負(fù)荷僅為75 kW·h/（m2·a）左右，可以看出，應(yīng)用所提方法進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化后，該建筑在進(jìn)行供暖時(shí)可明顯降低負(fù)荷。

采用所提方法對(duì)建筑進(jìn)行保溫隔熱節(jié)能優(yōu)化，分析該建筑在全年12個(gè)月份的供冷負(fù)荷情況，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，該建筑在4月～10月的供冷負(fù)荷消耗相對(duì)較大，而其他幾個(gè)月份因天氣寒冷，供冷空調(diào)使用的效率不高，從而導(dǎo)致供冷負(fù)荷較低，在未應(yīng)用所提方法進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化前，該建筑供冷負(fù)荷最高達(dá)到80 kW·h/（m2·a）左右，經(jīng)過優(yōu)化后，供冷負(fù)荷明顯得到下降?？梢?，該方法可有效降低空調(diào)使用能耗。

分析應(yīng)用所提方法進(jìn)行保溫隔熱節(jié)能優(yōu)化前后的建筑總負(fù)荷情況，以此評(píng)估節(jié)能效果，分析結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)未進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化之前，該建筑每月的總負(fù)荷都要達(dá)到120 kW·h（m2·a）以上，處于較高水平，使得該建筑日常能源開銷較大，而進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化后，該建筑每月總負(fù)荷均下降至100 kW·h/（m2·a）以下，降低了建筑負(fù)荷量?？梢?，該方法具有良好的節(jié)能效果。

分析該建筑在不同外部溫度情況下的供暖節(jié)能量與供冷節(jié)能量，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，隨著環(huán)境溫度的逐漸上升，經(jīng)過節(jié)能優(yōu)化后的建筑供暖節(jié)能量開始有所上升，這是由于在高溫環(huán)境下建筑供暖消耗相對(duì)較低導(dǎo)致的；而在溫度升高過程中，該建筑供冷節(jié)能量則有所下降，這是因?yàn)闇囟仍龈吆蠼ㄖ枰_啟空調(diào)進(jìn)行制冷，雖然在制冷過程節(jié)能量有所下降，但該方法仍然能夠保證良好的節(jié)能效果，無(wú)論是供冷還是供暖，均可以有效保障節(jié)能水平。

應(yīng)用節(jié)能設(shè)計(jì)后，該建筑每月的平均節(jié)能率與最大節(jié)能率情況，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)應(yīng)用節(jié)能優(yōu)化后，該建筑在不同月份的最大節(jié)能率可達(dá)到21%以上，而平均節(jié)能率也保持在10%～15%，明顯具備較高的節(jié)能水平，為此，該方法可為綠色建筑提供優(yōu)異的節(jié)能方案。

3結(jié)語(yǔ)

通過建立傳熱性能模型，評(píng)估不同傳熱系數(shù)對(duì)建筑的影響。以能耗最小化和成本最低為目標(biāo)，構(gòu)建節(jié)能優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化方法獲取最佳節(jié)能方案。通過考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用和施工工藝等方面調(diào)整墻面基體與保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)，解決導(dǎo)熱系數(shù)差異帶來的伸縮強(qiáng)度不一致，設(shè)計(jì)外墻保溫隔熱節(jié)能優(yōu)化方案。結(jié)果表明，該方法可有效降低建筑的供暖負(fù)荷、制冷負(fù)荷以及總負(fù)荷，通過該方法可以最大限度地減少熱損失，進(jìn)一步提高建筑的節(jié)能效果。

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（責(zé)任編輯：平海，蘇幔）