夏熱冬冷地區(qū)綠色建筑外墻節(jié)能特性的LBM 模擬及效益分析

邵必林，杜星璇，任秦龍，徐洪濤，羅祝清

（1. 西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院，西安 710055；2. 西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，西安 710049；3. 上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

近年來隨著世界范圍內(nèi)石油、煤炭、天然氣這三種傳統(tǒng)能源日趨枯竭，我國所面臨的能源環(huán)境問題也日趨嚴(yán)重。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2016 年我國建筑總能耗已達(dá)全國能源總消耗的45%，隨著可持續(xù)發(fā)展觀念的提出，建筑節(jié)能開始向綠色建筑轉(zhuǎn)型。此外，從建筑氣候分區(qū)來看，我國的夏熱冬冷地區(qū)共涉及16 個(gè)省、市、自治區(qū)，人口占全國總?cè)丝诘娜种?。該地區(qū)夏季悶熱多雨，冬季陰冷潮濕，居民常采用空調(diào)制冷和制熱方式對室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行調(diào)控和改善。然而，家用小型空調(diào)的能耗巨大。因此，發(fā)展綠色節(jié)能建筑已經(jīng)成為調(diào)控能源消耗結(jié)構(gòu)、改善人民生活居住環(huán)境、實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要國家戰(zhàn)略。

采用保溫外墻是綠色建筑節(jié)能最有效的途徑之一，國內(nèi)外學(xué)者針對保溫外墻的隔熱性能開展了廣泛的研究。Comakli 等[1]針對土耳其寒冷地區(qū)的保溫墻體厚度進(jìn)行了優(yōu)化研究，結(jié)果表明，通過選取合理的墻體厚度可以實(shí)現(xiàn)可觀的節(jié)能效益。Cabeza 等[2]研究了地中海地區(qū)氣候條件下擠塑聚苯板、礦物棉、噴霧泡沫聚氨酯等幾種常見材料的保溫隔熱性能，并發(fā)現(xiàn)保溫外墻可以使建筑物節(jié)能率大于28%。文獻(xiàn)[3]探索了環(huán)境因素對保溫墻體最佳厚度的影響，研究發(fā)現(xiàn)，通過采用保溫材料，墻體能耗可以減小46.6%，同時(shí)二氧化碳和二氧化硫的排量會相應(yīng)減少41.53%。另外，采用動態(tài)方法研究外墻朝向?qū)ζ渥罴驯毓?jié)能厚度的影響規(guī)律，Ozel[4]得出了不同朝向的保溫外墻具有不同的最佳保溫墻體厚度的結(jié)論。Zhu 等[5]研究了我國不同氣候區(qū)域保溫外墻的適宜厚度以及節(jié)能潛力，研究數(shù)據(jù)顯示，增加墻體保溫層厚度并且使用性能更好的保溫材料可以有效減少制冷和制熱所需的能耗。Pan 等[6]研究了我國不同氣候區(qū)域保溫外墻厚度對全年建筑能耗的影響機(jī)制，并提出采用能量增益比值以及實(shí)際變化率對節(jié)能性進(jìn)行評估。針對我國夏熱冬冷地區(qū)所特有的氣候特點(diǎn)，綠色建筑外墻節(jié)能相關(guān)研究也已經(jīng)廣泛進(jìn)行。Feng[7]考慮了夏日光照、冬季熱量損失以及季節(jié)變化期的自然通風(fēng)等因素對冬冷夏熱地區(qū)的建筑能耗進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究證明，墻體的換熱系數(shù)是影響建筑節(jié)能的最主要因素。湯莉等[8]采用計(jì)算流體力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)的方法對灰沙磚實(shí)體墻、帶有外封閉空氣間層的墻體以及帶有外通風(fēng)空氣間層的墻體開展了研究，結(jié)果表明，外掛式封閉間層墻體的夏季隔熱和冬季保溫性能均較好，適宜在夏熱冬冷地區(qū)推廣使用。Yu 等[9]選取上海、長沙、韶關(guān)、成都作為夏熱冬冷地區(qū)的典型城市研究了5 種不同保溫材料的節(jié)能特性，發(fā)現(xiàn)發(fā)泡聚苯乙烯具有最佳效益。王厚華等[10]利用Fluent 軟件模擬對比分析了不同構(gòu)造墻體的熱工性能，發(fā)現(xiàn)熱惰性指標(biāo)和傳熱系數(shù)并不能完全用來綜合評價(jià)保溫效果，溫度衰減倍數(shù)大的材料節(jié)能性更好。錢曉倩等[11]考慮到夏熱冬冷地區(qū)的實(shí)際氣候和用能特點(diǎn)，指出開展間歇式用能條件下建筑外墻能耗的研究對于指導(dǎo)該地區(qū)的工程實(shí)踐意義重大。盡管有關(guān)夏熱冬冷地區(qū)綠色建筑外墻熱工性能的研究已經(jīng)被廣泛開展，但當(dāng)前該地區(qū)綠色建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際節(jié)能率遠(yuǎn)低于理論節(jié)能率。因此，需要進(jìn)一步探索該地區(qū)綠色建筑外墻節(jié)能特性，分析增量成本以及所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益間的內(nèi)在聯(lián)系。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展以及數(shù)值方法的不斷完善使得建筑能耗的模擬日趨成熟，為開展綠色建筑全生命周期經(jīng)濟(jì)效益的分析提供了有效手段。由于增量成本和增量效益是綠色建筑節(jié)能經(jīng)濟(jì)性分析的關(guān)鍵，為了讓開發(fā)商準(zhǔn)確認(rèn)識綠色建筑項(xiàng)目的成本和效益并作出科學(xué)評價(jià)，國內(nèi)外學(xué)者基于全生命周期理論，建立了多種有效的經(jīng)濟(jì)效益評估模型。文獻(xiàn)[12]提出混合整數(shù)優(yōu)化模型，在考慮預(yù)算和設(shè)計(jì)的約束下，使得建筑項(xiàng)目在進(jìn)行LEED（leadership in energy and environmental design）評價(jià)時(shí)得分最大化。Tatari 等[13]將ANN（artifical netural network）運(yùn)用到成本預(yù)測中，并通過多元回歸分析驗(yàn)證了該模型的可行性。Tsai 等[14]聚焦于碳排放費(fèi)用和低碳技術(shù)，提出了0-1 混合整數(shù)規(guī)劃法，并以此構(gòu)建了綠色建筑的成本決策模型。馬素貞等[15]通過明確綠色建筑增量成本的定義及計(jì)算方法，提出了兩種不同的基準(zhǔn)方案成本，為合理確定綠色建筑技術(shù)增量成本提供了依據(jù)。李靜等[16]在層次分析法的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊綜合評價(jià)法對增量間接收益進(jìn)行了量化，并通過實(shí)例驗(yàn)證了模型的可行性。王建廷等[17]從消費(fèi)者角度對綠色建筑的增量成本與效益進(jìn)行了研究，構(gòu)建了給予消費(fèi)者的貢獻(xiàn)決策模型。柴宏祥等[18]通過分析綠色建筑節(jié)水項(xiàng)目全生命周期的綜合效益要素，采用凈現(xiàn)值作為綜合效益的評價(jià)和衡量指標(biāo)，構(gòu)建出其綜合效益經(jīng)濟(jì)模型，并在示范項(xiàng)目中得以應(yīng)用。與此同時(shí)，王庭陽等[19]認(rèn)為綠色建筑實(shí)施現(xiàn)狀分為：綠色技術(shù)落實(shí)情況，運(yùn)行時(shí)效和經(jīng)濟(jì)效益分析，并通過對30 個(gè)已實(shí)施綠色建筑現(xiàn)狀的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)綠色建筑具有增量成本回收期較長的特點(diǎn)。針對目前夏熱冬冷地區(qū)綠色建筑外墻仍存在的技術(shù)堆砌現(xiàn)象嚴(yán)重、成本過高、推廣性差等相關(guān)問題，需要在考慮綠色建筑增量成本的基礎(chǔ)上，對其投產(chǎn)后的節(jié)能特性以及增量效益進(jìn)行分析，從而獲取增量綜合效益最優(yōu)的綠色建筑外墻方案，進(jìn)而對建筑行業(yè)決策實(shí)現(xiàn)科學(xué)指導(dǎo)。

此外，格子玻爾茲曼法（lattice Boltzmann method，LBM）經(jīng)過近30 年的發(fā)展，已經(jīng)成為解決計(jì)算流體力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)復(fù)雜問題的重要手段[20-21]。采用多松弛時(shí)間（multiple-relaxation-time）的格子玻爾茲曼模型因其良好的數(shù)值穩(wěn)定性已經(jīng)被成功地應(yīng)用到瞬態(tài)共軛傳熱問題的計(jì)算中[22]；通過合理選取松弛時(shí)間，格子波爾茲曼法可以直接滿足不同材料界面間的狄利克雷-紐曼耦合邊界條件，進(jìn)而免去了傳統(tǒng)數(shù)值方法中所需的迭代過程，使得計(jì)算效率大幅提高。同時(shí)由于格子玻爾茲曼法的高度并行特性，可以通過高性能計(jì)算顯卡（GPU）進(jìn)行加速運(yùn)算[23-24]，從而進(jìn)一步提高了該方法的時(shí)效性。本文采用基于GPU 加速的多松弛時(shí)間格子玻爾茲曼算法對綠色建筑保溫外墻內(nèi)的瞬態(tài)共軛熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行數(shù)值求解，進(jìn)而對比研究3 種常見保溫形式（內(nèi)保溫、外保溫以及內(nèi)外組合保溫）、8 種典型保溫材料構(gòu)造下外墻的節(jié)能特性。在此基礎(chǔ)上，建立保溫墻體全生命周期的增量綜合效益模型，探索增量綜合效益最優(yōu)的外墻構(gòu)造，并對保溫層厚度進(jìn)行優(yōu)化，從而對夏熱冬冷地區(qū)綠色建筑外墻設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確有效的指導(dǎo)。

1 共軛傳熱數(shù)學(xué)模型

結(jié)合現(xiàn)有夏熱冬冷地區(qū)綠色建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和相關(guān)政策，對4 種常見形式的保溫外墻以及傳統(tǒng)紅磚墻體的節(jié)能特性開展對比研究，其結(jié)構(gòu)分別為：a. 紅磚基準(zhǔn)墻體，其由外側(cè)（建筑外環(huán)境）到內(nèi)側(cè)（室內(nèi)）分別為20 mm 水泥砂漿，240 mm 紅磚墻體以及20 mm 石灰砂漿；b. 內(nèi)保溫墻體，其由外側(cè)到內(nèi)側(cè)分別為20 mm 水泥砂漿，240 mm 紅磚墻體，30 mm 保溫層以及20 mm石灰砂漿；c. 外保溫墻體，20 mm 水泥砂漿，30 mm保溫層，240 mm 紅磚墻體以及20 mm 石灰砂漿；d. 內(nèi)外組合保溫墻體，20 mm 水泥砂漿，15 mm外保溫層，240 mm 紅磚墻體，15 mm 內(nèi)保溫層以及20 mm 石灰砂漿。為了簡化保溫外墻的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行以下合理假設(shè)：a. 忽略墻體上下樓層間的熱量傳輸；b. 保溫外墻各層為均質(zhì)材料且其熱物性參數(shù)為常數(shù)；c. 不考慮太陽輻射以及其他輻射的影響；d. 假設(shè)外墻各層材料間接觸良好并忽略接觸熱阻；e. 忽略房間內(nèi)部家具、人員、燈光以及其他熱源的影響，并假設(shè)房間內(nèi)部溫度均勻分布。基于以上假設(shè)，保溫外墻內(nèi)部的熱量傳遞過程可由一維瞬態(tài)共軛導(dǎo)熱偏微分方程組描述。

式中：ρ 為密度；cp為比定壓熱容；k 為熱導(dǎo)率；T 為溫度；x 為距離外墻的厚度；t 為時(shí)間；i 代表保溫外墻中的第i 層材料i=1～n。

當(dāng)i=1 時(shí)，保溫外墻外側(cè)邊界(x1=0 mm)的水泥砂漿與外界環(huán)境間只考慮對流換熱，因而采用第三類邊界條件：

培養(yǎng)擔(dān)當(dāng)民族復(fù)興大任的時(shí)代新人，是今后一個(gè)時(shí)期黨和國家關(guān)于“培養(yǎng)什么樣的人、如何培養(yǎng)人以及為誰培養(yǎng)人”①《習(xí)近平在全國高校思想政治工作會議上強(qiáng)調(diào)：把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程 開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面》，人民日報(bào)，2016-12-09（1）。的根本問題。培養(yǎng)“時(shí)代新人”需要有一系列行之有效的制度安排和體制保證，要明確責(zé)任意識和使命擔(dān)當(dāng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步推進(jìn)和久久為功?？傮w來看，培養(yǎng)“時(shí)代新人”要堅(jiān)持以“四個(gè)服務(wù)”意識和“四個(gè)正確認(rèn)識”為核心的基本遵循。

式中：hout為外墻外表面對流換熱系數(shù)，按規(guī)范取hout=19 W/(m·K)（夏季），hout=23.3 W/(m·K)（冬季）[25]；A 為墻體面積；Te為室外環(huán)境溫度。

當(dāng)i=n 時(shí), 保溫外墻內(nèi)側(cè)邊界(xn=L, L 為保溫外墻厚度)的石灰砂漿與室內(nèi)環(huán)境間只考慮對流換熱，同樣采用第三類邊界條件：

式中：hin為外墻內(nèi)表面對流換熱系數(shù)，取hin=8.7 W/(m·K)；Tin為室內(nèi)環(huán)境溫度。

外墻內(nèi)不同材料層間應(yīng)滿足熱流與溫度分布的連續(xù)性，因而采用狄利克雷-紐曼耦合邊界條件：

通過格子玻爾茲曼法求解以上偏微分方程組，進(jìn)而獲取任意時(shí)刻墻體內(nèi)的溫度分布，關(guān)于GPU加速多松弛時(shí)間LBM 程序的驗(yàn)證詳見文獻(xiàn)[23]。此外，用能時(shí)刻每平方米墻體能耗Q 的計(jì)算式為

選取紅磚墻體用能時(shí)刻的能耗QH作為參照數(shù)值，則保溫墻體一天內(nèi)的節(jié)能量

式中：QB為保溫墻體用能時(shí)刻的能耗；t1，t2為用能時(shí)刻區(qū)間的上限、下限。

2 綠色建筑保溫外墻增量綜合效益評價(jià)模型

綠色建筑保溫外墻與傳統(tǒng)建筑相比，在建設(shè)階段會增加一定的成本，然而，由于保溫外墻較好的節(jié)能特性，在其項(xiàng)目移交后的全生命周期內(nèi)會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。因此，需要對不同保溫形式以及保溫材料的綠色建筑外墻進(jìn)行增量綜合效益對比研究，進(jìn)而確定最佳的工程實(shí)施方案。增量綜合效益是指綠色建筑的增量效益與增量成本的差值，其中，增量成本是指綠色建筑與基準(zhǔn)建筑（采用紅磚墻體的建筑）相比所產(chǎn)生的額外投資，而增量效益是指綠色建筑在運(yùn)營階段因其節(jié)能特性而產(chǎn)生的直接或間接效益[15]。綠色建筑保溫外墻的增量綜合效益的計(jì)算式為

式中：ΔE 為增量綜合效益；ΔS 為增量效益；ΔC 為增量成本。

式中：ΔCi為使用保溫材料所產(chǎn)生的額外費(fèi)用；Cu為保溫材料的價(jià)格（見表1）；Co為其他材料的費(fèi)用25 元/m3；Cl為人工費(fèi)用15 元/m3；L 為保溫外墻寬度（選取10 m），H 為保溫外墻高度（選取3 m）；D 為保溫層的厚度（除保溫層厚度優(yōu)化研究部分外選取30 mm）；ΔCp為綠色建筑設(shè)計(jì)階段的數(shù)值能耗模擬以及咨詢所產(chǎn)生的相關(guān)費(fèi)用，通常為造價(jià)的0.1%[15]，本文選取ΔCp=0.1% ΔCi進(jìn)行計(jì)算。

式中：P 表示年收益折現(xiàn)系數(shù)；ny為綠色建筑的計(jì)算年限，本文依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)選取ny=50 a[26]；i0為基準(zhǔn)折現(xiàn)率，通常在10%～12%的區(qū)間取值[27]，本文選取了位于夏熱冬冷地區(qū)的陜西省漢中市進(jìn)行案例分析，陜西省屬于經(jīng)濟(jì)中等發(fā)達(dá)地區(qū)，因此，選取i0=11%進(jìn)行計(jì)算；ΔSy為年收益。

表 1 夏熱冬冷地區(qū)保溫材料熱物理參數(shù)及價(jià)格Tab.1 Thermophysical parameters and prices of thermal insulating materials in hot summer and cold winter areas

將ΔSy分解為經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益三方面計(jì)算。

式中：ΔSe為保溫外墻的年經(jīng)濟(jì)效益；ΔWs為夏季綠色建筑保溫外墻每日節(jié)能量，kJ/m2；ΔWw為冬季保溫外墻每日節(jié)能量，kJ/m2；η 為夏季制冷和冬季制熱所用空調(diào)的能效比，選η=3.3；ΔSh為保溫外墻的年環(huán)境效益；ΔSs為保溫外墻的年社會效益；Pu為陜西漢中地區(qū)的電價(jià)，Pu=0.498 3 元/（kW·h）。

需要指出的是夏冬兩季每日的節(jié)能量ΔWs和ΔWw為夜間8 h 用能時(shí)刻保溫外墻的節(jié)能量，在非用能時(shí)刻保溫墻體無任何節(jié)能效益。本文選取70 天作為冬夏兩季用能天數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并將節(jié)能量單位轉(zhuǎn)化為kW·h（1 kW·h=3 600 kJ）；

ΔSh主要包括由于節(jié)能所產(chǎn)生的CO2，SO2等污染物排放量的減少，采用等效替換法可以對環(huán)境效益進(jìn)行計(jì)算；保溫外墻所節(jié)省的電能轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤的系數(shù)為0.000 4 t/(kW·h)，其中，CO2，SO2，NOx，以及煙粉塵的排放系數(shù)分別為2.456 7，0.016 5，0.015 6，0.09 6；污染物CO2，SO2，NOx，以及煙粉塵的減排價(jià)值分別為390，4 344.93，632，275 元/t[28-30]。因而保溫外墻的年環(huán)境效益

ΔSs包括由于建筑節(jié)能所引起的電力投資的減少以及用能高峰期電荒所引起的經(jīng)濟(jì)損失。研究表明，每減少1 kW·h 的用電需求，相關(guān)的電力投資可以節(jié)約0.2 kW·h，同時(shí)由于節(jié)能所避免的經(jīng)濟(jì)損失約為 0.22 kW·h[31]。因此，保溫外墻的年社會效益

基于以上分析，通過構(gòu)建綠色建筑保溫外墻全生命周期的增量綜合效益模型，在獲取不同保溫方式和保溫材料外墻節(jié)能性的基礎(chǔ)上，對其增量綜合效益進(jìn)行對比優(yōu)化研究，從而更加有效地指導(dǎo)工程實(shí)踐。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

選取處于我國夏熱冬冷地區(qū)北部的陜西省漢中市作為研究對象，其2017 年7 月平均最高氣溫為33.97 ℃，平均最低氣溫為24.13 ℃；2018 年1 月平均最高氣溫為6.26 ℃，平均最低氣溫為-0.67 ℃；假設(shè)一天內(nèi)環(huán)境氣溫Te隨時(shí)間按正弦函數(shù)變化[32]，下午14:00 時(shí)氣溫最高，凌晨2:00 時(shí)氣溫最低，則環(huán)境氣溫可以表達(dá)為

式中：Tmax為一天內(nèi)的最高氣溫；Tmin為一天內(nèi)的最低氣溫。

研究間歇性用能條件下的綠色建筑保溫外墻效益，選取每天晚上22:00 至早上6:00 為用能時(shí)刻，通過空調(diào)對房間內(nèi)進(jìn)行制冷和制熱，設(shè)定用能時(shí)刻房間內(nèi)溫度為冬季Tin=18 ℃以及夏季Tin=26 ℃；一天中的其他時(shí)刻為非用能時(shí)刻，假設(shè)非用能時(shí)刻下房間溫度與環(huán)境溫度相同，即Tin=Te。為了消除保溫外墻溫度所設(shè)初值對計(jì)算結(jié)果的影響，首先將計(jì)算進(jìn)行多日迭代直至保溫外墻內(nèi)外表面溫度變化不再受墻體初值的影響；以擠塑聚苯乙烯內(nèi)保溫墻體為例，經(jīng)過10 個(gè)晝夜（240 h）的計(jì)算迭代，其冬季和夏季的內(nèi)外表面溫度出現(xiàn)周期性“穩(wěn)態(tài)”變化；因此，選取第11 日的計(jì)算結(jié)果作為綠色建筑保溫外墻節(jié)能特性和增量綜合效益分析的數(shù)據(jù)依據(jù)。

針對內(nèi)保溫、外保溫以及內(nèi)外組合保溫形式下8 種常見保溫材料（材料編號見表1）的節(jié)能特性開展了研究。對墻體能耗Q 在用能時(shí)刻區(qū)間內(nèi)進(jìn)行積分得出（非用能時(shí)刻墻體能耗為0），傳統(tǒng)紅磚墻體夏季制冷期一晝夜的能耗為493.73 kJ/m2，冬季制熱期一晝夜的能耗為1 465 kJ/m2。圖1 給出了夏季制冷和冬季制熱條件下內(nèi)保溫墻體的能耗曲線圖，結(jié)果顯示，夏季制冷期間8 種材料的內(nèi)保溫墻體節(jié)能性由好至壞的排序?yàn)椋?聚氨酯，擠塑聚苯乙烯，巖棉板，玻璃棉板，膨脹聚苯乙烯，聚氯乙烯，泡沫玻璃板，珍珠巖。通過表1 可以得出各種材料的熱導(dǎo)率由小到大的排序?yàn)椋?聚氨酯，擠塑聚苯乙烯，巖棉板，玻璃棉板（聚氯乙烯），膨脹聚苯乙烯，泡沫玻璃板，珍珠巖。經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)保溫墻體夏季制冷期間的節(jié)能特性基本隨著保溫材料熱導(dǎo)率的減小而加強(qiáng)，保溫材料的熱導(dǎo)率是決定墻體保溫性能的最重要因素。然而，需要指出的是，玻璃棉板和聚氯乙烯的熱導(dǎo)率相同（均為0.048 W/（m·K）），但是，由于聚氯乙烯具有更強(qiáng)的儲熱能力（密度ρ 與比定壓熱容cp的乘積較大）,使得其在空調(diào)啟動后的一段時(shí)間中墻體內(nèi)部的溫度對室內(nèi)溫度變化的響應(yīng)較慢，從而造成了更大的能量損失。膨脹聚苯乙烯的熱導(dǎo)率甚至略大于聚氯乙烯的熱導(dǎo)率，然而由于膨脹聚苯乙烯的儲熱能力僅僅是聚氯乙烯的19.2%，使得膨脹聚苯乙烯內(nèi)保溫墻體相比聚氯乙烯內(nèi)保溫墻體具有了更好的節(jié)能特性，但是，與熱導(dǎo)率相比，材料儲熱能力對于保溫墻體的節(jié)能特性影響較小，因此，使用熱導(dǎo)率較低的材料是提高墻體保溫性能的關(guān)鍵。與此同時(shí)，冬季制熱期8 種材料的內(nèi)保溫墻體節(jié)能性能由好至壞的排序依然為： 聚氨酯，擠塑聚苯乙烯，巖棉板，玻璃棉板，膨脹聚苯乙烯，聚氯乙烯，泡沫玻璃板，珍珠巖，由此說明不同保溫材料的節(jié)能特性強(qiáng)弱對比與用能季節(jié)無關(guān)。

圖 1 內(nèi)保溫墻體夏季制冷和冬季制熱墻體能耗圖Fig.1 Energy consumption of internal insulated walls for cooling in summer and heating in winter

為了更加清晰地對比研究夏熱冬冷地區(qū)不同保溫方式下采用多種保溫材料的綠色建筑外墻的節(jié)能特性，圖2 給出了保溫墻體相對于紅磚墻體一晝夜的節(jié)能量ΔW（由式（7）計(jì)算得出）。由圖2可以看出，對于所有不同的保溫材料，外保溫墻體的節(jié)能性較差，而內(nèi)保溫墻體的節(jié)能性最優(yōu)，內(nèi)外組合保溫墻體的節(jié)能特性介于外保溫墻體和內(nèi)保溫墻體之間。在內(nèi)保溫、外保溫和內(nèi)外組合保溫方式下，節(jié)能性最優(yōu)的材料均為聚氨酯，而節(jié)能性最差的材料均為珍珠巖，這說明保溫材料節(jié)能性優(yōu)劣的排序與采用的墻體保溫方式無直接關(guān)系?，F(xiàn)以擠塑聚苯乙烯（30 mm 厚保溫層）為例，其外保溫墻體、內(nèi)保溫墻體和內(nèi)外組合保溫墻體相比于傳統(tǒng)紅磚墻體夏季制冷期一晝夜的節(jié)能量分別為24.11，250.6，290.3 kJ/m2，冬季制熱期一晝夜的節(jié)能量分別為140.5，626，735 kJ/m2。相比于外保溫墻體，內(nèi)保溫墻體在夏季制冷期和冬季制熱期的節(jié)能量分別提高了1 104%和423%，可見內(nèi)保溫墻體應(yīng)是綠色建筑外墻的首選方式；此外，與冬季制熱期相比，外保溫墻體在夏季制冷期的節(jié)能特性更差，甚至?xí)霈F(xiàn)“反節(jié)能”現(xiàn)象。為了進(jìn)一步說明外保溫墻體在夏季制冷期比冬季制熱期節(jié)能性更差的原因，圖3 描述了擠塑聚苯乙烯外保溫墻體在夏季制冷和冬季制熱用能時(shí)刻的墻體內(nèi)部溫度分布圖。X 為墻體厚度方向的坐標(biāo)0 與冬季制熱期相比，在夏季制冷的用能時(shí)刻，外保溫墻體的溫度最大值出現(xiàn)在墻體內(nèi)部；在這種情況下，由于保溫層的熱導(dǎo)率較低，保溫層處于承重墻外側(cè)的外保溫方式會阻礙熱量由房間內(nèi)部向室外環(huán)境中擴(kuò)散，進(jìn)而導(dǎo)致室內(nèi)空調(diào)制冷用能量的增加。

圖 2 保溫墻體夏季制冷和冬季制熱一晝夜節(jié)能量Fig.2 Energy saving of insulated walls within day and night for cooling in summer and heating in winter

圖 3 外保溫?cái)D塑聚苯乙烯墻體用能時(shí)刻溫度分布Fig.3 Temperature distribution of the external thermal insulated extruded polystyrene wall during energy consumption time

綜上所述，內(nèi)保溫方式墻體在夏季制冷和冬季制熱用能季節(jié)的節(jié)能性均最好，而聚氨酯是節(jié)能特性最好的保溫材料。在工程實(shí)踐應(yīng)用中，除了考慮保溫材料的保溫性能，還應(yīng)該充分考慮其成本，進(jìn)而在全生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)綠色建筑綜合效益的最大化，因此，針對不同保溫方式下多種保溫材料墻體的增量綜合效益展開討論。圖4 為不同保溫方式和8 種保溫材料墻體的全生命周期增量綜合效益，由于外保溫墻體較差的節(jié)能特性，其增量綜合效益均為負(fù)值，因此，不建議在工程實(shí)踐中采納。當(dāng)內(nèi)保溫墻體采用巖棉板、玻璃棉板和泡沫玻璃板作為保溫層材料時(shí)，盡管其具有較好的節(jié)能特性（見圖2），但由于其材料價(jià)格較高，因而產(chǎn)生了較大的增量成本，從而使得采用這3 種保溫材料的內(nèi)保溫墻體增量綜合效益分別為-680.7，-872.2，-1 072 元。相比之下，采用擠塑聚苯乙烯的內(nèi)保溫墻體具有全生命周期內(nèi)最高的增量綜合效益1 410 元，因此，擠塑聚苯乙烯成為綠色建筑工程實(shí)踐中最常用的保溫材料。盡管珍珠巖的節(jié)能特性遠(yuǎn)低于聚氯乙烯（見圖2），由于其材料成本價(jià)格亦低于聚氯乙烯（見表1），使得這兩種材料的增量綜合效益接近，分別為662 元和667.5 元。然而作為無機(jī)保溫材料，珍珠巖具有較好的耐火性能，因而更加值得在工程應(yīng)用中使用。綜上所述，選取夏熱冬冷地區(qū)綠色建筑保溫材料時(shí)應(yīng)綜合考慮其節(jié)能特性以及材料成本價(jià)格，采用8 種常見保溫材料的內(nèi)保溫墻體全生命周期內(nèi)增量綜合效益由大到小的排序?yàn)椋簲D塑聚苯乙烯，膨脹聚苯乙烯，聚氨酯，聚氯乙烯，珍珠巖，巖棉板，玻璃棉板，泡沫玻璃板。

圖 4 保溫墻體全生命周期增量綜合效益Fig.4 Comprehensive benefit of the increment during the whole life cycle of thermal insulated walls

以上的研究均是在30 mm 保溫層厚度的條件下進(jìn)行的，隨著保溫層厚度的改變，一方面綠色建筑保溫外墻的節(jié)能特性會發(fā)生變化，另一方面使用不同體積的保溫材料會改變保溫外墻的增量成本，進(jìn)而影響其全生命周期的增量綜合效益?；谝陨涎芯?，擠塑聚苯乙烯內(nèi)保溫外墻（30 mm保溫層厚度）的增量綜合效益最佳，而珍珠巖內(nèi)保溫外墻由于其良好的耐火性和耐久性同樣具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值，因此，針對擠塑聚苯乙烯內(nèi)保溫墻體和珍珠巖內(nèi)保溫墻體的最佳保溫層厚度開展研究，從而實(shí)現(xiàn)對其增量綜合效益的優(yōu)化。圖5 展示了夏季制冷期和冬季制熱期采用擠塑聚苯乙烯和珍珠巖作為保溫層材料的內(nèi)保溫墻體的一晝夜的節(jié)能量隨保溫層厚度的變化趨勢，可以看出，綠色建筑保溫外墻的節(jié)能量隨著保溫層厚度的增加而增加。例如，夏季制冷期20 mm 保溫層厚度的珍珠巖內(nèi)保溫墻體的一晝夜的節(jié)能量為131.6 kJ/m2，當(dāng)保溫層厚度增加到60 mm 時(shí)，該保溫墻體一晝夜的節(jié)能量為204.8 kJ/m2。經(jīng)過分析不難發(fā)現(xiàn)，在保溫材料厚度（增量成本）增加200%的情況下，其節(jié)能量僅僅增加了55.62%。因此，綠色建筑保溫外墻應(yīng)當(dāng)具有最佳的保溫厚度使其增量效益和增量成本達(dá)到平衡，從而實(shí)現(xiàn)最佳的增量綜合效益。圖6 描述了擠塑聚苯乙烯內(nèi)保溫墻體和珍珠巖內(nèi)保溫墻體增量綜合效益和保溫層厚度的關(guān)系曲線。當(dāng)保溫層厚度從20 mm 增加到30 mm 時(shí)，擠塑聚苯乙烯內(nèi)保溫墻體的增量綜合效益從1 368 元增加到了1 410 元；當(dāng)保溫層厚度進(jìn)一步增加時(shí)，其增量綜合效益開始迅速下降，采用60 mm 保溫層厚度的擠塑聚苯乙烯內(nèi)保溫墻體增量綜合效益僅為1 206 元。因此，采用30 mm保溫層厚度的擠塑聚苯乙烯內(nèi)保溫墻體具有全生命周期內(nèi)的最佳增量綜合效益。同時(shí)，珍珠巖內(nèi)保溫墻體的最佳保溫層厚度為40 mm，此時(shí)其增量綜合效益為635.6 元。由此可見，采用不同保溫材料的內(nèi)保溫墻體具有不同的最佳保溫層厚度，因此，在綠色建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)需要通過數(shù)值模擬的方法對不同保溫材料墻體的節(jié)能量和增量成本進(jìn)行計(jì)算，從而優(yōu)化出具有最大全生命周期增量綜合效益的外墻保溫層厚度。

圖 5 不同厚度內(nèi)保溫墻體夏季制冷和冬季制熱一晝夜節(jié)能量Fig.5 Energy saving of internal insulated walls with different thicknesses within day and night for cooling in summer and heating in winter

圖 6 不同厚度內(nèi)保溫墻體增量綜合效益Fig.6 Comprehensive benefit of the increment of internal insulated walls with different thicknesses

4 結(jié) 論

通過基于GPU 加速的多松弛時(shí)間格子玻爾茲曼法求解夏熱冬冷地區(qū)綠色建筑保溫外墻內(nèi)部的瞬態(tài)共軛傳熱過程，對比研究了3 種典型綠色建筑外墻保溫方式以及8 種常見保溫材料的節(jié)能特性，并對其全生命周期內(nèi)的增量綜合效益進(jìn)行了優(yōu)化，得出結(jié)論：

a. 夏熱冬冷地區(qū)綠色建筑保溫外墻能耗在冬季制熱期大于夏季制冷期，其中，采用內(nèi)保溫方式的外墻節(jié)能性最佳，而外保溫墻體的節(jié)能性相對較差；各種常見保溫材料的節(jié)能性排序與綠色建筑所采用的保溫方式（內(nèi)保溫、外保溫以及內(nèi)外組合保溫）無直接關(guān)聯(lián)，本文所選取的8 種保溫材料保溫特性由強(qiáng)至弱的排序?yàn)椋壕郯滨?，擠塑聚苯乙烯，巖棉板，玻璃棉板，膨脹聚苯乙烯，聚氯乙烯，泡沫玻璃板，珍珠巖。

b. 綠色建筑保溫外墻全生命周期的增量綜合效益是決定其工程應(yīng)用價(jià)值的最重要指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)，采用常見保溫材料的外保溫墻體的增量綜合效益均為負(fù)值，不具有工程應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；當(dāng)選取擠塑聚苯乙烯、膨脹聚苯乙烯、珍珠巖、聚氨酯以及聚氯乙烯等價(jià)格相對較低的保溫材料時(shí)，內(nèi)保溫墻體具有一定的增量綜合效益，可在綠色建筑項(xiàng)目中投產(chǎn)使用；相反，巖棉板、玻璃棉板和泡沫玻璃板的增量成本較大，在全生命周期內(nèi)不具有經(jīng)濟(jì)效益。

c. 綠色建筑保溫外墻的保溫層厚度是影響其節(jié)能特性的重要因素，數(shù)據(jù)表明，綠色建筑相比于傳統(tǒng)建筑在夏季制冷期和冬季制熱期一晝夜的節(jié)能量隨著其保溫層厚度的增加而加強(qiáng)。然而保溫層厚度的增加會引起綠色建筑增量成本的加大，因此，保溫層的最佳節(jié)能厚度并不是其最佳增量綜合效益厚度。為了達(dá)到綠色建筑全生命周期增量綜合效益的最大化，在設(shè)計(jì)階段需要通過數(shù)值模擬等方法獲得特定保溫方式和保溫材料下綠色建筑外墻保溫層的最優(yōu)厚度，進(jìn)而為工程實(shí)踐提供科學(xué)指導(dǎo)。