秸秆保温砖建筑物的全生命周期能耗特性分析

吴雨青,李金缘,刘予涵,刘怡彤,谢韬晋,黄金活,李昕宇,陈玮玮

(南京师范大学能源与机械工程学院,江苏 南京 210023)

我国农作物秸秆产量丰富,年产量约6.5亿t[1]. 在农村,秸秆主要用作家畜的饲料和家庭烹饪的燃料[2],开发利用率较低. 大量未被利用的秸秆在田间焚烧而造成资源浪费[3],且焚烧释放的气态污染物(如CO、SO2、NOx等)和颗粒物已成为我国大气污染的主要来源之一[4],对于区域空气质量、大气能见度、人类的健康和气候改变都会产生影响[5]. 秸秆材料的保温隔热性能优良,导热系数低于大多数常见墙体材料[6]. 另外世界建筑能耗正逐年攀高,联合国政府间气候变化专门委员会IPCC的研究表明,在工业化国家,建筑能耗占到社会总能耗的40%,并产生36%的CO2和其他相关气体[7]. 因此,以新型农作物秸秆再生保温砖作为建材可有效降低农作物秸秆焚烧造成的环境污染和资源消耗,同时也可降低建筑能源消耗[8]. 本文从建筑的全生命周期出发,考虑建筑各阶段的能耗,计算采用不同秸秆砖的建筑全生命周期能耗,对不同秸秆质量含量的样砖的能耗特性进行分析.

1 秸秆砖的参数

本文以符合《GB/T 8239-2014普通混凝土小型砌块》中制作标准的硅酸盐水泥(代号及强度等级为P·I 42.5R)、黄沙(细度模数为1.6～3.7)、经0.4%的NaOH溶液处理后的水稻碎秸秆为原料,按照标准砖尺寸(240 mm×115 mm×53 mm)以及现有研究推荐的秸秆配比方案[9-12],试制了秸秆质量含量分别为1%、2%、3%、4%、5%的样砖. 5种秸秆砖的原料及其配比如表1所示,通过实验测得秸秆砖的热物性参数和力学性能参数分别如表2和表3所示.

表1 秸秆砖的原料及配比Table 1 Raw material and its proportion of straw bricks

表2 秸秆砖的热物性参数测量值Table 2 Measurements of thermophysical parameters of straw bricks

表3 秸秆含量与抗压强度关系Table 3 Relation between straw content and compressive strength

由表2可知,秸秆质量含量为1%～5%的实心秸秆砖的导热系数均低于常用混凝土实心砖(其导热系数一般为1.51 W·(m·K)-1)[3],具有良好的保温性能. 根据《GB 50574-2010墙体材料应用统一技术规范》,表3中秸秆砖抗压强度均符合国标承重墙MU15(f≥15.0 MPa)的要求,可作为建筑承重墙材料.

2 建筑全生命周期模型的理论基础

建筑能耗评价方法一般分为两类[13]. 一类是动态逐时模拟法,这类方法需要考虑各种影响因素,可操作性不强;另一类是简易计算方法,该方法一般不必考虑围护结构的蓄热影响. 常见的软件有:DOE-2模拟计算软件、DeST模拟计算软件、EHTV法等,这些方法对建筑能耗的评价都只针对建筑运行阶段. 全生命周期模型也属于简易计算方法,不同的是,该方法综合评估了建筑建成前的大量技术性能耗投入、建筑运行阶段能耗、建筑拆除带来的环境影响等各类因素,具有更高的参考价值. 因此本文采用全生命周期模型进行建筑能耗评估.

建筑全生命周期包括规划设计、建筑施工、运营使用和拆除废弃4个阶段[14],建筑全生命周期总能耗为这4个阶段的结果相加,故全生命周期能耗计算公式如下:

E=E1+E2+E3+E4.

(1)

式中,E为全生命周期内总的能源消耗,J;E1为规划设计阶段的能源消耗,J;E2为施工阶段的能源消耗,J;E3为运营阶段的能源消耗,J;E4为拆除及废旧建材处理阶段的能源消耗,J.

2.1 规划设计阶段能源消耗

建筑规划设计阶段的能源消耗是指建筑从规划建造开始到设计图纸的完成过程中的能耗,这一阶段的能耗主要来源是建筑内部空调、供暖、热水、照明设备以及其他辅助设备工作产生的能源消耗. 规划设计阶段能源消耗计算公式为

(2)

式中,Qi为规划设计阶段第i种能源使用量,J;i为能源种类;ni为能源种类的总数目. 相对于整个建筑全生命周期而言,该阶段的能源消耗只占非常小的一部分,故不同围护结构在这一阶段所产生的能源消耗可忽略不计.

2.2 建筑施工阶段能源消耗

建筑施工阶段的能源消耗是指各类施工工艺的器械运行的能源消耗和现场工作人员办公设备能源消耗. 施工阶段能源消耗模型为

(3)

式中,qcj为第j种施工工艺单位台班器械设备的能源消耗,J;Pcj为第j种施工工艺的工程量(机械台班数);j为施工工艺种类;nj为施工工艺种类的总数目;Qek为能源使用量,J;k为能源种类;nk为能源种类的总数目. 不同墙砖围护结构的施工阶段能源消耗近似相等.

2.3 运营使用阶段能源消耗

采用秸秆砖的建筑在使用过程中的能耗归属于建筑运营阶段能耗[15],也是本文关注的焦点. 由于该阶段其他设备的能源消耗相差不大,为方便对比,运营使用阶段能源消耗主要考虑由于墙体材料的不同而带来的能源消耗的差异. 建筑运营阶段墙体能源消耗模型为

E3=Qi1×n+Qe.

(4)

式中,Qi1为墙体的年耗能量,J;Qe为其他设备的能耗,J;i为墙体材料种类;n为建筑的使用年限.

2.4 建筑拆除及废旧建材处理阶段能源消耗

建筑拆除及废旧建材处理阶段的能源消耗是指建筑拆除阶段不同施工工艺产生的能源消耗和废旧建材运输过程中的能源消耗. 此阶段能源消耗模型为

(5)

式中,QDi、QSi分别为第i种废旧建材拆除阶段和运输阶段产生的能源消耗,J;i为废旧建材种类;n为废旧建材种类的总数目. 对于同一栋建筑,其拆除流程是相同的,故可近似认为采用不同墙体建材的围护结构在该阶段的能源消耗是相等的.

3 秸秆砖全生命周期内能耗特性分析

3.1 计算参数

以南京地区某宾馆为例,建筑占地面积约为2 000 m2,地上6层,总建筑高度约为17 m,净层高2.7 m,其相关结构尺寸如图1所示. 外墙由三层材料组成,从外至内分别为:外层水泥砂浆、实心砖层、内层水泥砂浆. 墙体的总传热系数为

图1 建筑相关结构尺寸Fig.1 Relevant structural dimensions of the construction

(6)

式中,K为平均传热系数,W·(m2·K)-1;hin、hout分别为外墙内、外表面对流传热系数,W·(m2·K)-1;δ0、δs分别为水泥砂浆和实心砖墙的厚度,m;λ0、λs分别为水泥砂浆和实心砖墙的导热系数,W·(m·K)-1. 根据《GB 50176—2016 民用建筑热工设计规范》,计算时可取: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. 秸秆砖的导热系数λs则根据秸秆含量不同,按表2取值. 由以上规范还可查得实心粘土红砖和混凝土砖的导热系数分别为0.81 W·(m·K)-1和1.51 W·(m·K)-1.

由图2(a)可知,随着秸秆质量含量的增加,墙体总的传热系数逐渐减小. 由图2(b)可知,秸秆质量含量的增加,使得秸秆砖的导温系数下降,即室外温度波的变化对室内温度的影响变小,秸秆砖的热工性能得到显著改善. 然而,秸秆质量含量的增加使得材料的力学性能变差,抗压强度下降明显.

图2 不同秸秆质量含量样砖(砖墙)的性能参数Fig.2 Performance parameters of bricks(wall)with different straw quality content

从材料热工性能出发,秸秆质量含量越高,秸秆砖墙总传热系数越小,建筑物越保温,全生命周期内能耗越小. 然而,在制作样砖过程中发现,当秸秆质量含量达到5%时,虽然秸秆砖成型尚佳,但搬运过程中容易出现破边、碎角的情况,力学性能变差. 因此,为了兼顾秸秆砖的热工与力学性能,本文从制作的5种秸秆质量含量中,选取4%的秸秆砖进行后续全生命周期能耗特性的分析计算.

3.2 计算方法

由建筑全生命周期模型的理论基础可知,E1可忽略不计,E2、E3中的Qe和E4对于不同墙砖组成的墙体近似相等. 因此以下关于不同墙砖组成的墙体在全生命周期内(30年)的能耗特性分析只考虑因墙砖材料的不同而带来的能耗差异. 为方便分析讨论,将秸秆砖墙体分别与常见的粘土红砖和混凝土砖墙体进行对比,引入月平均负荷指标C1、月累计耗电量C2、年耗电量指标C3与全生命周期总耗电量C4共4个评价指标来进行能耗特性分析.

(7)

(8)

式中,L(i)为第i小时建筑总的冷/热负荷,W,L(i)>0时为冷负荷,L(i)<0时为热负荷,且当室外温度满足15 ℃

3.3 结果分析

图3为4%的秸秆砖、粘土红砖与混凝土砖在不同月份的月平均负荷指标C1、月累计耗电量C2的对比图. 由图3可知,对于不同材料的砖墙,在只考虑非透明墙体传热导致的冷/热负荷条件下,冬季的热负荷在数值上要大于夏季的冷负荷,而春、秋季负荷较小,这是由于不同季节室内外温差不一致所导致的. 另外,无论是月负荷指标还是月累计耗电量,混凝土砖最大,粘土红砖次之,秸秆砖最小,这意味着秸秆砖具有比混凝土砖和粘土红砖更好的保温节能性能.

图3 不同墙砖材料组成的墙体的月评价指标Fig.3 The monthly evaluation index of wall made up of different wall brick materials

图4为4%的秸秆砖、粘土红砖与混凝土砖在典型气候年的年耗电量指标C3与全生命周期耗电量C4的对比图. 由图可知,混凝土砖的年耗电量指标最大,粘土红砖次之,秸秆砖最小. 在全生命周期内(30年),通过秸秆砖墙的冷/热负荷所导致的总耗电量为2.392×106kW·h,而粘土红砖与混凝土砖墙的总耗电量比秸秆砖墙分别多出21.8%和68.2%,即秸秆砖相较于粘土红砖和混凝土砖的节能量折算成标准煤分别为64.1吨和200.5吨,节能效果显著.

图4 不同墙砖材料组成的墙体的年评价指标Fig.4 The annual evaluation index of the wall made up of different wall brick materials

4 结论

本文通过实验试制了5种秸秆质量含量的秸秆保温砖,基于全生命周期理论对秸秆砖的能耗特性进行分析,并与常用的粘土红砖与混凝土砖进行对比,得出以下结论:

(1)秸秆质量含量的增加,使得秸秆砖的导温系数下降,秸秆砖的热工性能得到显著改善. 然而,秸秆质量含量的增加使得材料的力学性能变差,抗压强度下降明显.

(2)质量含量为4%的秸秆砖的月负荷指标和月累计耗电量均小于常用的粘土红砖与混凝土砖,这表明秸秆砖具有比混凝土砖和粘土红砖更好的保温节能性能.

(3)在全生命周期内(30年),通过秸秆砖墙的冷/热负荷所导致的总耗电量为2.392×106kW·h,比粘土红砖和混凝土砖分别节能21.8%和68.2%,节能量折算成标准煤分别为64.1 t和200.5 t,节能效果显著.