梁馨予

（蘭州有色冶金設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

建筑隔熱層節(jié)能設(shè)計是為了應(yīng)對全球能源危機、氣候變化和環(huán)境保護等問題而展開的研究領(lǐng)域[1]。建筑隔熱層作為建筑節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)之一，其設(shè)計會直接影響建筑物能源利用效率和環(huán)境友好性[2]。隔熱層節(jié)能設(shè)計旨在通過材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工藝等方面的優(yōu)化，降低建筑物的能耗。研究建筑隔熱層節(jié)能設(shè)計既有助于降低建筑物運行成本，也能夠推動建筑的綠色低碳發(fā)展[3]。通過不斷探索創(chuàng)新，建筑隔熱層節(jié)能設(shè)計將在促進建筑可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護方面發(fā)揮重要作用。多尺度熱傳導分析在建筑隔熱層節(jié)能優(yōu)化中具有重要的作用，它能夠幫助解決建筑隔熱層節(jié)能優(yōu)化面臨的各種難點。多尺度熱傳導分析可以更全面和準確地評估建筑隔熱層的熱傳導性能。通過考慮不同尺度下的熱傳導機制和影響因素，可以深入了解隔熱層的熱傳導行為，并定量分析不同尺度上的能量傳遞過程，為優(yōu)化設(shè)計提供科學依據(jù)。

徐河等[4]利用bim 技術(shù)，設(shè)計了一種綠色建筑節(jié)能方法。改進了傳統(tǒng)計算機輔助建筑技術(shù)，結(jié)合新技術(shù)，充分融合bim，實現(xiàn)建筑節(jié)能。曹馨勻等[5]考慮了能耗限額，研究了夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能方案。能耗限額由多目標優(yōu)化算法NSGA-II 實現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，張勇等[6]提出了多代理輔助多目標進化優(yōu)化方法，以實現(xiàn)建筑的節(jié)能。

本文在此基礎(chǔ)上，以建筑隔熱層結(jié)構(gòu)為前提，構(gòu)建了建筑隔熱層的多尺度熱傳導性能模型。引入成本目標，建立建筑隔熱層子目標模型，最終實現(xiàn)了建筑隔熱層的節(jié)能。

1 建筑隔熱層介紹

建筑隔熱層是一種應(yīng)用于建筑物外墻或屋頂?shù)牟牧?，旨在減少室內(nèi)和室外之間的能量交換，提高建筑的節(jié)能性能?，F(xiàn)階段的建筑隔熱層主要包括傳統(tǒng)的隔熱材料和新型的高性能隔熱材料。傳統(tǒng)的隔熱材料包括巖棉、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫（EPS）、聚氨酯泡沫等，這些材料具有良好的隔熱性能和燃燒性能。而新型的高性能隔熱材料包括石墨烯復合材料、空氣凝膠、藍寶石涂料等，這些材料具有更高的隔熱性能和環(huán)保性，成為未來建筑隔熱領(lǐng)域的新趨勢。選擇適合的隔熱材料對于提高建筑物的節(jié)能性能和舒適度至關(guān)重要。

建筑隔熱層的主要作用包括：

保溫隔熱：隔熱層可以有效減少建筑內(nèi)外溫差對能耗產(chǎn)生的影響，降低建筑物的冷熱傳導，提高建筑的保溫隔熱性能。

節(jié)能環(huán)保：良好的隔熱層設(shè)計可以降低建筑的能耗，減少空調(diào)、供暖等能源的消耗，從而降低碳排放，促進建筑節(jié)能減排。

提高室內(nèi)舒適度：通過隔熱層的設(shè)計，可以有效控制室內(nèi)溫濕度，在所有季節(jié)內(nèi)維持良好的舒適度，提高居住和工作環(huán)境品質(zhì)。

防潮防火：隔熱層還具有一定的防潮、防火功能，保護建筑結(jié)構(gòu)，延長建筑的使用壽命。

建筑樓頂隔熱層示意圖如圖1。

圖1 建筑樓頂隔熱層

2 多尺度熱傳導分析

多尺度熱傳導分析可以全面了解和評估材料或結(jié)構(gòu)在各個尺度上的熱傳導性能，以指導隔熱層設(shè)計和優(yōu)化，提高建筑的節(jié)能效果。通過多尺度熱傳導分析，可以深入探究不同尺度下的熱傳導機制、傳熱路徑以及影響因素，為設(shè)計師提供科學依據(jù)，從而最大限度地降低熱損失，提高節(jié)能效果。通過從宏觀到微觀的多尺度熱傳導分析，可以全面理解建筑隔熱層內(nèi)部熱傳導機制，并根據(jù)不同尺度的分析結(jié)果，設(shè)計出更有效的隔熱層方案。這樣的設(shè)計可以最大程度地減少熱傳導，提高隔熱層的性能，從而實現(xiàn)建筑節(jié)能、舒適性和環(huán)保性的目標。

在上述條件的基礎(chǔ)上，建立下述建筑隔熱層的多尺度熱傳導性能模型：

式中，α0表示多尺度熱傳導系數(shù)，T外表面表示隔熱層的外表面溫度，T內(nèi)表面表示隔熱層內(nèi)表面溫度，T室外為室外綜合溫度，T隔熱層溫度為隔熱層結(jié)構(gòu)層的溫度，H為隔熱層厚度。Ti表示室內(nèi)氣溫。

尺度熱傳導系數(shù)是指在不同長度尺度下，描述隔熱層材料熱傳導性能的系數(shù)。通過在不同尺度上分析材料的熱傳導行為，可以深入了解材料內(nèi)部熱傳導機制的變化規(guī)律，為優(yōu)化隔熱層設(shè)計提供詳盡的熱性能指導。相比之下，敏感度系數(shù)則衡量了隔熱層熱傳導性能對參數(shù)變化的敏感程度，通過計算敏感度系數(shù)，可以確定影響隔熱層性能的關(guān)鍵因素，并有針對性地進行調(diào)整和優(yōu)化。而節(jié)能率作為評價隔熱層節(jié)能效果的指標，反映了隔熱層在減少熱量傳輸方面的效率和節(jié)能效果，是衡量隔熱層性能優(yōu)劣的重要參考依據(jù)。綜合考慮多尺度熱傳導系數(shù)、敏感度系數(shù)和節(jié)能率等指標，有助于全面評估隔熱層的熱傳導性能和節(jié)能效果，從而為建筑節(jié)能和環(huán)境保護提供科學的支持和指導。

在建筑隔熱層設(shè)計中，隔熱材料的多尺度熱傳導系數(shù)直接影響著隔熱效果的好壞。一般來說，隔熱材料的多尺度熱傳導系數(shù)越小，表明其在不同尺度上的熱傳導性能越好，隔熱效果越明顯，節(jié)能率相對較高。同時，敏感度系數(shù)的大小也會影響建筑隔熱層的節(jié)能效果。如果隔熱層材料的敏感度系數(shù)較低，即對參數(shù)變化不敏感，那么在實際應(yīng)用中可以更穩(wěn)定地保持較高的節(jié)能率。

因此，建筑隔熱層設(shè)計時，應(yīng)選擇具有較小多尺度熱傳導系數(shù)和較低敏感度系數(shù)的隔熱材料，以實現(xiàn)更高的節(jié)能率。在實際設(shè)計中，可以通過基于模擬分析和數(shù)據(jù)對比的方法，評估不同材料和參數(shù)設(shè)定下的多尺度熱傳導系數(shù)和敏感度系數(shù)，進而選擇最優(yōu)的隔熱層設(shè)計方案，從而達到提高建筑節(jié)能率的目的。綜上所述，建筑隔熱層多尺度熱傳導系數(shù)與敏感度系數(shù)密切相關(guān)，通過合理選材和設(shè)計，可提高隔熱層的節(jié)能性能，進而提高建筑的整體節(jié)能率和環(huán)保效益。

3 建筑隔熱層節(jié)能模型設(shè)計

建筑隔熱層的節(jié)能要求包括有效減少建筑內(nèi)外熱量傳輸、提高保溫性能，并符合當?shù)亟ㄖ?jié)能法規(guī)和標準。隔熱層設(shè)計需考慮材料的導熱系數(shù)、結(jié)構(gòu)密封性、厚度選擇等因素，以實現(xiàn)在各種氣候條件下的節(jié)能效果，促進建筑節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。建筑隔熱層節(jié)能材料具有良好的防潮性、防火性和耐久性，能夠有效隔離外部溫度對建筑內(nèi)部的影響，同時具備綠色環(huán)保特性，不含有害物質(zhì)，符合環(huán)保標準和建筑法規(guī)要求，以確保建筑隔熱層在提高節(jié)能效果的同時，保證建筑安全、舒適和環(huán)保。傳統(tǒng)建筑隔熱層節(jié)能設(shè)計往往忽視成本因素，導致高效隔熱層設(shè)計成本過高，限制了其實際應(yīng)用范圍。通過引入成本目標，可以將節(jié)能設(shè)計與經(jīng)濟可行性相結(jié)合，尋找最佳的成本效益平衡點，確保節(jié)能措施的實際可行性和經(jīng)濟性。

在以上要求下，在建筑隔熱層節(jié)能優(yōu)化過程中引入成本目標。建立建筑隔熱層子目標模型f：

式中，f0表示材料的單價成本；n表示建筑層數(shù)；S表示隔熱層總面積；h表示建筑高度。

由上述分析可知，多種因素均可對建筑隔熱層的節(jié)能產(chǎn)生影響，根據(jù)分析結(jié)果，建立建筑的年能耗子目標函數(shù)F：

式中，L表示隔熱層長度；φ表示夏季制冷能耗與隔熱層長度L之間的關(guān)系系數(shù)；φ表示冬季制冷能耗與隔熱層長度L之間的關(guān)系系數(shù)；A表示空調(diào)在夏季制冷產(chǎn)生的能耗；B表示空調(diào)在冬季制熱產(chǎn)生的能耗；C為設(shè)備運行產(chǎn)生的能耗。

將成本最低和保溫隔熱能耗最小作為優(yōu)化目標，建立建筑隔熱層節(jié)能優(yōu)化目標函數(shù)χ：

4 實驗與分析

為了驗證研究方法的整體有效性，需要對其展開測試。選擇5 層建筑作為測試環(huán)境，測試研究方法的建筑隔熱層的節(jié)能效果。利用EnergyPlus 模擬該建筑的頂層隔熱層的能耗。EnergyPlus 是美國國家標準和技術(shù)研究院（NIST）開發(fā)的一種廣泛使用的建筑能耗模擬軟件。它可模擬建筑物的熱、光、空氣和濕度等各個方面，并提供詳細的能耗分析結(jié)果。在該軟件中，模擬春夏秋冬4 個季節(jié)，全面測試研究方法下隔熱層節(jié)能效果。研究方法應(yīng)用前后不同季節(jié)下隔熱層能耗測試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 研究方法應(yīng)用前后不同季節(jié)下隔熱層能耗測試

通過圖2 可知，在研究方法應(yīng)用后，建筑隔熱層的能耗在一年四季均得到了有效抑制。這主要是因為在本次研究中，基于多尺度熱傳導分析構(gòu)建了建筑隔熱層的性能模型，并引入成本目標進行節(jié)能優(yōu)化。通過明確建筑隔熱層的節(jié)能要求和考慮成本因素，有效地優(yōu)化了隔熱層的設(shè)計與材料選擇，在保證節(jié)能效果的同時實現(xiàn)了經(jīng)濟合理性。由于優(yōu)化后的隔熱層結(jié)構(gòu)具備更高的保溫性能和節(jié)能效果，在一年四季中能夠有效抑制建筑能耗，使建筑在冬暖夏涼的控溫效果得到顯著提升，從而實現(xiàn)了全年能耗的有效控制和節(jié)約。

隔熱層成本直接關(guān)系到施工過程中的時間和人力成本。采用成本高昂的隔熱材料或復雜的施工工藝可能增加施工時間和勞動力消耗，而成本較低且施工簡便的材料和技術(shù)可以提高施工效率。基于此，為了進一步驗證本文方法的成本控制效果，以一年四季的總成本為指標，完成下面測試。研究方法應(yīng)用前后不同季節(jié)下隔熱層能耗測試結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3 可知，研究方法應(yīng)用下，建筑隔熱層節(jié)能處理的成本明顯降低，說明本文新引入的成本因素具有關(guān)鍵的參考價值，使得研究方法的實用性更優(yōu)。

5 結(jié)論

在本研究中，通過多尺度熱傳導分析優(yōu)化建筑隔熱層節(jié)能性，同時考慮節(jié)能要求和成本因素，構(gòu)建了綜合性的建筑隔熱層優(yōu)化模型。實驗結(jié)果驗證了該方法在一年四季均具有理想的節(jié)能效果，為建筑節(jié)能領(lǐng)域提供了重要的理論支持和實踐指導。

總結(jié)來看，本研究的方法不僅解決了建筑隔熱層節(jié)能優(yōu)化中存在的多尺度問題，還充分考慮了成本目標，實現(xiàn)了節(jié)能與經(jīng)濟的平衡。應(yīng)用前景廣闊，未來，可以進一步結(jié)合智能控制技術(shù)，實現(xiàn)建筑隔熱層的動態(tài)調(diào)節(jié)與管理，提升節(jié)能效果及舒適性。這一研究成果為推動建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展和實際應(yīng)用做出了重要貢獻，具有廣泛的應(yīng)用前景和實際意義。