秸稈保溫磚建筑物的全生命周期能耗特性分析

吳雨青,李金緣,劉予涵,劉怡彤,謝韜晉,黃金活,李昕宇,陳瑋瑋

(南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210023)

我國(guó)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量豐富,年產(chǎn)量約6.5億t[1]. 在農(nóng)村,秸稈主要用作家畜的飼料和家庭烹飪的燃料[2],開(kāi)發(fā)利用率較低. 大量未被利用的秸稈在田間焚燒而造成資源浪費(fèi)[3],且焚燒釋放的氣態(tài)污染物(如CO、SO2、NOx等)和顆粒物已成為我國(guó)大氣污染的主要來(lái)源之一[4],對(duì)于區(qū)域空氣質(zhì)量、大氣能見(jiàn)度、人類的健康和氣候改變都會(huì)產(chǎn)生影響[5]. 秸稈材料的保溫隔熱性能優(yōu)良,導(dǎo)熱系數(shù)低于大多數(shù)常見(jiàn)墻體材料[6]. 另外世界建筑能耗正逐年攀高,聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)IPCC的研究表明,在工業(yè)化國(guó)家,建筑能耗占到社會(huì)總能耗的40%,并產(chǎn)生36%的CO2和其他相關(guān)氣體[7]. 因此,以新型農(nóng)作物秸稈再生保溫磚作為建材可有效降低農(nóng)作物秸稈焚燒造成的環(huán)境污染和資源消耗,同時(shí)也可降低建筑能源消耗[8]. 本文從建筑的全生命周期出發(fā),考慮建筑各階段的能耗,計(jì)算采用不同秸稈磚的建筑全生命周期能耗,對(duì)不同秸稈質(zhì)量含量的樣磚的能耗特性進(jìn)行分析.

1 秸稈磚的參數(shù)

本文以符合《GB/T 8239-2014普通混凝土小型砌塊》中制作標(biāo)準(zhǔn)的硅酸鹽水泥(代號(hào)及強(qiáng)度等級(jí)為P·I 42.5R)、黃沙(細(xì)度模數(shù)為1.6～3.7)、經(jīng)0.4%的NaOH溶液處理后的水稻碎秸稈為原料,按照標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸(240 mm×115 mm×53 mm)以及現(xiàn)有研究推薦的秸稈配比方案[9-12],試制了秸稈質(zhì)量含量分別為1%、2%、3%、4%、5%的樣磚. 5種秸稈磚的原料及其配比如表1所示,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得秸稈磚的熱物性參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)分別如表2和表3所示.

表1 秸稈磚的原料及配比Table 1 Raw material and its proportion of straw bricks

表2 秸稈磚的熱物性參數(shù)測(cè)量值Table 2 Measurements of thermophysical parameters of straw bricks

表3 秸稈含量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系Table 3 Relation between straw content and compressive strength

由表2可知,秸稈質(zhì)量含量為1%～5%的實(shí)心秸稈磚的導(dǎo)熱系數(shù)均低于常用混凝土實(shí)心磚(其導(dǎo)熱系數(shù)一般為1.51 W·(m·K)-1)[3],具有良好的保溫性能. 根據(jù)《GB 50574-2010墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》,表3中秸稈磚抗壓強(qiáng)度均符合國(guó)標(biāo)承重墻MU15(f≥15.0 MPa)的要求,可作為建筑承重墻材料.

2 建筑全生命周期模型的理論基礎(chǔ)

建筑能耗評(píng)價(jià)方法一般分為兩類[13]. 一類是動(dòng)態(tài)逐時(shí)模擬法,這類方法需要考慮各種影響因素,可操作性不強(qiáng);另一類是簡(jiǎn)易計(jì)算方法,該方法一般不必考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱影響. 常見(jiàn)的軟件有:DOE-2模擬計(jì)算軟件、DeST模擬計(jì)算軟件、EHTV法等,這些方法對(duì)建筑能耗的評(píng)價(jià)都只針對(duì)建筑運(yùn)行階段. 全生命周期模型也屬于簡(jiǎn)易計(jì)算方法,不同的是,該方法綜合評(píng)估了建筑建成前的大量技術(shù)性能耗投入、建筑運(yùn)行階段能耗、建筑拆除帶來(lái)的環(huán)境影響等各類因素,具有更高的參考價(jià)值. 因此本文采用全生命周期模型進(jìn)行建筑能耗評(píng)估.

建筑全生命周期包括規(guī)劃設(shè)計(jì)、建筑施工、運(yùn)營(yíng)使用和拆除廢棄4個(gè)階段[14],建筑全生命周期總能耗為這4個(gè)階段的結(jié)果相加,故全生命周期能耗計(jì)算公式如下:

E=E1+E2+E3+E4.

(1)

式中,E為全生命周期內(nèi)總的能源消耗,J;E1為規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的能源消耗,J;E2為施工階段的能源消耗,J;E3為運(yùn)營(yíng)階段的能源消耗,J;E4為拆除及廢舊建材處理階段的能源消耗,J.

2.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)階段能源消耗

建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的能源消耗是指建筑從規(guī)劃建造開(kāi)始到設(shè)計(jì)圖紙的完成過(guò)程中的能耗,這一階段的能耗主要來(lái)源是建筑內(nèi)部空調(diào)、供暖、熱水、照明設(shè)備以及其他輔助設(shè)備工作產(chǎn)生的能源消耗. 規(guī)劃設(shè)計(jì)階段能源消耗計(jì)算公式為

(2)

式中,Qi為規(guī)劃設(shè)計(jì)階段第i種能源使用量,J;i為能源種類;ni為能源種類的總數(shù)目. 相對(duì)于整個(gè)建筑全生命周期而言,該階段的能源消耗只占非常小的一部分,故不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)在這一階段所產(chǎn)生的能源消耗可忽略不計(jì).

2.2 建筑施工階段能源消耗

建筑施工階段的能源消耗是指各類施工工藝的器械運(yùn)行的能源消耗和現(xiàn)場(chǎng)工作人員辦公設(shè)備能源消耗. 施工階段能源消耗模型為

(3)

式中,qcj為第j種施工工藝單位臺(tái)班器械設(shè)備的能源消耗,J;Pcj為第j種施工工藝的工程量(機(jī)械臺(tái)班數(shù));j為施工工藝種類;nj為施工工藝種類的總數(shù)目;Qek為能源使用量,J;k為能源種類;nk為能源種類的總數(shù)目. 不同墻磚圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工階段能源消耗近似相等.

2.3 運(yùn)營(yíng)使用階段能源消耗

采用秸稈磚的建筑在使用過(guò)程中的能耗歸屬于建筑運(yùn)營(yíng)階段能耗[15],也是本文關(guān)注的焦點(diǎn). 由于該階段其他設(shè)備的能源消耗相差不大,為方便對(duì)比,運(yùn)營(yíng)使用階段能源消耗主要考慮由于墻體材料的不同而帶來(lái)的能源消耗的差異. 建筑運(yùn)營(yíng)階段墻體能源消耗模型為

E3=Qi1×n+Qe.

(4)

式中,Qi1為墻體的年耗能量,J;Qe為其他設(shè)備的能耗,J;i為墻體材料種類;n為建筑的使用年限.

2.4 建筑拆除及廢舊建材處理階段能源消耗

建筑拆除及廢舊建材處理階段的能源消耗是指建筑拆除階段不同施工工藝產(chǎn)生的能源消耗和廢舊建材運(yùn)輸過(guò)程中的能源消耗. 此階段能源消耗模型為

(5)

式中,QDi、QSi分別為第i種廢舊建材拆除階段和運(yùn)輸階段產(chǎn)生的能源消耗,J;i為廢舊建材種類;n為廢舊建材種類的總數(shù)目. 對(duì)于同一棟建筑,其拆除流程是相同的,故可近似認(rèn)為采用不同墻體建材的圍護(hù)結(jié)構(gòu)在該階段的能源消耗是相等的.

3 秸稈磚全生命周期內(nèi)能耗特性分析

3.1 計(jì)算參數(shù)

以南京地區(qū)某賓館為例,建筑占地面積約為2 000 m2,地上6層,總建筑高度約為17 m,凈層高2.7 m,其相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示. 外墻由三層材料組成,從外至內(nèi)分別為:外層水泥砂漿、實(shí)心磚層、內(nèi)層水泥砂漿. 墻體的總傳熱系數(shù)為

圖1 建筑相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1 Relevant structural dimensions of the construction

(6)

式中,K為平均傳熱系數(shù),W·(m2·K)-1;hin、hout分別為外墻內(nèi)、外表面對(duì)流傳熱系數(shù),W·(m2·K)-1;δ0、δs分別為水泥砂漿和實(shí)心磚墻的厚度,m;λ0、λs分別為水泥砂漿和實(shí)心磚墻的導(dǎo)熱系數(shù),W·(m·K)-1. 根據(jù)《GB 50176—2016 民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》,計(jì)算時(shí)可取:hin=8.7 W·(m2·K)-1,hout=23.0 W·(m2·K)-1,δs=0.24 m,δ0=0.02 m,λ0=0.93 W·(m·K)-1. 秸稈磚的導(dǎo)熱系數(shù)λs則根據(jù)秸稈含量不同,按表2取值. 由以上規(guī)范還可查得實(shí)心粘土紅磚和混凝土磚的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.81 W·(m·K)-1和1.51 W·(m·K)-1.

由圖2(a)可知,隨著秸稈質(zhì)量含量的增加,墻體總的傳熱系數(shù)逐漸減小. 由圖2(b)可知,秸稈質(zhì)量含量的增加,使得秸稈磚的導(dǎo)溫系數(shù)下降,即室外溫度波的變化對(duì)室內(nèi)溫度的影響變小,秸稈磚的熱工性能得到顯著改善. 然而,秸稈質(zhì)量含量的增加使得材料的力學(xué)性能變差,抗壓強(qiáng)度下降明顯.

圖2 不同秸稈質(zhì)量含量樣磚(磚墻)的性能參數(shù)Fig.2 Performance parameters of bricks(wall)with different straw quality content

從材料熱工性能出發(fā),秸稈質(zhì)量含量越高,秸稈磚墻總傳熱系數(shù)越小,建筑物越保溫,全生命周期內(nèi)能耗越小. 然而,在制作樣磚過(guò)程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)秸稈質(zhì)量含量達(dá)到5%時(shí),雖然秸稈磚成型尚佳,但搬運(yùn)過(guò)程中容易出現(xiàn)破邊、碎角的情況,力學(xué)性能變差. 因此,為了兼顧秸稈磚的熱工與力學(xué)性能,本文從制作的5種秸稈質(zhì)量含量中,選取4%的秸稈磚進(jìn)行后續(xù)全生命周期能耗特性的分析計(jì)算.

3.2 計(jì)算方法

由建筑全生命周期模型的理論基礎(chǔ)可知,E1可忽略不計(jì),E2、E3中的Qe和E4對(duì)于不同墻磚組成的墻體近似相等. 因此以下關(guān)于不同墻磚組成的墻體在全生命周期內(nèi)(30年)的能耗特性分析只考慮因墻磚材料的不同而帶來(lái)的能耗差異. 為方便分析討論,將秸稈磚墻體分別與常見(jiàn)的粘土紅磚和混凝土磚墻體進(jìn)行對(duì)比,引入月平均負(fù)荷指標(biāo)C1、月累計(jì)耗電量C2、年耗電量指標(biāo)C3與全生命周期總耗電量C4共4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行能耗特性分析.

(7)

(8)

式中,L(i)為第i小時(shí)建筑總的冷/熱負(fù)荷,W,L(i)>0時(shí)為冷負(fù)荷,L(i)<0時(shí)為熱負(fù)荷,且當(dāng)室外溫度滿足15 ℃

3.3 結(jié)果分析

圖3為4%的秸稈磚、粘土紅磚與混凝土磚在不同月份的月平均負(fù)荷指標(biāo)C1、月累計(jì)耗電量C2的對(duì)比圖. 由圖3可知,對(duì)于不同材料的磚墻,在只考慮非透明墻體傳熱導(dǎo)致的冷/熱負(fù)荷條件下,冬季的熱負(fù)荷在數(shù)值上要大于夏季的冷負(fù)荷,而春、秋季負(fù)荷較小,這是由于不同季節(jié)室內(nèi)外溫差不一致所導(dǎo)致的. 另外,無(wú)論是月負(fù)荷指標(biāo)還是月累計(jì)耗電量,混凝土磚最大,粘土紅磚次之,秸稈磚最小,這意味著秸稈磚具有比混凝土磚和粘土紅磚更好的保溫節(jié)能性能.

圖3 不同墻磚材料組成的墻體的月評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.3 The monthly evaluation index of wall made up of different wall brick materials

圖4為4%的秸稈磚、粘土紅磚與混凝土磚在典型氣候年的年耗電量指標(biāo)C3與全生命周期耗電量C4的對(duì)比圖. 由圖可知,混凝土磚的年耗電量指標(biāo)最大,粘土紅磚次之,秸稈磚最小. 在全生命周期內(nèi)(30年),通過(guò)秸稈磚墻的冷/熱負(fù)荷所導(dǎo)致的總耗電量為2.392×106kW·h,而粘土紅磚與混凝土磚墻的總耗電量比秸稈磚墻分別多出21.8%和68.2%,即秸稈磚相較于粘土紅磚和混凝土磚的節(jié)能量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤分別為64.1噸和200.5噸,節(jié)能效果顯著.

圖4 不同墻磚材料組成的墻體的年評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.4 The annual evaluation index of the wall made up of different wall brick materials

4 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)試制了5種秸稈質(zhì)量含量的秸稈保溫磚,基于全生命周期理論對(duì)秸稈磚的能耗特性進(jìn)行分析,并與常用的粘土紅磚與混凝土磚進(jìn)行對(duì)比,得出以下結(jié)論:

(1)秸稈質(zhì)量含量的增加,使得秸稈磚的導(dǎo)溫系數(shù)下降,秸稈磚的熱工性能得到顯著改善. 然而,秸稈質(zhì)量含量的增加使得材料的力學(xué)性能變差,抗壓強(qiáng)度下降明顯.

(2)質(zhì)量含量為4%的秸稈磚的月負(fù)荷指標(biāo)和月累計(jì)耗電量均小于常用的粘土紅磚與混凝土磚,這表明秸稈磚具有比混凝土磚和粘土紅磚更好的保溫節(jié)能性能.

(3)在全生命周期內(nèi)(30年),通過(guò)秸稈磚墻的冷/熱負(fù)荷所導(dǎo)致的總耗電量為2.392×106kW·h,比粘土紅磚和混凝土磚分別節(jié)能21.8%和68.2%,節(jié)能量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤分別為64.1 t和200.5 t,節(jié)能效果顯著.