《Energy and Buildings》：Dynamic Thermal Performance & Economic Analysis of Insulation Materials in Temperate-Himalayan Regions: A Simulation-Based Approach
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被动式建筑设计中传统与天然保温材料在喜马拉雅寒冷气候下的动态热性能及经济性对比研究。采用COMSOL Multiphysics建立数值模型，通过热传导模拟和生命周期成本分析，发现稻壳、甘蔗渣、剑麻等天然材料在降低 heating energy demand达28%-42%的同时，综合成本较传统材料降低15%-25%，且结露风险减少60%。研究证实天然材料在寒冷气候区具有更优的可持续性和经济回报。
Ishfaq Ahmad Ganaie | Ovais Gulzar | Numan Ali Mir | Mahvash Afzal
Mahvash Afzal | 印度查谟和克什米尔阿万蒂波拉伊斯兰科学与技术大学
摘要
建筑行业消耗了全球约28%的能源。其中，住宅建筑行业占约70%的能源消耗。这凸显了通过被动手段建造节能建筑的重要性，因为这样做不会产生额外的成本。通过采用被动措施、高效自动化的主动手段以及利用可再生能源，可以提高建筑的能源效率。建筑围护结构在改善热性能方面起着关键作用，因为它大约负责建筑总热量损失的50-60%。本研究探讨了隔热材料作为提高能源效率的一种方法。在喜马拉雅地区的寒冷/温带气候条件下，对天然和传统隔热材料进行了研究，这使得这项研究具有独特性。此外，目前缺乏对多种隔热材料（包括传统和天然材料）的动态性能比较研究。使用COMSOL Multiphysics对一个未隔热和已隔热的模型房屋进行了数值分析，应用了相同厚度的各种隔热材料，以准确比较它们的热性能和经济性能。同时，还模拟了条件热源，以确定维持室内热舒适度所需的供暖负荷。研究结果表明，传统和天然隔热材料都能显著提高热性能，降低供暖能耗，并减少冷凝风险。在传统隔热材料中，酚醛泡沫和聚氨酯效果最佳；而天然材料如稻壳、甘蔗渣和凯纳夫则提供了具有良好经济效益的热性能，使其成为可持续且经济可行的建筑应用选择。
引言
2024年，全球能源供应和消耗量分别为642艾焦（EJ）和445艾焦（EJ），如图1(a)和(b)所示。建筑行业消耗了其中的124艾焦，其中住宅建筑单独消耗了86艾焦。此外，建筑行业产生了全球37,723吨二氧化碳（CO2）排放中的2,747吨，其中住宅建筑占了1,904吨[1]。由于城市化、技术进步和人口增长，预计未来5年能源消耗将增加53%[2]。在印度，建筑行业消耗了31艾焦的能源，其中住宅建筑占7.4艾焦，如图1(c)和(d)所示。这些数据说明了提高建筑能源效率对于应对气候变化和实现净零排放（NZE）的重要性。欧盟认为建筑行业在节能方面具有最大潜力[3]。特别是在像印度这样快速城市化的国家，人口压力加剧了对能源的需求[4]、[5]。印度在亚太伙伴关系（APP）国家中建筑能耗最高，新建住宅的数量也在持续增加[6]。印度约79.9%的建筑为住宅建筑[7]，这些建筑占全国能源消耗的约24%[1]。这使得建筑行业成为印度第二大能源消费者，仅次于工业行业。住宅建筑的能源消耗中，约45%用于制冷，28%用于照明，12%用于供暖[8]、[9]。印度约57%的住宅能源用于供暖和制冷，以实现室内热舒适度。因此，印度建筑行业在节能方面具有巨大潜力。
被动式建筑通过材料和建筑设计尽可能减少能源消耗，从而带来长期的能源节约和环境效益。然而，较高的初始建造成本以及利益相关者的认知不足是其广泛应用的两个主要障碍[10]、[11]。为了抵消被动式建筑的前期成本，政府通过提供激励措施来支持其采用，认识到它们在降低运行成本和减少碳足迹方面的潜力[12]、[13]。建筑能源效率的提高可以通过被动和主动措施以及可再生能源的利用来实现。被动式建筑的主要元素之一是建筑物的热绝缘。在建筑物中，围护结构在提高热性能方面起着关键作用，因为它大约负责50-60%的总热量传递[14]、[15]、[16]。通过使用热绝缘材料可以减少供暖/制冷所需的能源。如果选择得当，这些材料还可以起到防火、隔音和防潮的作用[17]。此外，经济因素在隔热材料的选择中也非常重要。因此，对这些材料的经济可行性分析是研究的重要组成部分。在隔热建筑中，当因减少运营能耗而节省的能源超过生产隔热材料所消耗的能源时，就会产生正的净能源平衡，并减少温室气体排放[18]。在选择热绝缘材料时，密度、热导率、比热、生命周期成本、蕴含能量和蕴含碳等属性至关重要。这些属性已在多项研究中进行了探讨，例如热导率[19]、热质量[20]、[21]等。此外，还研究了生命周期成本[22]、二氧化碳排放[2]和蕴含能量[2]。
在寒冷或温和的气候条件下，如喜马拉雅地区，热惯性对总能源使用的影响通常可以忽略不计。较高的热质量可以延缓热量通过建筑围护结构的传递，减轻短期室内温度波动，但无法显著降低年度供暖或制冷需求。这主要是因为季节性温度变化超过了昼夜温差，从而降低了单日内储热和放热的效果。地中海、半干旱或大陆性气候等昼夜温差较大、年平均温度较低的地区，受热惯性的影响更为明显。然而，在印度斯利那加、尼泊尔加德满都、不丹廷布或西藏拉萨等地区，较长的寒冷季节和有限的太阳能收益降低了热惯性的相对影响。在这种情况下，依赖建筑围护结构的热惯性在减少供暖能耗方面通常不如增强隔热性能、气密施工和太阳能被动技术有效。
尽管已有大量研究单独考察了传统和天然隔热材料的热性能，但同时对这些两类材料进行动态性能分析的研究仍相对较少。本研究通过对多种传统和天然隔热材料的动态热性能进行彻底比较，填补了这一空白。本研究旨在提供全面的热性能、经济性和环境影响评估，从而为更可持续的建筑设计决策提供依据。为了确定保证热舒适度所需的能源需求，分析包括了在变化冬季边界条件下的详细供暖负荷计算。本研究的目标是通过考察住宅建筑的热性能来维持供暖季节内的室内温度。研究还评估了室内表面出现冷凝风险的可能性，特别是与所使用的热绝缘材料类型有关。这一因素对于防止材料劣化、湿气积聚和室内空气质量下降至关重要。此外，还进行了经济性研究，以量化包括投资成本和长期能源节约在内的总体拥有成本，以补充热性能和湿度相关的研究。
本研究通过一个模型房屋实现了可持续和节能的建筑选择。模型房屋的温度保持在20°C，以评估热性能、经济性能和防霉措施下的冷凝风险。为了确定寒冷气候条件下的最佳隔热策略，使用了基于相似理想解排序法（TOPSIS）的技术进行了比较分析。该评估考虑了热性能、冷凝风险、年度节能效果和总成本以及投资回收期。
材料与方法
有多种隔热材料可供选择，大致分为传统材料、天然材料和先进材料三类。每种材料都具有不同的热物理特性，适用于特定的应用场景。虽然某些材料在特定性能要求下更为理想，但其他材料则基于不同的功能或情境考虑而被优先选择。很难找到一种能够同时满足所有要求的理想材料，例如高R值和防冷凝性能等。
网格敏感性分析
为了确保数值模型的准确性和可靠性，通过使用三种逐渐精细化的网格尺寸进行了模拟，以评估网格敏感性。如图4(a)所示，监测了模型房屋内部的平均温度。网格敏感性分析选择了三种网格尺寸，如表5所示。
结果表明，随着网格精细化程度的提高，输出参数的变化显著减小。
结论
本研究对应用于建筑围护结构的传统和天然隔热材料进行了全面的数值分析，评估了它们在热性能、湿度和经济性方面的表现。通过模拟不同隔热墙体配置下的瞬态热传递，量化了关键参数，如动态室内空气温度、时间依赖性的U值和供暖能耗。此外，还评估了冷凝风险。
CRediT作者贡献声明
Ishfaq Ahmad Ganaie：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据分析、概念化。Ovais Gulzar：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理。Numan Ali Mir：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金筹集。Mahvash Afzal：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源协调、方法论、概念化。
利益冲突声明
作者声明以下可能的财务利益或个人关系：Mahvash Afzal表示获得了查谟和克什米尔科学技术与创新委员会的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
