相变材料墙体使用阶段的碳排放评价

汪振双,焦玉麟,赵　宁,赵一健

(1.东北财经大学a.投资工程管理学院,b.金融学院,辽宁大连　116025;

2.铁道第三勘察设计院集团有限公司城市轨道交通设计研究分院,天津　300251)



相变材料墙体使用阶段的碳排放评价

汪振双1a,焦玉麟2,赵宁1b,赵一健1a

(1.东北财经大学a.投资工程管理学院,b.金融学院,辽宁大连116025;

2.铁道第三勘察设计院集团有限公司城市轨道交通设计研究分院,天津300251)

摘要:基于石蜡和膨胀珍珠岩二者复合制备相变材料的试验基础,以夏热冬冷地区贵阳为例,采用采暖和空调度日数方法,对普通墙体、保温墙体、单侧相变材料墙体和双侧相变材料墙体使用阶段的碳排放量进行计算和分析.研究结果表明,单侧相变材料墙体的总延迟时间比普通墙体和保温墙体长,成本较双侧相变材料墙体低.因此,单侧相变材料墙体在节能减排方面具有明显的优势,具有工程推广应用价值.

关键词:相变材料; 墙体; 热工性能; 碳排放

建筑材料的生产,建筑物的施工、使用及拆除处置对能源和资源的消耗都会产生大量的温室气体[1].预计,2030年我国建筑业产生的温室气体将占全社会温室气体排放总量的25%[2].大量温室气体的排放会给自然环境和人类带来灾难,控制碳排放量刻不容缓.我国政府提出“到2020 底,单位GDP的碳排放量比2005年减少40%~45%.”建筑业作为能源消耗大户,实行建筑节能,以节约资源和能源、保护环境,具有重要的现实意义.在建筑物中,由地面、墙体、屋面和门窗构成的建筑物外围护结构是建筑能耗损失的最大部分, 其中通过墙体传热造成的能耗占到25%[3].所以, 提高外墙围护结构的保温,达到节能效果, 是实现建筑节能的重要途径和方法.在我国,由于传统的实心粘土砖已经被取代,而新型的墙体材料,由于本身的导热系数较高,单一产品并不能满足建筑节能的要求.因此,通常的做法是采用承重材料(如砖或砌块)与高效保温材料(如聚苯板、岩棉板或玻璃棉板等)进行复合, 组成复合墙体.然而,高分子材料的防火性差,火灾时易挥发出有毒气体.研发绿色保温墙体材料,具有广阔的发展空间.相变储能技术是利用相变材料在相变过程中与环境发生热交换,通过存储或释放适当的热量,从而达到提高能源使用效率的目的[4].在建筑材料中加入相变材料,制成热容较高的建筑材料,可有效存储能量,降低建筑能耗.目前,我国科研人员已对相变材料在建筑材料中的应用开展了许多理论和试验研究[5-6].石蜡作为一种PCM具有很多优点,如相变潜热高、几乎没有过冷现象、融化蒸气压力低、不易发生化学反应且化学稳定性较好、自成核、没有相分离、无腐蚀性、价格较低等[7].本文在石蜡/膨胀珍珠岩相变材料研究的基础上,结合我国夏热冬冷地区墙体所处的环境,采用采暖和空调度日数法对相变材料墙体在使用阶段进行了碳排放计算和分析,从而为推广和优化相变材料墙体提供参考.

1　试　　验

1.1石蜡的物理性质

试验选用的石蜡密度为0.81g/cm3,体积膨胀率为9.85%,导热系数为0.19W/(m·K).利用FT-IR对石蜡进行分子结构和组成分析,如图1所示.可以看出,石蜡是长链CH2结构,1637.25cm-1是H—O—H的吸收峰.对石蜡进行DSC测试,结果如图2所示.石蜡有两个放热峰,低温相变为固-固相变,温度为14℃左右,相变焓为23.53J/g,第二个放热峰才为石蜡固-液相变,相变点为39℃左右,相变焓为151.32J/g,相变潜热较大,是较优的相变材料.

图1　石蜡的傅里叶红外光谱图

图2.　石蜡的DSC曲线

1.2膨胀珍珠岩性能

制备石蜡/膨胀珍珠岩复合相变材料中,膨胀珍珠岩的性能如表1所示.

表1　膨胀珍珠岩性能

1.3石蜡/膨胀珍珠岩相变材料

采用HCR型微机差热仪,对经过封装后的石蜡/膨胀珍珠岩复合相变材料进行相变温度及相变潜热的测试可知,复合相变材料的相变温度为34.64℃,相变潜热为125J/g.

2相变材料墙体与传统保温墙体使用阶段碳排放计算

2.1墙体构造和热工性能

参考我国民用建筑中的普通墙体和外保温墙体的构造,自行设计了单侧相变材料墙体和双侧相变材料墙体,如图3所示.

以相变材料在砂浆中的掺量质量分数为20%为例,对四种墙体的热工性能进行了测试,试验结果如表2和表3所示.

从表3可以看出,采用双侧相变墙体时,总延迟时间达到9.85h,比普通墙体延长2个多小时,比保温墙体延长近3个小时.这也就是说,当室外最高温度出现在午后2点时,双侧相变墙体的热量将在晚上12点左右传至室内,有利于围护结构

图3　墙体构造(单位:mm)

墙体类型材 料厚度/mm热阻/(K·W-1)导热系数/(W·(m·K)-1)水泥砂浆200.0220.93普通墙体砌块 1900.3280.58水泥砂浆200.0220.93

续表2

墙体类型材 料厚度/mm热阻/(K·W-1)导热系数/(W·(m·K)-1)水泥砂浆200.0220.930保温墙体 砌块 1900.3280.580聚苯板 200.4260.047聚苯板 200.4260.047单侧相变墙体砌块 1900.3280.580相变砂浆200.0390.510相变砂浆200.0390.510双侧相变墙体砌块 1900.3280.580相变砂浆200.0390.510

表3　不同类型计算墙体的热工性能

白天蓄热,夜晚放热,突出了石蜡/膨胀珍珠岩复合相变材料的优越性.

2.2使用阶段的碳排放

一般而言,建筑物的使用周期较长,其使用阶段的碳排放量占建筑物寿命周期碳排放量的70%以上.在建筑物的使用阶段内,供电和取暖是CO2排放的两个最大来源.为了便于研究和计算,假设建筑物的制冷和供暖均采用空调.为简化计算,在分析建筑外墙的能量损失(负荷)时,通过采暖度日数及空调度日数来计算外墙传热负荷.其中,采暖度日数HDD18,是将一年中所有低于18℃的室外日平均温度与18℃之间的差乘以1d累加起来得到;而空调度日数CDD26,是将一年中所有高于26℃的室外日平均温度与26℃之间的差乘以1d累加起来得到[8].Kemal等[9]通过研究,建立了冬冷夏热地区单位面积外墙年度的总负荷计算公式:

式中:Q为年度总负荷,kW·h/m2;Qw为冬季负荷,kW·h/m2;Qs为夏季负荷,kW·h/m2;HDD18和CDD26分别代表采暖度日数和空调度日数,℃·d;K为外墙平均传热系数,W/(m2·K). 研究结合我国夏热冬冷地区建筑物墙体,以贵阳地区为例,供暖度日数HDD18=1882℃·d,空调度日数CDD26=65℃·d[10].1kW·h电转化为CO2的系数k为0.977kg/(kW·h),其碳排放量计算公式为[1]

式中:C为CO2的排放量;Q为用电kW·h数;k为转换系数,取0.977kg/(kW·h).

基于式(1),式(2)和式(3),代入四种墙体的平均导热系数(表2数据),计算出空调的全年耗电量,再代入式(4),计算出普通墙体、保温墙体、单侧相变墙体和双侧相变墙体的制冷供暖所排放的CO2量,计算结果如表4所示.

由表4可知,普通墙体在使用阶段的碳排放量为122.71kg/m2,保温墙体为58.84kg/m2,单侧相变墙体为57.57kg/m2,双侧相变墙体为112.44kg/m2.单侧相变材料墙体CO2排放量比普通墙体减少53.1%,比保温墙体减少2.2%,比双侧相变材料墙体减少48.8%.

表4　单位面积CO2排放量

3　结　　论

本文在石蜡/膨胀珍珠岩相变材料研究的基础上,通过对普通墙体、保温墙体、单侧相变墙体和双侧相变墙体使用阶段的热工性能和碳排放量研究,可知单侧相变材料墙体的总延迟时间比普通墙体和保温墙体长,单侧相变材料墙体CO2排放量比普通墙体减少53.1%,比保温墙体减少2.2%,比双侧相变材料墙体减少48.8%.单侧相变材料墙体的使用和推广能缓解能源紧缺,对于建设低碳社会有着重大的现实意义.

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【责任编辑:祝颖】

(MeteorologicalInformationTechnologyCenterofChinaMeteorologicalReferenceRoom,ArchitectureTechnologyScienceDepartmentofTsinghuaUniversity.ChinaBuildingThermalEnvironmentAnalysisSpecialMeteorologicalData[M].Beijing:ChinaBuildingIndustryPress, 2005:84-86.)

CarbonEmissionAssessmentofPhaseChangeMaterialsWallinUsingStateProcess

Wang Zhenshuang1a, Jiao Yulin2,ZhaoNing1b, Zhao Yijian1a

(1.a.SchoolofInvestmentandConstructionManagement,b.FinancialSchool,DongbeiUniversityofFinanceandEconomics,Dalian116025,China; 2.CityRailTransitDesignBranch,TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupLimitedCompany,Tianjin300251,China)

Abstract:A case study located in hot-summer and cold-winter zone Guiyang was taken as an example, the carbon emissions of ordinary wall, insulation wall, unilateral phase change materials wall and bilateral phase change materials wall are calculated and analyzed by using the methods of heating degree day and cooling degree day. The results show that, the total delay time of unilateral phase change materials wall is longer than ordinary wall and insulation wall, and its cost is lower than bilateral phase change materials wall. Unilateral phase change materials wall shows better advantages in energy saving and emission reduction and has application value in engineering.

Key words:phase change material; wall; thermal performance; carbon emission

作者简介:汪振双(1982-),男,辽宁岫岩人,东北财经大学讲师,博士.

基金项目:“十二五”国家科技支撑计划重大项目(2013BAC05B00);辽宁省教育厅重点实验室基础研究项目(LZ2014048);中国博士后科学基金2013M541236.

收稿日期:2014-12-22

文章编号:2095-5456(2015)03-0247-04

中图分类号:TU5

文献标志码:A