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

(南京師范大學能源與機械工程學院,江蘇 南京 210023)

我國農作物秸稈產量豐富,年產量約6.5億t[1]. 在農村,秸稈主要用作家畜的飼料和家庭烹飪的燃料[2],開發利用率較低. 大量未被利用的秸稈在田間焚燒而造成資源浪費[3],且焚燒釋放的氣態污染物(如CO、SO2、NOx等)和顆粒物已成為我國大氣污染的主要來源之一[4],對于區域空氣質量、大氣能見度、人類的健康和氣候改變都會產生影響[5]. 秸稈材料的保溫隔熱性能優良,導熱系數低于大多數常見墻體材料[6]. 另外世界建筑能耗正逐年攀高,聯合國政府間氣候變化專門委員會IPCC的研究表明,在工業化國家,建筑能耗占到社會總能耗的40%,并產生36%的CO2和其他相關氣體[7]. 因此,以新型農作物秸稈再生保溫磚作為建材可有效降低農作物秸稈焚燒造成的環境污染和資源消耗,同時也可降低建筑能源消耗[8]. 本文從建筑的全生命周期出發,考慮建筑各階段的能耗,計算采用不同秸稈磚的建筑全生命周期能耗,對不同秸稈質量含量的樣磚的能耗特性進行分析.

1 秸稈磚的參數

本文以符合《GB/T 8239-2014普通混凝土小型砌塊》中制作標準的硅酸鹽水泥(代號及強度等級為P·I 42.5R)、黃沙(細度模數為1.6～3.7)、經0.4%的NaOH溶液處理后的水稻碎秸稈為原料,按照標準磚尺寸(240 mm×115 mm×53 mm)以及現有研究推薦的秸稈配比方案[9-12],試制了秸稈質量含量分別為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,通過實驗測得秸稈磚的熱物性參數和力學性能參數分別如表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測量值Table 2 Measurements of thermophysical parameters of straw bricks

表3 秸稈含量與抗壓強度關系Table 3 Relation between straw content and compressive strength

由表2可知,秸稈質量含量為1%～5%的實心秸稈磚的導熱系數均低于常用混凝土實心磚(其導熱系數一般為1.51 W·(m·K)-1)[3],具有良好的保溫性能. 根據《GB 50574-2010墻體材料應用統一技術規范》,表3中秸稈磚抗壓強度均符合國標承重墻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

建筑能耗評價方法一般分為兩類[13]. 一類是動態逐時模擬法,這類方法需要考慮各種影響因素,可操作性不強;另一類是簡易計算方法,該方法一般不必考慮圍護結構的蓄熱影響. 常見的軟件有:DOE-2模擬計算軟件、DeST模擬計算軟件、EHTV法等,這些方法對建筑能耗的評價都只針對建筑運行階段. 全生命周期模型也屬于簡易計算方法,不同的是,該方法綜合評估了建筑建成前的大量技術性能耗投入、建筑運行階段能耗、建筑拆除帶來的環境影響等各類因素,具有更高的參考價值. 因此本文采用全生命周期模型進行建筑能耗評估.

建筑全生命周期包括規劃設計、建筑施工、運營使用和拆除廢棄4個階段[14],建筑全生命周期總能耗為這4個階段的結果相加,故全生命周期能耗計算公式如下:

E=E1+E2+E3+E4.

(1)

式中,E為全生命周期內總的能源消耗,J;E1為規劃設計階段的能源消耗,J;E2為施工階段的能源消耗,J;E3為運營階段的能源消耗,J;E4為拆除及廢舊建材處理階段的能源消耗,J.

2.1 規劃設計階段能源消耗

建筑規劃設計階段的能源消耗是指建筑從規劃建造開始到設計圖紙的完成過程中的能耗,這一階段的能耗主要來源是建筑內部空調、供暖、熱水、照明設備以及其他輔助設備工作產生的能源消耗. 規劃設計階段能源消耗計算公式為

(2)

式中,Qi為規劃設計階段第i種能源使用量,J;i為能源種類;ni為能源種類的總數目. 相對于整個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,故不同圍護結構在這一階段所產生的能源消耗可忽略不計.

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行的能源消耗和現場工作人員辦公設備能源消耗. 施工階段能源消耗模型為

(3)

式中,qcj為第j種施工工藝單位臺班器械設備的能源消耗,J;Pcj為第j種施工工藝的工程量(機械臺班數);j為施工工藝種類;nj為施工工藝種類的總數目;Qek為能源使用量,J;k為能源種類;nk為能源種類的總數目. 不同墻磚圍護結構的施工階段能源消耗近似相等.

2.3 運營使用階段能源消耗

采用秸稈磚的建筑在使用過程中的能耗歸屬于建筑運營階段能耗[15],也是本文關注的焦點. 由于該階段其他設備的能源消耗相差不大,為方便對比,運營使用階段能源消耗主要考慮由于墻體材料的不同而帶來的能源消耗的差異. 建筑運營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生的能源消耗和廢舊建材運輸過程中的能源消耗. 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輸階段產生的能源消耗,J;i為廢舊建材種類;n為廢舊建材種類的總數目. 對于同一棟建筑,其拆除流程是相同的,故可近似認為采用不同墻體建材的圍護結構在該階段的能源消耗是相等的.

3 秸稈磚全生命周期內能耗特性分析

3.1 計算參數

以南京地區某賓館為例,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,其相關結構尺寸如圖1所示. 外墻由三層材料組成,從外至內分別為:外層水泥砂漿、實心磚層、內層水泥砂漿. 墻體的總傳熱系數為

圖1 建筑相關結構尺寸Fig.1 Relevant structural dimensions of the construction

(6)

式中,K為平均傳熱系數,W·(m2·K)-1;hin、hout分別為外墻內、外表面對流傳熱系數,W·(m2·K)-1;δ0、δs分別為水泥砂漿和實心磚墻的厚度,m;λ0、λs分別為水泥砂漿和實心磚墻的導熱系數,W·(m·K)-1. 根據《GB 50176—2016 民用建筑熱工設計規范》,計算時可取: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. 秸稈磚的導熱系數λs則根據秸稈含量不同,按表2取值. 由以上規范還可查得實心粘土紅磚和混凝土磚的導熱系數分別為0.81 W·(m·K)-1和1.51 W·(m·K)-1.

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

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

從材料熱工性能出發,秸稈質量含量越高,秸稈磚墻總傳熱系數越小,建筑物越保溫,全生命周期內能耗越小. 然而,在制作樣磚過程中發現,當秸稈質量含量達到5%時,雖然秸稈磚成型尚佳,但搬運過程中容易出現破邊、碎角的情況,力學性能變差. 因此,為了兼顧秸稈磚的熱工與力學性能,本文從制作的5種秸稈質量含量中,選取4%的秸稈磚進行后續全生命周期能耗特性的分析計算.

3.2 計算方法

由建筑全生命周期模型的理論基礎可知,E1可忽略不計,E2、E3中的Qe和E4對于不同墻磚組成的墻體近似相等. 因此以下關于不同墻磚組成的墻體在全生命周期內(30年)的能耗特性分析只考慮因墻磚材料的不同而帶來的能耗差異. 為方便分析討論,將秸稈磚墻體分別與常見的粘土紅磚和混凝土磚墻體進行對比,引入月平均負荷指標C1、月累計耗電量C2、年耗電量指標C3與全生命周期總耗電量C4共4個評價指標來進行能耗特性分析.

(7)

(8)

式中,L(i)為第i小時建筑總的冷/熱負荷,W,L(i)>0時為冷負荷,L(i)<0時為熱負荷,且當室外溫度滿足15 ℃

3.3 結果分析

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荷指標C1、月累計耗電量C2的對比圖. 由圖3可知,對于不同材料的磚墻,在只考慮非透明墻體傳熱導致的冷/熱負荷條件下,冬季的熱負荷在數值上要大于夏季的冷負荷,而春、秋季負荷較小,這是由于不同季節室內外溫差不一致所導致的. 另外,無論是月負荷指標還是月累計耗電量,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能性能.

圖3 不同墻磚材料組成的墻體的月評價指標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C3與全生命周期耗電量C4的對比圖. 由圖可知,混凝土磚的年耗電量指標最大,粘土紅磚次之,秸稈磚最小. 在全生命周期內(30年),通過秸稈磚墻的冷/熱負荷所導致的總耗電量為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能量折算成標準煤分別為64.1噸和200.5噸,節能效果顯著.

圖4 不同墻磚材料組成的墻體的年評價指標Fig.4 The annual evaluation index of the wall made up of different wall brick materials

4 結論

本文通過實驗試制了5種秸稈質量含量的秸稈保溫磚,基于全生命周期理論對秸稈磚的能耗特性進行分析,并與常用的粘土紅磚與混凝土磚進行對比,得出以下結論:

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

(2)質量含量為4%的秸稈磚的月負荷指標和月累計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能性能.

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