保溫層
簡介
首先保溫層分為內牆保溫和外牆保溫。隨着全球經濟的發展，能源形勢嚴峻，建築節能已成為當今世界發展的潮流，更是當今世界發展的需要。在國內外，目前應用最多的建築外牆圍護結構節能措施即是外牆外保溫系統。合適的外牆外保溫層厚度可以提高建築圍護結構的保溫隔熱性能，降低建築能耗。對外牆外保溫系統保溫層厚度的研究已成為一個重要的問題。外牆保溫是指，由保溫材料組成，在外保溫系統中起到保溫隔熱作用的構造層。依據國家頒布的節能標準，從2001年10月1日起規定，新規劃的樓盤必須強制做外牆保溫層。
保溫層的主要作用就是起到房屋保溫、隔熱的作用。
最佳保溫層厚度
我國寒冷地區的既有住宅建築多屬磚混結構,建築圍護結構熱工性能差、牆體不保溫,造成了全年採暖空調能耗居高不下。改進建築圍護結構熱工性能是節能改造的關鍵,而外牆節能在建築節能中占有非常重要的位置,本文採用生命周期法對北方地區的城市居民樓簡單的平屋頂住宅建築進行能耗模擬,通過比較幾組具有不同厚度保溫層的負荷指標,分析了保溫層厚度對建築負荷的影響,並確定了最佳的經濟保溫層厚度。保溫層「經濟厚度」的計算方法, 不但考慮了傳熱基本原理, 而且考慮了保溫材料的投資費用、能源價格、貸款利率、導熱係數等經濟因素對保溫層厚度的影響。據生命周期分析法的原理，利用單位面積圍護結構（僅考慮屋頂）的採暖總耗費的數學模型，得出了一個簡單的保溫層經濟厚度的計算式。最後通過幾組數據進行驗證，並推廣為其他常見保溫材料的最佳保溫層厚度，進一步驗證所得結論的正確與合理性。
目前，我國對房屋建築的保溫隔熱性能提出了更高的要求，而目前很多城市居民樓尚且都還是簡單的平頂屋。外保溫是目前大力推廣的一種建築保溫節能技術。外保溫與內保溫相比，技術合理，有其明顯的優越性，使用同樣規格、同樣尺寸和性能的保溫材料，外保溫比內保溫的效果好。外保溫技術不僅適用於新建的結構工程，也適用於舊樓改造，適用於範圍廣，技術含量高；外保溫包在主體結構的外側，能夠保護主體結構，延長建築物的壽命；有效減少了建築結構的熱橋，增加建築的有效空間；同時消除了冷凝，提高了居住的舒適度。根據一系列的節能政策、法規、標準和強制性條文的指導下，我國住宅建設的節能工作不斷深入，節能標準不斷提高，引進開發了許多新型的節能技術和材料，在住宅建築中大力推廣使用。但我國目前的建築節能水平，還遠低於發達國家，我國建築單位面積能耗仍是氣候相近的發達國家的3倍~5倍。北方寒冷地區的建築採暖能耗已占當地全社會能耗的20%以上，且絕大部分都是採用火力發電和燃煤鍋爐，同時給環境帶來嚴重的污染。所以建築節能還是本世紀我國建築業的一個重要的課題。而同時牆體和屋頂作為建築物的重要圍護物件, 而其保溫層厚度又是決定於建築保溫水平的重要參數，於是針對增強保溫性能和節省熱能損失和能源浪費，設計最佳保溫層厚度有着重要的意義。
建築能耗在社會總能耗中占有很大的比例, 在西方發達國家, 建築能耗占社會總能耗的 30 %～45 %,而我國在社會經濟水平和生活水平都還不高的情況下, 建築能耗已占到社會總能耗的 20 %～25 %, 正逐步上升到 30 %, 並且高的建築能耗造成了大量化石燃料的使用, 帶來了越來越嚴重的大氣污染。為了減少建築能耗, 目前國家正在實施建築節能設計標準,提高建築圍護結構的保溫性能。
牆體是外圍護的主體, 要降低建築物的能耗, 首先要考慮牆體的節能, 因此外保溫複合牆體的保溫層厚度設計也越來越引起大家的重視。雖然提高外牆的保溫性能可以減少建築物的供熱能耗費用, 但也會增加外牆的建設成本, 提高建設方的一次建設基金, 並且保溫層的使用壽命是有限的, 因此不能無限制的加大保溫層厚度去減少能耗費用, 而要合理選擇保溫層的厚度使外牆在保溫層生命周期內所造成的採暖能耗費用和保溫層造價之和最低。
問題的重述
屋頂由里向外的結構是0.1(cm)塗料，1.5(cm)水泥砂漿20(cm)樓板，2(cm)水泥砂漿，珍珠岩保溫層，2(cm)水泥砂漿，1(cm)三氈四油防水材料。北方地區這樣的屋頂，夏季太陽日照下的表面溫度最高可以達到攝氏75度，冬季為攝氏零下40度。為了保持室內有較好的舒適溫度，又不造成浪費，設計最佳保溫層厚度及選擇最佳保溫材料。
模型假設
a. 假設研究對象為室內空氣維持在設定適宜值的空調建築。
b. 冬季建築物採暖熱負荷包括圍護結構的耗熱量和冷風滲透的耗熱量，其中認為冷風滲透的耗熱量不直接影響圍護結構的熱阻，而在計算保溫層最佳厚度時只考慮屋頂耗熱量的影響。
c. 假設屋頂結構體及保溫層材料均勻，熱傳導係數是常數。
d. 室內溫度和室外溫度保持不變，且熱傳導過程已處於穩定狀態。
e. 室內空氣與圍護結構內表面之間允許溫度差攝氏4度，即在冬季平頂屋室內空氣比內牆壁高4攝氏度。
f. 北方地區屋頂，夏季太陽日照下的表面溫度最高達攝氏75度，冬季為攝氏零下40度。
建立模型
模型中使用的主要參數說明
Q 單位面積的透過屋頂損失的熱量，W/ m2
K 圍護結構的傳熱係數，W/（m2·℃）
ΔT 室內外溫差，℃。
Qn 年採暖耗熱量，J/m2
HDD 採暖度日數，℃·d
Ri 由里到外屋頂結構材料的傳熱阻，m2·K/W
R 保溫層的熱阻，m2·K/W
di 由里到外屋頂結構材料的厚度，m
d 保溫層的厚度
i 材料各層的導熱係數，W·m/K
λ 保溫層的導熱係數，W·m/K
W 單位面積年採暖總費用，￥/ m2；
WT 單位面積保溫層的投資費用，￥/ m2；
WN 單位面積年採暖耗熱費用
WY 單位面積採暖年運行費用，￥/ m2·a
PWF 貼現係數
i 銀行利潤
I 現貼率
g 通貨膨脹率
N 使用年限
P 單位體積保溫材料的造價
C 單位時間的電價,￥/h
H 空調單位面積單位時間的發熱量, J/h
η 採暖系統的總效率
Vi 採暖或降暖日數，d
有關概念的定義
（1）厚度為d的均勻介質，兩側溫度差為ΔT，則單位時間由溫度高的一側向溫度低的一側通過單位面積的熱量Q與ΔT成正比，即： Q=kΔT, k為熱傳導係數，其中k= ,R為介質的傳熱阻
（2）PWF－貼現係數（Present Worth Factor），是把今後某一日期收到或支付的款項，折算為現值的過程。一元資金在不同時期的現值，叫做貼現係數，即將資金的將來值折算成現值。
（3）所謂採暖度日數 HDD(Heating Degree Days) 是指一段時間 ( 月、季或年 ) 日平均溫度低於 65 °F(18.3 ° C) 的累積度數。如果日平均溫度高於 65 °F,那麼這一天無採暖度日數。
問題的分析
屋頂是建築物的重要圍護結構,為確保其保持室溫,減少熱損的功能. 尤其是在嚴寒地區,在保證寒冷地區冬季室內氣溫達到應有的標準的情況下，還需把其採暖費用作為重要考慮因素。保溫層厚度是決定建築保溫水平的重要參數。一般隨着保溫層厚度的增加，圍護結構的絕熱性能提高，從而降低建築負荷，採暖設備造價和採暖系統運行費用也相應降低；但同時，圍護結構的建造費用也相應增加，因此，一定存在某一特定的保溫層厚度，即經濟厚度d ，使建築物總費用（建造費用和經營費用之和）最小。於是考慮建立關於總費用W的目標函數，其包括保溫層的投資費用和採暖耗熱費用，其中對於採暖好熱費用，考慮經濟和節能，採用生命周期法，建立節能建築設計的數學模型。建立關於保溫層厚度d的關係式，得到計算經濟厚度的關係，使得目標函數W最小，對應的即為最佳厚度d。由此得到最佳保溫厚度，變換保溫材料時只需替代導熱係數，結合數據得到最佳保溫材料。
不同材料的保溫層最佳厚度的比較分析
不同材料保溫層的最佳厚度
實際上保溫效果：聚氨酯泡沫最好，擠塑板次之，苯板最差；
耐冷熱性能：聚氨酯泡沫最好，擠塑板次之，苯板最差；
吸水率（性）：擠塑板最低，聚氨酯次之，苯板最易吸水；
使用壽命：聚氨酯泡沫最長，擠塑板次之，苯板最差；
價格：聚氨酯泡沫最高，擠塑板次之，苯板最低；
聚氨酯現場發泡（噴塗）可直接現場噴塗成型（液體膨脹），成型、運輸方便；其他兩種板材需要運輸、粘貼，較為麻煩且會存在一定的破損，有拼接縫存在。
模式的改進和推廣
對於室內外的溫差計算，本文採用室內達到適宜溫度時與外界最高溫差的一半作為一段時間內的平均溫差，然而實際上溫度差隨着外界氣候、環境、時間等因素時刻發生變化。為此，對於室外溫差的計算應考慮建立動態負荷和保溫層厚度之間的關係式。
本文是是着重從經濟學的角度來確定最佳保溫層厚度。然而實際上保溫層厚度的選擇不僅關係到節約能源問題，同時也關係到環境保護問題，能源日益短缺的及國內乃至世界日趨嚴重的近日更加顯得重要和必須。倘若在圍護保溫層材料的選擇上考慮其對環境的影響，以及其所需消耗熱源燃料產生的污染物量進行評估，使得選取的厚度在經濟和環境的效益最佳。
在設置集中採暖的建築物，其圍護結構的傳熱阻除了根據技術經濟的比較確定，而且要符合國家有關節能標準的要求，對於居住平頂屋等建築圍護結構的最小熱阻應按一下計算公式計算的結構進行附加，其最小的傳熱阻按以下計算確定：
Rmin——圍護結構最小傳熱阻（m2·K/W）
ti——冬季室內計算溫度，一般取20°C。
te——圍護結構冬季室外計算溫度，單位：°C。
n——溫差修正數係數，外牆，平屋頂取1.00。
ΔT——室內空氣與圍護結構內表面之間的允許溫差°C。
Rk——圍護結構內表面換熱阻（m2·K/W）
於是，在所建模型中增加評估條件：最小保溫層厚度d應滿足 ，這在實際工程中，對於圍護保溫層的厚度確定亦有着重要的意義。
評價與分析
由於實際情況的千變萬化，因此我們得到的數據和假定的在實際操作中總存在着微小的誤差，因此一個好的模型絕不能由這些微小變動而導致結果的較大改變。為了我們所做的模型能進行比較全面的測試，同時考慮到實際情況，我們選用適宜參數的條件下，設定了一些合理的初始條件，利用計算機進行模型檢驗，得到包括珍珠保溫層在內的一系列保溫材料的最佳保溫厚度，並且其計算結果亦與實際工程設計中採用的保溫層厚度比較接近。
保溫層厚度的選擇關係到節能建築的造價和運行成本的經濟性問題。生命周期耗費分析法計算保溫層經濟厚度的數學模型，考慮了建築物在其生命周期中的採暖能耗，具有科學簡單、方便等特點。當缺少採暖系統數據資料時，利用設計規範針對性和適應性較好，對於工程設計具有一定的參考和應用價值，可用於新建或舊有建築改造以及新型保溫材料的設計計算。但是在呼籲以人為本，全面協調可持續發展的今天，從經濟和環境兩方面綜合考慮保溫層厚度，應該更為合理，意義更為重大。[2]