龚健冲，杨雪玲

（河南工业职业技术学院，河南 南阳 473009）

基于LCA理论的保温材料对建筑能耗及回收期的影响分析

龚健冲，杨雪玲

（河南工业职业技术学院，河南 南阳 473009）

通过考虑建筑的使用周期、保温层厚度和基层墙体的传热系数等因素，建立保温材料生产能耗和建筑运行能耗以及单位面积墙体总能耗计算模型，分析不同种类保温材料对总单位面积墙体总能耗的影响，进而建立最佳保温层厚度和回收期计算模型。结果表明，不同材料的总能耗不同，但是都存在一个最低能耗值，该值对应的厚度即为最佳保温层厚度。随着保温层厚度的增加，能耗回收期也逐渐延长。此外，基层墙体（未做保温层的墙体）的传热系数也影响能耗回收期，传热系数越大，能耗回收期也越长。

LCA理论；全生命周期；保温材料；能耗；回收期

0 前言

人口膨胀、环境污染和能源短缺是当今和未来世界面临的三大难题，也是人类为了实现可持续发展必须寻求正常途径予以解决的重大课题。在我国，虽然能源总量居世界第3位，但人均能源占有量却不到世界平均水平的一半。而建筑业作为耗能大户，其能耗约占总能耗的30%左右，居各种能耗首位，其中60%以上消耗在冬季采暖和夏季制冷空调上[1]。 Adalbert[2]对北欧地区普通建筑能耗的研究表明，在建筑物50年的寿命中，建筑材料消耗的能量占建筑物全生命周期总能耗的10%～15%。建筑节能的重点应该从建筑本体和建筑设备领域发展建筑节能的创新技术做起，尤其是建筑围护结构的保温技术方面。目前在建筑节能的各项措施中，偏重了节能建材的保温隔热性能，而忽视了其生产过程中的能耗，所以使用阶段看似节能的建筑，在全寿命周期内，很可能是高耗能的。因此，为了选取合适的保温材料，应该使得建筑总的一次能耗达到最优。

本文以全生命周期评价（Life Cycle Assessment，简称LCA）理论为基础，综合考虑以保温材料的生产能耗和运行能耗为基础的建筑总能耗计算模型，选取聚苯乙烯发泡板、聚氨酯硬泡和真空绝热板3种类型的保温材料为案例，研究和分析3种保温材料对建筑总能耗的影响。进而分析不同保温层厚度对总能耗的影响，根据总能量消耗的最低值，找到不同保温材料的最佳保温层厚度。同时，考虑使用不同保温材料后，每年建筑运行能耗节约的值，得到生产不同保温材料所用能耗的回收期。研究结果可为选择合适的保温材料提供理论依据。

1 LCA的定义及其评价思路与步骤

1.1 LCA评价的定义

1997年ISO制订的LCA标准（ISO 14040）中对LCA的定义是对产品系统在整个寿命周期中的（能量和物质的）输入输出和潜在的环境影响的汇编和评价。具体的说，LCA评价的对象是产品、处理过程（工艺）或活动；评价的范围覆盖了整个寿命周期，包括原材料的提取与加工、制造、运输和分发、使用、再使用、维持、循环回收，直到最终的废弃，评价的内容是产品、处理过程（工艺）或活动的环境负荷的过程[2]。

1.2 LCA评价的思路与步骤

LCA评价产品环境影响的主要思路是：通过收集与产品相关的环境编目数据，应用LCA定义的计算方法，从资源消耗、人体健康和生态环境影响等方面对产品的环境影响作出定性和定量的评估，并进一步分析和寻找改善产品环境表现的时机与途径。环境编目数据是指在产品寿命周期中流入和流出产品系统的物质/能量流。物质流既包含了产品在整个寿命周期中消耗的所有资源，也包含所有的废弃物以及产品本身。可以看到，LCA的评价是建立在具体的环境编目数据基础之上的，这也是LCA方法最基本的特性之一，是实现LCA客观性和科学性的必要保证，是进行量化计算和分析的基础。

在LCA标准中，详细地定义了具体的评价实施步骤，它分为目标和范围定义、编目分析、环境影响评价与改善评价4个相互关联的要素组成[3]。

第1步：目标和范围定义。它是根据项目研究的理由、应用意图以及决策者所需要的信息，确定评价目的的定义，并按照评价目的界定研究范围。目标和范围定义是整个生命周期评价中最重要的一个环节；

第2步：编目分析。它是对一种产品的工艺过程或活动过程在其整个生命周期内的能量与原材料需要量及对环境的排放进行以数据为基础的客观量化过程。编目分析是全生命周期评价4个环节中发展最完善的一部分；

第3步：环境影响评价。它是对编目分析阶段所辨识出来的环境负荷影响进行定量和（或）定性的描述与评价，是全生命周期评价的核心内容，也是难度最大的部分；

第4步：改善评价。它是评估系统在产品、工艺或活动的整个生命周期内削减能源、原材料使用以及环境释放的需求与机会。

2 计算模型的建立

2.1 研究对象的选取

本研究目的在于确定保温材料对能量消耗的影响，这些能量消耗用来补偿外围结构的热量损失。本研究选择了3种保温材料进行分析，分别是聚氨酯硬泡、聚苯乙烯发泡板和真空绝热板。民用住宅建筑一般的寿命年限为50年，对于正常使用和维护情况下保温材料使用年限一般为20～30年[4]。在此建筑保温材料的生命周期假设为20年，作为墙体材料为全年计算。本研究采用1个单位面积的围护结构单元作为功能单元，用来确定保温材料的能耗以及通过外围结构热传递作用的热能损失。保温材料的密度和导热系数为基本参数[5-6]，要得到建筑材料的生产所需能量，需要大量的调研收集工作，就现在情况来看国内公开生产单位质量保温材料所需的能量数据信息较少[7]。该文的参考数据主要来源于文献[8]。所选用的3种保温材料的性能参数及生产单位质量保温材料所需能量如表1所示。

2.2 单位面积墙体总能耗的计算

单位面积墙体总能源消耗计算见式（1）：

式中：Qz——单位面积墙体总能源消耗，kW·h/m2；

Qs——生产保温材料需要的一次能源消耗，kW·h/m2；

Qb——补偿通过墙体的热损失需要的一次能源消耗，kW·h/m2。

式中：ρs——保温材料的密度，kg/m3；

δs——保温层厚度，m；

Bs——生产单位质量保温材料所需一次能耗，MJ/kg。

式中：η——墙体的总传热系数，W/（m2·K）；

N——建筑保温材料的生命周期，年；

T——供暖度日数，K·d；

μ——供热设备的热效率；

ζ——供热管道的输送效率。

其中墙体的总传热系数η的计算见式（4）：

式中：R墙内——墙体内表面热阻，m2·K/W；

R基层——基层墙体热阻，m2·K/W；

R保温——保温层热阻，m2·K/W；

R墙外——墙体外表面热阻，m2·K/W；

α墙内——墙体内表面对流换热系数，W/（m2·K）；

K基层——基层墙体的传热系数，W/（m2·K）；

δs——保温层厚度，m；

λs——保温材料导热系数，W/（m·K）；

α墙外——墙体外表面对流换热系数，W/（m2·K）。

所以，单位面积墙体总能耗的计算见式（5）：

2.3 最佳保温层厚度计算

根据总能量消耗的最低值，找到不同保温材料的最佳保温层厚度。

将式（5）对δs进行求导，并令其为0，得式（6）：

可得最佳保温层厚度：

2.4 能耗回收期计算

每年通过无保温层基层墙体的热损失为：

式中：Q无保温层——通过基层墙体的热损失，kW·h/（m2·年）。

加保温层后每年通过墙体的热损失为：

式中：Q有保温层——加保温层后每年通过基层墙体的热损失，kW·h/（m2·年）。

加保温层后减少的热损失能耗为：

则生产保温层所需能耗的回收期为：

2.5 假设条件及计算条件

为了简化模型计算，特提出如下假设条件及计算条件：

（1）在计算单位面积墙体总能源消耗时，根据GB50176—1993《民用建筑热工设计规范》，郑州地区T=1660 K·d；设μ= 91%，ζ=92%，R墙内=0.11 m2·K/W，R墙外=0.04 m2·K/W。

（2）在研究分析不同保温层厚度对能耗的影响与能耗回收期时，假设K基层=1.71 W/（m2·K）（假设建筑的基层墙体为加气混凝土空心砌块结构）；建筑外墙保温层厚度δs为30～100 mm。

（3）在分析不同基层墙体传热系数对能耗的影响时，为了简化计算与便于分析，假设保温层厚度δs均为50 mm。

（4）本文的研究条件与界定范围主要为保温材料的使用对建筑供暖期间能源消耗的影响。

3 计算结果与分析

3.1 不同保温层厚度对能耗的影响

3种不同保温材料保温层厚度对能耗的影响分别见表2～表4。

当基层墙体的传热系数一定时，保温材料对能源消耗的影响主要取决于建筑保温层厚度。从表2～表4可以看出，3种保温材料生产能耗、单位面积墙体总能耗和加保温层后的热损失随不同保温层厚度的变化趋势。以表2为例，聚氨酯硬泡的生产能耗随保温层厚度的升高呈线性增加，而建筑在运行阶段的热损失显示相反的变化趋势。当应用保温材料后，随着保温层厚度的增加，热损失相应进一步减少。

根据式（7）计算可得出，聚氨酯硬泡、聚苯乙烯发泡板、真空绝热板的能耗最佳保温层厚度分别为：109、32、126 mm。

3.2 不同种类保温材料对能耗的影响

从表2～表4可以看出，在生命周期均为20年，基层墙体传热系数一定时，3种保温材料所消耗的总能量是不同的。在保温层厚度较小时，采用聚苯乙烯发泡板和聚氨酯硬泡的墙体总能量消耗相对大，真空绝热板的总能耗较小，但随厚度的增加，聚苯乙烯发泡板和聚氨酯的总能量消耗越来越小，真空绝热板的总能耗越来越大。

3.3 加不同厚度保温层的能耗回收期分析

由表2～表4按式（11）计算可得到3种保温材料对应不同保温层厚度时的能耗回收期（见表5）。

从表5可以看出，当基层墙体的传热系数一定且保温材料的生命周期一定时，影响建筑保温材料能耗回收期的主要因素是保温层的厚度。显然，随着保温层厚度的增加，保温材料的能耗回收期也相应延长。另外还可以发现，不同的建筑保温材料的能耗回收期也是不一样的，特别是真空绝热板的能耗回收期，随着保温层厚度的增加，呈线性增加。

3.4 不同基层墙体传热系数对能耗回收期的影响（见图1）

从图1可以看出，当基层墙体的传热系数降低时，能耗回收期大大延长[9]。当保温墙体传热系数为0.2 W/（m2·K）时，真空绝热板、聚氨酯硬泡、聚苯乙烯发泡板的能耗回收期分别为是72、21和10年，当传热系数为1.0 W/（m2·K）时，3种材料的能耗回收期分别下降到13、2和1年。因此，在做建筑节能时，在不违反相关规定的前提下，为了能够在建筑的使用生命周期内尽快回收成本，基层墙体可以选择传热系数相对较大的建筑材料。

4 结语

利用生命周期法计算和分析研究建筑保温材料对建筑能耗的影响，考虑了建筑在建造和使用整个生命周期的能源消耗，得出以下结论。

（1）通过建立能耗计算模型，分析了聚氨酯硬泡、聚苯乙烯发泡板和真空绝热板3种保温材料对建筑能耗的影响。随着保温层厚度的增加，3种保温材料能耗均开始降低，达到最小值后逐渐增大。其中真空绝热板的变化最为突出。

（2）通过对聚氨酯硬泡、聚苯乙烯发泡板和真空绝热板3种保温材料的能耗模拟，得出其最佳保温层厚度分别为109、32、126 mm。

（3）分析了3种材料的能耗回收期，在墙体传热系数一定时，随着保温层厚度的增加，能耗回收期也逐渐延长；在保温层厚度一定时，随着基层墙体传热系数的增加，能耗回收期逐渐缩短。

（4）不论是从保温层厚度考虑，还是从建筑基层墙体的传热系数考虑，真空绝热板需要的能耗回收期都是最长的，而聚苯乙烯则是需要能耗回收期最短的。因此，选择保温材料时应综合考虑单位面积墙体总能耗。

[1]北京市建筑材料管理办公室，北京土木建筑学会，北京市建设物资协会建筑节能专业委员会．建筑节能工程施工技术[M]．北京：中国建筑工业出版社，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]刘忠文．ISO14040生命周期评价概述[J]．环境导报，1998，15（1）：32-33．

[4]吕涛，李善波.基于全寿命周期的外墙外保温材料成本比较研究[J]．广东技术师范学院学报，2013（3）：67-71.

[5]JCJ 26—2010，民用建筑节能设计标准[S]．

[6] 刘炳南，闫静茹．保温材料在围护结构中的全寿命周期经济评价[J]．建筑经济，2012（8）：102-104.

[7]周燕，袭光彩．基于分析炯和生命周期评价的既有建筑围护结构节能改造[J]．科技导报，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] 杨俊兰，苗国伟，姚钼超．保温材料对建筑能耗及回收期的影响分析[J]．建筑科学，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

龚健冲，男，1966年生，江苏海门人，副教授，主要从事基建管理、建筑节能研究工作。