建筑围护结构节能方法研究

顾明丽 聂成才

（1.万科（沈阳）企业管理有限公司，辽宁 沈阳 110000；2.沈阳万宸建筑规划设计有限公司，辽宁 沈阳 110005）

随着城镇化进程不断加快，城市规模日益扩大也带动了城市建筑的增多。商用和民用建筑消耗了更多的城市能源，带来了相当程度的能源浪费和环境污染[1]。因此，如何提升建筑的节能效果是建筑设计中日益重要的工作。建筑物的能量消耗主要与围护结构和内部设备有关，尤其是围护结构发挥着冬季保温和夏季隔热的重要效果，如果围护结构的选材和设计合理，就可以更大效率地避免建筑物内的能量损失，从而减少取暖或制冷等带来的更高的能源消耗[2]。可见，对建筑围护结构进行更好的设计，是建筑节能的关键所在。但是，围护结构包含了众多的组成单元，对应着复杂的能量关联参数，只有综合这些单元和参数，在节能的总体目标下统筹兼顾，才能达到最佳的节能效果[3]。为此，该文从多目标优化理论出发，构建建筑维护结构的节能优化模型和方法，进而通过试验加以验证。

1 建筑围护结构的参数构成及多目标节能模型

建筑物要保持室内居住或工作的人群的舒适程度，就必须要提供与季节相适宜的温度。而当温度达不到宜居的情况时，就需要通过各种设备进行温度的调节，从而容易造成能源的浪费。所以，如果围护结构能够起到更好的保温和隔热的效果，就可以减少设备调控引起的能源浪费，从而达到节能的效果。

建筑物的围护结构，一般由5类单元构成，如图1所示。

图1 建筑物围护结构的构成

从图1中可以看出，建筑物围护结构主要包括墙体单元、门窗单元、屋面单元、地面单元和楼板单元。

其中，墙体单元是围护结构中的重要组成部分，是建筑物合围空间形成、建筑物整体支撑的重要单元，又有外墙单元和内墙单元的区别。其中，外墙单元的结构设计如图2所示。

图2 外墙单元的结构设计

如图2所示，外墙单元以层级结构构成，从居住空间由内而外，首先是主体层，由轻质砂和混凝土砌块构成，内部按一定规律植入方钢龙骨。轻质砂混凝土砌块层以外，是第一界面剂层，其上覆盖找平层和黏胶剂层，再其上是第二界面剂层。第二界面剂层上面是保温层，保温层上面是第三界面剂层，其上覆盖第一聚合物砂浆层，再其上覆盖纤维格布。纤维格布层上是第二聚合物砂浆层，最外层是用于美观的涂料层。可见，外墙单元的节能效果，与整体厚度有关，而外墙整体厚度又与各层厚度有关，如公式（1）所示。

式中：M为外墙单元的整体厚度，mi为第i层构成的厚度。当i=1时，m1为外墙单元中轻质砂混凝土砌块层的厚度；当i=2时，m2为外墙单元中第一界面剂层的厚度；当i=3时，m3为外墙单元中找平层的厚度；当i=4时，m4为外墙单元中黏胶剂层的厚度；当i=5时，m5为外墙单元中第二界面剂层的厚度；当i=6时，m6为外墙单元中保温层的厚度；当i=7时，m7为外墙单元中第三界面剂层的厚度；当i=8时，m8为外墙单元中第一聚合物砂浆层的厚度；当i=9时，m9为外墙单元中纤维格布层的厚度；当i=10时，m10为外墙单元中第二聚合物砂浆层的厚度；当i=11时，m11为外墙单元中涂料层的厚度。

相比外墙单元，内墙单元的厚度要薄，由内而外依次是轻质砂混凝土砌块层、素水泥砂浆层、水泥石灰膏砂浆层、找平层、封底漆层、饰面层。内墙单元的节能效果也与层厚有关，具体如公式（2）所示。

式中：N为内墙单元的整体厚度，ni为第i层构成的厚度。当i=1时，n1为内墙单元中轻质砂混凝土砌块层的厚度；当i=2时，n2为内墙单元中素水泥砂浆层的厚度；当i=3时，n3为内墙单元中水泥石灰膏砂浆层的厚度；当i=4时，n4为内墙单元中找平层的厚度；当i=5时，n5为内墙单元中封底漆层的厚度；当i=6时，n6为内墙单元中饰面层的厚度，饰面层可以由树脂乳液喷涂形成。

对门窗单元也要进行合理设计，才能尽可能地提高保温和隔热效果，同时注意密封性，避免风冷因素导致节能效率降低。商用建筑一般可以采用铝合金框架配合三层玻璃两层中空夹气层的设计方案；对于民用建筑，一般可以采用塑钢框架配合三层玻璃两层中空夹气层的设计方案。

门窗单元的厚度计算如公式（3）所示。

式中：Z为门窗单元的总体厚度，B1为门窗单元第一层玻璃的厚度，B2为门窗单元第二层玻璃的厚度，B3为门窗单元第三层玻璃的厚度，K1为门窗单元第一层中空夹气层的厚度，K2为门窗单元第二层中空夹气层的厚度。

屋面单元一般由7层构成，包括钢筋混凝土基底层，水泥砂浆找平层，水泥增稠粉砂浆找平层，改性沥青防水层，聚苯板保温层，塑料基座层，仿石砖层。

屋面单元的保温和隔热性能，也与层厚有关，具体如公式（4）所示。

式中：W为屋面单元的整体厚度，wi为第i层的厚度。当i=1时，w1为屋面单元中钢筋混凝土基底层的厚度；当i=2时，w2为屋面单元中水泥砂浆找平层的厚度；当i=3时，w3为屋面单元中水泥增稠粉砂浆找平层的厚度；当i=4时，w4为屋面单元中改性沥青防水层的厚度；当i=5时，w5为屋面单元中聚苯板保温层的厚度；当i=6时，w6为屋面单元中塑料基座层的厚度；当i=7时，w7为屋面单元中仿石砖层的厚度。

地面单元一般由七层构成，包括素土夯实层、碎石夯实层、细石混凝土层、水泥砂浆找平层、水涂膜防水层、水泥砂浆结合层和水泥擦缝层。

地面单元的保温和隔热性能，也与层厚有关，具体如公式（5）所示。

式中：D为地面单元的整体厚度，di为第i层的厚度。当i=1时，d1为地面单元中素土夯实层的厚度；当i=2时，d2为地面单元中碎石夯实层的厚度；当i=3时，d3为地面单元中细石混凝土层的厚度；当i=4时，d4为地面单元中水泥砂浆找平层的厚度；当i=5时，d5为地面单元中水涂膜防水层的厚度；当i=6时，d6为地面单元中水泥砂浆结合层的厚度；当i=7时，d7为地面单元中水泥擦缝层的厚度。

楼板单元一般由5层构成，包括钢筋混凝土楼板层，水泥陶粒垫层，水泥砂浆找平层，水泥砂浆结合层，水泥擦缝层。

楼板单元的保温和隔热性能，也与层厚有关，具体如公式（6）所示。

式中：L为楼板单元的整体厚度，li为第i层的厚度。当i=1时，l1为楼板单元中钢筋混凝土楼板层的厚度；当i=2时，l2为楼板单元中水泥陶粒垫层的厚度；当i=3时，l3为楼板单元中水泥砂浆找平层的厚度；当i=4时，l4为楼板单元中水泥砂浆结合层的厚度；当i=5时，l5为楼板单元中水泥擦缝层的厚度。

由此可见，建筑围护结构的保温隔热性能与5类构成单元有关，而各个构成单元又有自己的结构，这就形成了对围护结构节能效果的分层细化影响。为此，该文根据多目标优化理论，构建节能控制模型，如公式（7）所示。

式中：E为综合考虑5类构成单元的围护结构整体节能情况，E1为外墙单元的节能情况，E2为内墙单元的节能情况，E3为门窗单元的节能情况，E4为屋面单元的节能情况，E5为地面单元的节能情况，E6为楼板单元的节能情况，TEi为第i类节能单元的厚度，Ti为第i类节能单元的最大厚度界限值。

可见，围护结构整体节能最佳效果的达成，和各单元的节能效果密切相关。

2 建筑围护结构节能试验结果与分析

在前面的工作中，综合考虑了围护结构5大类构成单元的结构参数，构建了多目标优化节能模型，此处进一步进行试验，对围护结构的节能效果进行验证和分析。

按照公式（7）给出的优化模型，对试验建筑围护结构进行节能优化，得到的冬季节能情况，如图3所示。

图3 围护结构冬季节能情况

图3中，横坐标为围护结构整体和各类构成单元的类别，纵坐标为节能比例。从图3中的柱状图结果可以看出，通过该文的多目标节能优化、各构成单元的合理配置，可以使围护结构在冬季整体节能超过20%。其中，门窗单元的节能效果最显著，可以达到35%。

其次是外墙单元，节能达到25%。再次是楼板单元和屋面单元，节能都超过了15%。地面单元的节能，正好在15%左右。节能最少的是内墙单元，但节能也超过了13%。从图3的结果可以看出，在综合考虑了建筑围护结构各构成成分后，综合它们各自的特点，在多目标函数的统一约束下进行综合优化，不仅可以使每一项都发挥出节能效果，而且可以达到使建筑围护结构整体上能耗降低的目的。

按照公式（7）给出的优化模型，对试验建筑围护结构进行节能优化，得到的夏季节能情况，如图4所示。

图4 围护结构夏季节能情况

图4中，横坐标为围护结构整体和各类构成单元的类别，纵坐标为节能比例。从图4中的柱状图结果可以看出，通过该文的多目标节能优化、各构成单元的合理配置，可以使围护结构在夏季节能整体上超过18%。其中，门窗单元的节能效果最显著，可以达到27%。其次是外墙单元，夏季节能达到22%。再次是地面单元，节能超过16%。从次是屋面单元，节能达到14%。最后是楼板单元节，能达到13%。另外内墙单元节能达到12%。通过和图3的对比可知，建筑围护结构在夏季的节能效果比冬季节能效果要差一些，但依然取得了较为显著的节能效果。之所以会出现这种季节性差异，可能源于围护结构的保温作用得到了更大的提升，因此有效地解决了冬季的能源消耗问题。综合两项试验结果，充分表明了该文方法对建筑围护结构起到了明显的节能提升作用。

3 结论

围护结构是建筑设计中的重要组成部分，对于建筑节能具有十分重要的意义。该文详细地分析了围护结构的组成部分，包括为外墙单元、内墙单元、门窗单元、屋面单元、地面单元以及楼板单元，并对各单元构成参数进行了分析，在此基础上构建了多目标节能优化模型。试验结果表明，依托该文提出的多目标节能模型，通过对各个构成单元的节能控制，可以达到围护结构整体节能的最佳效果，在冬季和夏季都可以达到很好的节能目标。