寒冷地区既有居住建筑节能改造围护结构保温层厚度优化研究

摘要

增加保温层是寒冷地区既有居住建筑围护结构节能改造的重要措施，如何确定保温层厚度对节能改造的经济性与节能性具有重要影响。综合运用理论分析、现场实测和数值模拟计算，建立了考虑朝向和热桥影响的外墙能耗计算与保温层厚度优化模型，考虑太阳辐射影响的屋面能耗计算与保温层厚度优化模型；并通过均匀设计法设计计算方案，考虑热桥、太阳辐射影响，利用DesignBuilder对一实例建筑进行了能耗计算，基于P1-P2经济性模型，建立了建筑物保温层厚度整体优化模型；通过围护结构保温层厚度局部优化模型与整体优化模型计算了保温材料在煤炭与天然气两种采暖热源下的围护结构保温层经济厚度，并对计算结果进行了对比，主要结论如下： （1）建立了考虑热桥、太阳辐射影响的外墙能耗计算模型与保温层厚度优化模型，对模塑聚苯板（EPS板）、挤塑聚苯板（XPS板）经济厚度进行了计算。发现热桥使墙体能耗增大7%左右；朝向对保温层经济厚度影响较小，但对净现值、投资回收期影响较大，北向外墙节能改造投资收益最大，回收期最短，南向墙体改造投资收益最小，回收期最长。在外墙节能改造中，应充分考虑朝向对外墙能耗的影响。 （2）建立了考虑太阳辐射影响的屋面能耗计算模型与保温层厚度优化模型，针对不同屋面，对挤塑聚苯板（XPS板）、硬质聚氨酯泡沫塑料板（PUR板）的经济厚度进行了计算。与不考虑辐射影响和仅考虑太阳辐射忽略长波辐射的保温层经济厚度进行了对比，仅考虑太阳辐射得热与不考虑太阳辐射会使优化结果偏小，同时低估优化结果的全寿命周期费用。在优化过程中，应充分考虑太阳辐射与长波辐射对屋面能耗影响。 （3）建立了考虑热桥、太阳辐射影响的围护结构能耗计算模型与保温层厚度优化模型，对围护结构保温层经济厚度进行了计算。分析了采用优化结果改造后建筑节能率，采用外墙增加EPS板，屋面增加XPS板的改造方案时，煤炭为采暖热源时，建筑节能目标宜设为57%；以天然气为采暖热源时，建筑节能目标宜设为62%；采用外墙增加XPS板，屋面增加PUR板的改造方案时，煤炭为采暖热源时，建筑节能目标宜设为54%；以天然气为采暖热源时，建筑节能目标宜设为61%。 （4）对比了围护结构保温层厚度局部优化结果与整体优化结果，后者经济保温层厚度的净现值平均增加了2%，确定围护结构保温经济层厚度时，应综合考虑外墙、屋面热工性能的相互影响，对其进行整体优化。 （5）分析了等效采暖度时数法与非稳态法计算能耗的优化结果，在整体优化中，采用等效采暖度时数法会使优化结果增大，同时在整体与局部优化中，会高估改造收益。建立围护结构保温层厚度优化模型时，宜选择非稳态计算法计算围护结构能耗。

目录

声明

致谢

变量注释表

1绪论

1.1研究背景、目的及意义

1.1.1研究背景

1.1.2研究目的及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1既有居住建筑节能改造发展状况

1.2.2围护结构保温层厚度优化研究

1.2.3存在的问题

1.3研究内容

1.4技术路线

2考虑热桥影响的外墙保温层厚度优化

2.1考虑热桥影响的外墙能耗计算

2.1.1热桥的基本概念与形式

2.1.2热桥部位传热物理模型

2.1.3 热桥部位传热数学模型

2.1.4热桥部位传热数值模拟计算与现场测试

2.1.5非稳态计算法计算外墙能耗

2.1.6等效采暖度时数法计算外墙能耗

2.2外墙保温层厚度优化模型的建立

2.2.1 P1-P2经济性模型

2.2.1外墙保温层全寿命周期费用计算模型

2.2.2优化模型

2.3外墙保温层经济厚度确定

2.3.1能耗计算采用非稳态计算法

2.3.2能耗计算采用等效采暖度时数法

2.4外墙保温层经济厚度影响因素分析

2.4.1能耗计算方法

2.4.1采暖燃料类型

2.5本章小结

3屋面保温层厚度优化

3.1屋面能耗计算

3.1.1屋面构造

3.1.2非稳态计算法

3.1.3等效采暖度时法

3.2屋面保温层厚度优化模型的建立

3.2.1全寿命周期费用模型

3.2.2优化模型

3.3屋面保温层经济厚度确定

3.3.1能耗计算采用非稳态计算法

3.3.2能耗采用等效采暖度时数法

3.4屋面保温层经济厚度影响因素分析

3.4.1能耗计算方法

3.4.2采暖燃料类型

3.5本章小结

4围护结构保温层厚度整体优化

4.1既有居住建筑能耗的计算

4.1.1计算方案

4.1.2动态能耗模拟计算法

4.1.3等效采暖度时数法

4.2围护结构保温层厚度整体优化模型的建立

4.2.1全寿命周期费用模型

4.2.2优化模型

4.3围护结构保温层经济厚度的确定

4.3.1能耗计算采用动态能耗计算法

4.3.2能耗计算等效采暖度时数法

4.4围护结构保温层经济厚度影响因素的分析

4.4.1能耗计算方法

4.4.2采暖燃料类型

4.5围护结构保温层厚度整体优化与局部优化对比分析

4.5.1能耗计算采用动态能耗法

4.5.2能耗计算采用等效采暖度时数法

4.5.3整体优化与局部优化综合分析

4.6本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

作者简历

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