基于LCA理論的保溫材料對建筑能耗及回收期的影響分析

龔健沖，楊雪玲

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473009）

基于LCA理論的保溫材料對建筑能耗及回收期的影響分析

龔健沖，楊雪玲

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473009）

通過考慮建筑的使用周期、保溫層厚度和基層墻體的傳熱系數(shù)等因素，建立保溫材料生產(chǎn)能耗和建筑運(yùn)行能耗以及單位面積墻體總能耗計(jì)算模型，分析不同種類保溫材料對總單位面積墻體總能耗的影響，進(jìn)而建立最佳保溫層厚度和回收期計(jì)算模型。結(jié)果表明，不同材料的總能耗不同，但是都存在一個(gè)最低能耗值，該值對應(yīng)的厚度即為最佳保溫層厚度。隨著保溫層厚度的增加，能耗回收期也逐漸延長。此外，基層墻體（未做保溫層的墻體）的傳熱系數(shù)也影響能耗回收期，傳熱系數(shù)越大，能耗回收期也越長。

LCA理論；全生命周期；保溫材料；能耗；回收期

0 前言

人口膨脹、環(huán)境污染和能源短缺是當(dāng)今和未來世界面臨的三大難題，也是人類為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展必須尋求正常途徑予以解決的重大課題。在我國，雖然能源總量居世界第3位，但人均能源占有量卻不到世界平均水平的一半。而建筑業(yè)作為耗能大戶，其能耗約占總能耗的30%左右，居各種能耗首位，其中60%以上消耗在冬季采暖和夏季制冷空調(diào)上[1]。 Adalbert[2]對北歐地區(qū)普通建筑能耗的研究表明，在建筑物50年的壽命中，建筑材料消耗的能量占建筑物全生命周期總能耗的10%～15%。建筑節(jié)能的重點(diǎn)應(yīng)該從建筑本體和建筑設(shè)備領(lǐng)域發(fā)展建筑節(jié)能的創(chuàng)新技術(shù)做起，尤其是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫技術(shù)方面。目前在建筑節(jié)能的各項(xiàng)措施中，偏重了節(jié)能建材的保溫隔熱性能，而忽視了其生產(chǎn)過程中的能耗，所以使用階段看似節(jié)能的建筑，在全壽命周期內(nèi)，很可能是高耗能的。因此，為了選取合適的保溫材料，應(yīng)該使得建筑總的一次能耗達(dá)到最優(yōu)。

本文以全生命周期評價(jià)（Life Cycle Assessment，簡稱LCA）理論為基礎(chǔ)，綜合考慮以保溫材料的生產(chǎn)能耗和運(yùn)行能耗為基礎(chǔ)的建筑總能耗計(jì)算模型，選取聚苯乙烯發(fā)泡板、聚氨酯硬泡和真空絕熱板3種類型的保溫材料為案例，研究和分析3種保溫材料對建筑總能耗的影響。進(jìn)而分析不同保溫層厚度對總能耗的影響，根據(jù)總能量消耗的最低值，找到不同保溫材料的最佳保溫層厚度。同時(shí)，考慮使用不同保溫材料后，每年建筑運(yùn)行能耗節(jié)約的值，得到生產(chǎn)不同保溫材料所用能耗的回收期。研究結(jié)果可為選擇合適的保溫材料提供理論依據(jù)。

1 LCA的定義及其評價(jià)思路與步驟

1.1 LCA評價(jià)的定義

1997年ISO制訂的LCA標(biāo)準(zhǔn)（ISO 14040）中對LCA的定義是對產(chǎn)品系統(tǒng)在整個(gè)壽命周期中的（能量和物質(zhì)的）輸入輸出和潛在的環(huán)境影響的匯編和評價(jià)。具體的說，LCA評價(jià)的對象是產(chǎn)品、處理過程（工藝）或活動；評價(jià)的范圍覆蓋了整個(gè)壽命周期，包括原材料的提取與加工、制造、運(yùn)輸和分發(fā)、使用、再使用、維持、循環(huán)回收，直到最終的廢棄，評價(jià)的內(nèi)容是產(chǎn)品、處理過程（工藝）或活動的環(huán)境負(fù)荷的過程[2]。

1.2 LCA評價(jià)的思路與步驟

LCA評價(jià)產(chǎn)品環(huán)境影響的主要思路是：通過收集與產(chǎn)品相關(guān)的環(huán)境編目數(shù)據(jù)，應(yīng)用LCA定義的計(jì)算方法，從資源消耗、人體健康和生態(tài)環(huán)境影響等方面對產(chǎn)品的環(huán)境影響作出定性和定量的評估，并進(jìn)一步分析和尋找改善產(chǎn)品環(huán)境表現(xiàn)的時(shí)機(jī)與途徑。環(huán)境編目數(shù)據(jù)是指在產(chǎn)品壽命周期中流入和流出產(chǎn)品系統(tǒng)的物質(zhì)/能量流。物質(zhì)流既包含了產(chǎn)品在整個(gè)壽命周期中消耗的所有資源，也包含所有的廢棄物以及產(chǎn)品本身。可以看到，LCA的評價(jià)是建立在具體的環(huán)境編目數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上的，這也是LCA方法最基本的特性之一，是實(shí)現(xiàn)LCA客觀性和科學(xué)性的必要保證，是進(jìn)行量化計(jì)算和分析的基礎(chǔ)。

在LCA標(biāo)準(zhǔn)中，詳細(xì)地定義了具體的評價(jià)實(shí)施步驟，它分為目標(biāo)和范圍定義、編目分析、環(huán)境影響評價(jià)與改善評價(jià)4個(gè)相互關(guān)聯(lián)的要素組成[3]。

第1步：目標(biāo)和范圍定義。它是根據(jù)項(xiàng)目研究的理由、應(yīng)用意圖以及決策者所需要的信息，確定評價(jià)目的的定義，并按照評價(jià)目的界定研究范圍。目標(biāo)和范圍定義是整個(gè)生命周期評價(jià)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)；

第2步：編目分析。它是對一種產(chǎn)品的工藝過程或活動過程在其整個(gè)生命周期內(nèi)的能量與原材料需要量及對環(huán)境的排放進(jìn)行以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的客觀量化過程。編目分析是全生命周期評價(jià)4個(gè)環(huán)節(jié)中發(fā)展最完善的一部分；

第3步：環(huán)境影響評價(jià)。它是對編目分析階段所辨識出來的環(huán)境負(fù)荷影響進(jìn)行定量和（或）定性的描述與評價(jià)，是全生命周期評價(jià)的核心內(nèi)容，也是難度最大的部分；

第4步：改善評價(jià)。它是評估系統(tǒng)在產(chǎn)品、工藝或活動的整個(gè)生命周期內(nèi)削減能源、原材料使用以及環(huán)境釋放的需求與機(jī)會。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 研究對象的選取

本研究目的在于確定保溫材料對能量消耗的影響，這些能量消耗用來補(bǔ)償外圍結(jié)構(gòu)的熱量損失。本研究選擇了3種保溫材料進(jìn)行分析，分別是聚氨酯硬泡、聚苯乙烯發(fā)泡板和真空絕熱板。民用住宅建筑一般的壽命年限為50年，對于正常使用和維護(hù)情況下保溫材料使用年限一般為20～30年[4]。在此建筑保溫材料的生命周期假設(shè)為20年，作為墻體材料為全年計(jì)算。本研究采用1個(gè)單位面積的圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元作為功能單元，用來確定保溫材料的能耗以及通過外圍結(jié)構(gòu)熱傳遞作用的熱能損失。保溫材料的密度和導(dǎo)熱系數(shù)為基本參數(shù)[5-6]，要得到建筑材料的生產(chǎn)所需能量，需要大量的調(diào)研收集工作，就現(xiàn)在情況來看國內(nèi)公開生產(chǎn)單位質(zhì)量保溫材料所需的能量數(shù)據(jù)信息較少[7]。該文的參考數(shù)據(jù)主要來源于文獻(xiàn)[8]。所選用的3種保溫材料的性能參數(shù)及生產(chǎn)單位質(zhì)量保溫材料所需能量如表1所示。

2.2 單位面積墻體總能耗的計(jì)算

單位面積墻體總能源消耗計(jì)算見式（1）：

式中：Qz——單位面積墻體總能源消耗，kW·h/m2；

Qs——生產(chǎn)保溫材料需要的一次能源消耗，kW·h/m2；

Qb——補(bǔ)償通過墻體的熱損失需要的一次能源消耗，kW·h/m2。

式中：ρs——保溫材料的密度，kg/m3；

δs——保溫層厚度，m；

Bs——生產(chǎn)單位質(zhì)量保溫材料所需一次能耗，MJ/kg。

式中：η——墻體的總傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

N——建筑保溫材料的生命周期，年；

T——供暖度日數(shù)，K·d；

μ——供熱設(shè)備的熱效率；

ζ——供熱管道的輸送效率。

其中墻體的總傳熱系數(shù)η的計(jì)算見式（4）：

式中：R墻內(nèi)——墻體內(nèi)表面熱阻，m2·K/W；

R基層——基層墻體熱阻，m2·K/W；

R保溫——保溫層熱阻，m2·K/W；

R墻外——墻體外表面熱阻，m2·K/W；

α墻內(nèi)——墻體內(nèi)表面對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

K基層——基層墻體的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

δs——保溫層厚度，m；

λs——保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

α墻外——墻體外表面對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

所以，單位面積墻體總能耗的計(jì)算見式（5）：

2.3 最佳保溫層厚度計(jì)算

根據(jù)總能量消耗的最低值，找到不同保溫材料的最佳保溫層厚度。

將式（5）對δs進(jìn)行求導(dǎo)，并令其為0，得式（6）：

可得最佳保溫層厚度：

2.4 能耗回收期計(jì)算

每年通過無保溫層基層墻體的熱損失為：

式中：Q無保溫層——通過基層墻體的熱損失，kW·h/（m2·年）。

加保溫層后每年通過墻體的熱損失為：

式中：Q有保溫層——加保溫層后每年通過基層墻體的熱損失，kW·h/（m2·年）。

加保溫層后減少的熱損失能耗為：

則生產(chǎn)保溫層所需能耗的回收期為：

2.5 假設(shè)條件及計(jì)算條件

為了簡化模型計(jì)算，特提出如下假設(shè)條件及計(jì)算條件：

（1）在計(jì)算單位面積墻體總能源消耗時(shí)，根據(jù)GB50176—1993《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》，鄭州地區(qū)T=1660 K·d；設(shè)μ= 91%，ζ=92%，R墻內(nèi)=0.11 m2·K/W，R墻外=0.04 m2·K/W。

（2）在研究分析不同保溫層厚度對能耗的影響與能耗回收期時(shí)，假設(shè)K基層=1.71 W/（m2·K）（假設(shè)建筑的基層墻體為加氣混凝土空心砌塊結(jié)構(gòu)）；建筑外墻保溫層厚度δs為30～100 mm。

（3）在分析不同基層墻體傳熱系數(shù)對能耗的影響時(shí)，為了簡化計(jì)算與便于分析，假設(shè)保溫層厚度δs均為50 mm。

（4）本文的研究條件與界定范圍主要為保溫材料的使用對建筑供暖期間能源消耗的影響。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 不同保溫層厚度對能耗的影響

3種不同保溫材料保溫層厚度對能耗的影響分別見表2～表4。

當(dāng)基層墻體的傳熱系數(shù)一定時(shí)，保溫材料對能源消耗的影響主要取決于建筑保溫層厚度。從表2～表4可以看出，3種保溫材料生產(chǎn)能耗、單位面積墻體總能耗和加保溫層后的熱損失隨不同保溫層厚度的變化趨勢。以表2為例，聚氨酯硬泡的生產(chǎn)能耗隨保溫層厚度的升高呈線性增加，而建筑在運(yùn)行階段的熱損失顯示相反的變化趨勢。當(dāng)應(yīng)用保溫材料后，隨著保溫層厚度的增加，熱損失相應(yīng)進(jìn)一步減少。

根據(jù)式（7）計(jì)算可得出，聚氨酯硬泡、聚苯乙烯發(fā)泡板、真空絕熱板的能耗最佳保溫層厚度分別為：109、32、126 mm。

3.2 不同種類保溫材料對能耗的影響

從表2～表4可以看出，在生命周期均為20年，基層墻體傳熱系數(shù)一定時(shí)，3種保溫材料所消耗的總能量是不同的。在保溫層厚度較小時(shí)，采用聚苯乙烯發(fā)泡板和聚氨酯硬泡的墻體總能量消耗相對大，真空絕熱板的總能耗較小，但隨厚度的增加，聚苯乙烯發(fā)泡板和聚氨酯的總能量消耗越來越小，真空絕熱板的總能耗越來越大。

3.3 加不同厚度保溫層的能耗回收期分析

由表2～表4按式（11）計(jì)算可得到3種保溫材料對應(yīng)不同保溫層厚度時(shí)的能耗回收期（見表5）。

從表5可以看出，當(dāng)基層墻體的傳熱系數(shù)一定且保溫材料的生命周期一定時(shí)，影響建筑保溫材料能耗回收期的主要因素是保溫層的厚度。顯然，隨著保溫層厚度的增加，保溫材料的能耗回收期也相應(yīng)延長。另外還可以發(fā)現(xiàn)，不同的建筑保溫材料的能耗回收期也是不一樣的，特別是真空絕熱板的能耗回收期，隨著保溫層厚度的增加，呈線性增加。

3.4 不同基層墻體傳熱系數(shù)對能耗回收期的影響（見圖1）

從圖1可以看出，當(dāng)基層墻體的傳熱系數(shù)降低時(shí)，能耗回收期大大延長[9]。當(dāng)保溫墻體傳熱系數(shù)為0.2 W/（m2·K）時(shí)，真空絕熱板、聚氨酯硬泡、聚苯乙烯發(fā)泡板的能耗回收期分別為是72、21和10年，當(dāng)傳熱系數(shù)為1.0 W/（m2·K）時(shí)，3種材料的能耗回收期分別下降到13、2和1年。因此，在做建筑節(jié)能時(shí)，在不違反相關(guān)規(guī)定的前提下，為了能夠在建筑的使用生命周期內(nèi)盡快回收成本，基層墻體可以選擇傳熱系數(shù)相對較大的建筑材料。

4 結(jié)語

利用生命周期法計(jì)算和分析研究建筑保溫材料對建筑能耗的影響，考慮了建筑在建造和使用整個(gè)生命周期的能源消耗，得出以下結(jié)論。

（1）通過建立能耗計(jì)算模型，分析了聚氨酯硬泡、聚苯乙烯發(fā)泡板和真空絕熱板3種保溫材料對建筑能耗的影響。隨著保溫層厚度的增加，3種保溫材料能耗均開始降低，達(dá)到最小值后逐漸增大。其中真空絕熱板的變化最為突出。

（2）通過對聚氨酯硬泡、聚苯乙烯發(fā)泡板和真空絕熱板3種保溫材料的能耗模擬，得出其最佳保溫層厚度分別為109、32、126 mm。

（3）分析了3種材料的能耗回收期，在墻體傳熱系數(shù)一定時(shí)，隨著保溫層厚度的增加，能耗回收期也逐漸延長；在保溫層厚度一定時(shí)，隨著基層墻體傳熱系數(shù)的增加，能耗回收期逐漸縮短。

（4）不論是從保溫層厚度考慮，還是從建筑基層墻體的傳熱系數(shù)考慮，真空絕熱板需要的能耗回收期都是最長的，而聚苯乙烯則是需要能耗回收期最短的。因此，選擇保溫材料時(shí)應(yīng)綜合考慮單位面積墻體總能耗。

[1]北京市建筑材料管理辦公室，北京土木建筑學(xué)會，北京市建設(shè)物資協(xié)會建筑節(jié)能專業(yè)委員會．建筑節(jié)能工程施工技術(shù)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]ADALBERT K．Energy use during the life cycle of single-unit dwelldings：example[J]．Building and Environment，1997，32（4）：321-329．

[3]劉忠文．ISO14040生命周期評價(jià)概述[J]．環(huán)境導(dǎo)報(bào)，1998，15（1）：32-33．

[4]呂濤，李善波.基于全壽命周期的外墻外保溫材料成本比較研究[J]．廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（3）：67-71.

[5]JCJ 26—2010，民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[6] 劉炳南，閆靜茹．保溫材料在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的全壽命周期經(jīng)濟(jì)評價(jià)[J]．建筑經(jīng)濟(jì)，2012（8）：102-104.

[7]周燕，襲光彩．基于分析炯和生命周期評價(jià)的既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造[J]．科技導(dǎo)報(bào)，2010，28（23）：99-103.

[8]Siraki K.Bewertungvon Wohngebaudenunter Lebenszyklusaspekten[J].Selbstverlagdes Lehrstuhlsftir Energie systeme und Energie wirtschaft，Ruhr-Universitat Bochum，2007（5）：33-39.

[9] 楊俊蘭，苗國偉，姚鉬超．保溫材料對建筑能耗及回收期的影響分析[J]．建筑科學(xué)，2014（6）：91.

Analysis on the effect of LCA theory-based insulation materials on building energy consumption and payback period

GONG Jianchong，YANG Xueling
（Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473009，Henan，China）

By considering the building life cycle,insulation thickness and base course wall heat transfer coefficient，establish computing model of building insulation materials production energy consumption，building operation energy consumption and total energy consumption of per unit area of the wall，analyze the effect of different types of insulation materials on the total energy consumption per unit area of the wall，so as to establish the computing model of optimal thermal insulation thickness and payback period.The results show that the total energy consumption of different materials is different，but there is a minimum energy consumption value that corresponds to the optimal thickness of the insulation layer.With the increase of the insulation layer thickness，the energy payback period is gradually extended.In addition，base course wall（wall without making insulation layer）heat transfer coefficient also influences the energy payback period，the greater the heat transfer coefficient，the longer the energy payback period.

LCA theory，life cycle，insulation materials，energy consumption，payback period

TU111.4+1

A

1001-702X（2015）06-0032-04

2014-11-02

龔健沖，男，1966年生，江蘇海門人，副教授，主要從事基建管理、建筑節(jié)能研究工作。