建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程能源消耗火用分析評價

2014-09-27 14:21龔光彩龔思越韓天鶴龔子徹李水生

湖南大學(xué)學(xué)報·自然科學(xué)版 2014年4期

關(guān)鍵詞：能耗

龔光彩+龔思越+韓天鶴+龔子徹+李水生+楊勇

文章編號：16742974(2014)04010106

收稿日期：20130520

基金項目：湖南省科技重大專項資助項目（2010FJ1013）；國家國際科技合作資助項目（2010DFB63830）；湖南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技計劃資助項目（KY201111）

作者簡介：龔光彩（1965-），男，湖南澧縣人，湖南大學(xué)教授，博士

通訊聯(lián)系人，E-mail: gcgong@hnu.edu.cn

摘要：建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所需的建材從生產(chǎn)制造階段、運輸階段到現(xiàn)場施工建造階段都將消耗大量的能源，針對這3個階段，提出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程能耗及火用耗的計算方法，并提出火用能比的概念用來評價建筑能源利用的可持續(xù)性.以湖南地區(qū)某研發(fā)中心為研究對象，對其圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程能耗進(jìn)行定量分析，結(jié)果表明：圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程能耗主要來自于建材生產(chǎn)階段，其中混凝土及其砌塊單位建筑面積生產(chǎn)能耗最大，約占整個生產(chǎn)階段能耗的44%，其次為鋼材，占比約41%；鋼材單位建筑面積生產(chǎn)火用耗最大，達(dá)到整個生產(chǎn)階段火用耗的48%左右，混凝土及其砌塊占比38%左右.從火用能比角度分析，鋼材最大，為0.92，水泥最小，為0.59.整個圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程火用能比為0.79.結(jié)果可為研究“爛尾樓”能耗現(xiàn)狀提供參考.提出的火用分析評價方法可以應(yīng)用于其他類似建筑，并為圍護(hù)結(jié)構(gòu)可持續(xù)建造提供參考.

關(guān)鍵詞：建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)；能耗；火用；火用能比

中圖分類號：TU111；TK123文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Exergy Assessment of the Energy Consumption 

of Building Envelope Construction



GONG Guangcai1 , GONG Siyue1 , HAN Tianhe1 , 

GONG Ziche1 , LI Shuisheng2 , YANG Yong2 

（College of Civil Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China; 

2.China Construction Fifth Engineering Division Corp,Ltd, Changsha, Hunan 410004, China)

Abstract: The manufacturing stage, transport stage and onsite construction stage of building materials consume large amount of energy. Based on the three stages, the calculation method for energy and exergy consumption was presented, and the concept of exergyenergy ratio was proposed to evaluate the sustainability of building energy use. A case of a research and development center located in Hunan was analyzed. The results have shown that the energy consumption of building envelope construction mainly comes from the manufacturing stage of building materials. Unit building area energy consumed by concrete and steel accounted respectively for about 44% and 41% of the total energy consumption of building materials production. Unit building area exergy consumed by concrete and steel accounted respectively for about 38% and 48% of the total exergy consumption of building materials production. From the perspective of exergyenergy ratio, the maximum value is steel, 0.92; and the minimum is cement, 0.59. The exergyenergy ratio of building envelope construction is 0.79. The results can provide reference for the research of energy consumption resulting from “uncompleted building”. The exergy assessment method presentedcan be applied to other similar buildings, and can provide reference for sustainable building construction.

Key words:building envelope; energy consumption; exergy; exergyenergy ratio



目前，能源已成為制約中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素.2010年，中國建筑總能耗(不含生物質(zhì)能)為6.77 億t, 占全國總能耗的20.9% [1]，建筑節(jié)能的研究顯得尤為迫切.影響建筑能耗的主要因素有氣候、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑的運行與維護(hù)，以及室內(nèi)熱源等.從圍護(hù)結(jié)構(gòu)的角度，許多學(xué)者大多致力于研究體形系數(shù)，窗墻比，保溫措施，遮陽等對圍護(hù)結(jié)構(gòu)空調(diào)負(fù)荷的影響，沒有將圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分作為整體考慮，更沒有考慮建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程能耗.況且，在中國建筑業(yè)飛速發(fā)展的過程中，出現(xiàn)了大量的“爛尾樓”，這些建筑浪費了大量的能源、資源，造成了非常嚴(yán)重的社會影響.研究建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程能耗水平，對從宏觀上把握這些建筑的能源浪費情況，具有非常積極的意義.

本文提出的圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程包括3部分：圍護(hù)結(jié)構(gòu)所需建材的生產(chǎn)制造階段、建材及構(gòu)件從出廠到施工現(xiàn)場的運輸階段以及現(xiàn)場施工階段.目前，中國建材生產(chǎn)過程中消耗的能源約占全社會總能耗的16.7%[2]，且在發(fā)展中國家，建材生產(chǎn)能耗占圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程能耗的90%以上[3].文獻(xiàn)[3-7]對圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程能耗、溫室氣體排放水平都作了相關(guān)研究.然而，這些研究均采用的是能分析方法，沒有考慮能量“質(zhì)”的差別.

湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2014年

第4期龔光彩等：建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程能源消耗火用分析評價

基于熱力學(xué)第二定律的火用分析法能將各種不同“質(zhì)”和“量”的能量區(qū)別開來，能真實地反映能量的“量”和“質(zhì)”的轉(zhuǎn)化和損失情況，有效地揭示出用能薄弱環(huán)節(jié).在優(yōu)化建筑能量系統(tǒng)方面，是一種非常科學(xué)可行的方法，并被許多研究者[8-11]廣泛應(yīng)用.將火用分析法應(yīng)用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程，定量計算比較單位建筑面積能耗，火用耗，并通過火用能比來評價建筑能源利用的可持續(xù)性，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫，對了解“爛尾樓”能耗現(xiàn)狀具有積極意義，也可為圍護(hù)結(jié)構(gòu)可持續(xù)建造提供參考.

1 研究方法

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建造過程會對環(huán)境產(chǎn)生非常重要的影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)所需建材的生產(chǎn)制造，運輸以及現(xiàn)場組裝或施工建造都將消耗大量的能源和排放大量的溫室氣體.在中國主要建材使用環(huán)境影響中，近70%來源于化石能源消耗，30%左右來源于化石能源消耗伴隨的污染物排放環(huán)境影響，資源消耗的環(huán)境影響相對較小[12].考慮到相關(guān)數(shù)據(jù)的可獲得性以及研究目的，本文主要研究建材生產(chǎn)制造、運輸和現(xiàn)場施工過程一次能源消耗情況，并運用火用方法進(jìn)行分析評價.

1.1 火用與燃料火用

在周圍環(huán)境條件下任一形式的能量中理論上能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰糠Q為該能量的火用或有效能[13].火用值的計算離不開參考環(huán)境的選取，本文選取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，25 ℃作為參考環(huán)境狀態(tài).忽略物理火用的影響，則燃料的化學(xué)火用可按下式估算[14]：

εf=γfHf. (1)

式中：εf為燃料的化學(xué)火用值；Hf為燃料的高位發(fā)熱量；γf為燃料的含火用系數(shù).當(dāng)環(huán)境狀態(tài)偏離標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時，一般情況下，壓力變化很小，對燃料火用的影響可忽略[13].

從公式(1)可以看出，含火用系數(shù)可以表示為燃料所含火用值與其能量值之比，即

γf=εfHf. (2)

燃料的含火用系數(shù)說明了燃料所含的能量中有效能所占的比例，對于固體燃料可取1，對氣體燃料取0.95，對液體燃料取0.975[13].

1.2 火用能比

既然燃料的含火用系數(shù)表征了燃料所含的能量中有效能(火用)所占的比例，那么是否可以用一個相似的系數(shù)來表征圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程各階段以及建材生產(chǎn)制造階段所消耗能源的能量值與其所含火用值的關(guān)系，以此來反映建筑對優(yōu)質(zhì)能源的利用程度，評價建筑能源利用是否可持續(xù).針對這一問題，提出了火用能比的概念.所謂火用能比是指圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程各階段或者某種建材生產(chǎn)制造階段火用耗(Ex)與其能耗(Q)之比，用EQR表示，即

EQR=ExQ.(3)

火用能比越小，說明建造過程各階段有效能(火用)的消耗越小，在建材生產(chǎn)制造所消耗能源結(jié)構(gòu)中，高品質(zhì)能源的消耗越小.

電的火用值等于其熱量值.但電力來自于不同的發(fā)電類型，電力綜合能源火用值，應(yīng)該根據(jù)各發(fā)電能源類型綜合考慮.中國電力主要有火電，水電，核電和風(fēng)電等.2009年，中國發(fā)電量為35 874 億kWh，其中水電4 961 億kWh，火電29 901 億kWh，其余為核電、風(fēng)電和其他發(fā)電[15].由此可知，2009年水電占比13.8%，火電(主要為原煤發(fā)電)占比83.4%，核電、風(fēng)電和其他發(fā)電占比2.8%.其中核電的能源火用值取電力熱量值，水電火用值取水電熱量值，其他可再生能源電力火用值取電力熱量值，中國電力發(fā)熱量為3 600 kJ/kWh，能源供應(yīng)火用效率原煤為0.321，水電、核電以及可再生能源發(fā)電為100%[12].則2009年火力發(fā)電，水力發(fā)電，核電、風(fēng)電等能源火用值分別為11 215，3 600，3 600 kJ/kWh.電力綜合能源火用值即為各發(fā)電能源火用值加權(quán)值9 951 kJ/kWh.

1.3 火用耗計算

1.3.1 建材生產(chǎn)階段火用耗

建材作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造的基本原料包括水泥、鋼材、玻璃、混凝土及其砌塊等.在滿足建筑業(yè)及人類生產(chǎn)生活物質(zhì)保障的同時，建材及其構(gòu)件的生產(chǎn)制造都會消耗大量的能源.例如，1 kg鋼的能源消耗清單如表1所示.單位某種建材生產(chǎn)階段火用耗可用下式計算：

Exm,p=∑i(εf,i×mi).(4)

式中：Exm,p為單位某種建材生產(chǎn)火用耗；εf,i為某種建材生產(chǎn)所消耗的能源結(jié)構(gòu)中第i種燃料的燃料火用；mi為單位某種建材生產(chǎn)階段第i中燃料的消耗量.

表1 1 kg鋼的能源消耗清單[16]

Tab.1 Energy consumption list for producing 1 kg steel

煉焦煤

/kg

動力煤

/kg

電

/KWh

燃料油

/kg

天然氣

/m3

0.446 4

0.312 9

0.555 1

0.000 1

0.003 2

1.3.2 運輸過程火用耗

本文中建材運輸火用耗僅考慮建材及構(gòu)件從出廠到施工現(xiàn)場的運輸過程火用耗.在中國，建材主要通過公路和鐵路2種運輸方式，鐵路一般用于長距離運送，而建筑材料的運輸一般是就近原則，采取公路運輸?shù)姆绞捷^多[17].文獻(xiàn)[18]表明公路貨運車輛使用的燃料97.5%為柴油,根據(jù)田建華[19]對中國機動車單位能源消耗量的研究，道路貨物運輸中柴油車的單位能源消耗量為6.3 L/(100 t?km).假設(shè)所有建筑材料均使用以柴油為燃料的公路運輸，且假設(shè)相關(guān)運輸距離為50 km，則某種建材運輸火用耗等于燃油的用量與其燃料火用的乘積，按下式計算：

mf,j=Rρmj(1+L)×d. (5)

Exm,t=mf,jεf,f.(6)

式中：mf,j為運輸過程燃油的用量，kg；R為運輸能耗強度，L/(100 t?km)；ρ為燃油的密度，kg/L；mj為某種建材的用量，100 t；L為運輸過程中建材j的損耗率，%；d為運輸距離，km； Exm,t為某種建材運輸火用耗，kJ； εf,f為燃油內(nèi)含火用值，kJ/kg.

1.3.3 施工過程火用耗

施工過程是建筑生命周期能源消耗的重要環(huán)節(jié).本文從常用施工機械設(shè)備的燃料動力用量及燃料動力內(nèi)含火用的角度，分析施工階段火用耗.文獻(xiàn)[20]給出了常用施工機械的臺班單價，人工及燃料動力用量，其中每臺班機械的柴油、汽油、電、煤等的消耗見表2.本文以其中每臺班機械耗能及該能源內(nèi)含火用為依據(jù)，結(jié)合施工方提供的工程量清單計算施工火用耗.某種施工機械每臺班火用耗按下式計算：

Exm,c=mtεf,c.(7)

式中：Exm,c為某種施工機械每臺班火用耗，kJ；mt為某種施工機械每臺班的燃料動力用量，kg或kWh；εf,c為所消耗燃料動力的內(nèi)含火用，kJ/kg或kJ/kWh.

表2 常用施工機械每臺班能耗[20]

Tab.2 Energy consumption of each machineteam 

for major construction machinery

機械名稱

型號

燃料動力用量

柴油/kg

電量/kWh

履帶式推土機

功率：75 kW

53.99

履帶式起重機

提升質(zhì)量：15 t

32.25

載貨汽車

裝載質(zhì)量：6 t

33.24

灰漿攪拌機

拌筒容量：200 L

8.61

木工圓鋸機

直徑：500 mm

混凝土震搗器

平板式

混凝土震搗器

插入式

直流電焊機

功率：14 kW

50.68

1.4 能耗計算

1.4.1 建材生產(chǎn)階段能耗

建筑建造過程消耗大量的建材，計算建材生產(chǎn)能耗主要是確定建材的種類及用量，以及生產(chǎn)單位建材過程中能源的種類和用量.單位建材的能耗可以用單位含能來表示，所謂含能 [21],是指生產(chǎn)建筑材料全過程中所消耗能量的總和.表3給出了主要單位建材產(chǎn)品的內(nèi)含能，某種建材生產(chǎn)階段能耗可按下式計算：

Em,p=mj(1+L)Ee,j．(8)

式中：Em,p為某種建材生產(chǎn)能耗，kJ；mj為某種建材的用量，m3或kg等；L為運輸過程建材的損耗率，%；Ee,j為建材的單位含能，kJ/單位.

表3 主要建材生產(chǎn)階段單位能耗數(shù)據(jù)表[22-24]

Tab.3 The unit energy consumption data of main

building materials production

序號

主要建材

單位

單位能耗/(kJ?單位-1)

實心粘土磚

千塊

6 857 604

空心粘土磚

千塊

5 685 364

混凝土

m3

2 499 801.8

鋼材

28 086

石灰

6 212.9

水泥

7 848.1

平板玻璃

24 480

加氣混凝土砌塊

m3

2 889 571.6

1.4.2 運輸過程能耗

建材運輸能耗考慮建材及構(gòu)件從出廠到施工現(xiàn)場的運輸過程消耗的能源，相關(guān)假設(shè)同建材運輸火用耗.某種建材運輸過程能耗可按下式計算：

Em,t=mfEe,k．(9)

式中：Em,t為某種建材運輸過程能耗，kJ；mf為運輸過程燃油的用量，kg；Ee,k為所消耗燃油內(nèi)含能，kJ/kg. 

1.4.3 施工過程能耗

施工過程能源消耗主要來自于各種機械設(shè)備，如混凝土攪拌機、起重機等的運行能耗.根據(jù)文獻(xiàn)[20]給出的常用施工機械每臺班機械的柴油、汽油、電、煤等的消耗，從燃料動力內(nèi)含能的角度，分析施工階段能耗，施工機械臺班數(shù)從施工方提供的工程量清單獲取，施工過程能耗可按下式計算：

Em,c=∑imt,iEe,iTb． (10)

式中：Em,c為施工過程能耗，kJ；mt,i為第i種施工機械每臺班的燃料動力量，kg或kWh；Ee,i為該施工機械所耗燃料動力的內(nèi)含能，kJ/kg或kJ/kWh；Tb為施工工程量清單中記載的臺班數(shù).

2 案例應(yīng)用

湖南某研發(fā)中心總建筑面積5 644 m2.建筑結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，部分外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為玻璃幕墻，設(shè)計使用年限為50年.根據(jù)施工方提供的人工、主要材料、機械匯總表，并結(jié)合《全國統(tǒng)一建筑工程基礎(chǔ)定額》，該建筑主要建材消耗量如表4所示.

表4 主要建材消耗量

Tab.4 The main building materials consumption 

list of the R&D center

建材

單位

用量

單位面積指標(biāo)

/(單位?m-2)

實心粘土磚

千塊

104.8

0.02

空心粘土磚

千塊

400.2

0.07

混凝土

m3

5174.4

0.92

鋼材

449 884.1

79.71

石灰

40 899.3

7.25

水泥

63 876.8

11.32

平板玻璃

43 455.6

7.70

加氣混凝土砌塊

m3

211.0

0.04

3 結(jié)果與討論

1)建材生產(chǎn)制造階段單位面積能耗與火用耗及所占比例如圖1所示.由圖1可知，各類建材生產(chǎn)階段單位面積能耗均大于火用耗．混凝土及其砌塊生產(chǎn)所需單位面積能耗最大，占整個建材生產(chǎn)階段能耗的44%，鋼材生產(chǎn)單位面積能耗次之，占比為41%，第3為土石質(zhì)類建材(包括空心粘土磚、實心粘土磚以及石灰)占比10%，平板玻璃占比3%，水泥占比2%.建材生產(chǎn)單位面積火用耗鋼材最大，占整個建材生產(chǎn)階段火用耗的48%，混凝土及其砌塊次之，占比38%，土石質(zhì)類建材占比10%，平板玻璃占比3%，水泥占比1%.從整體來看，鋼材和混凝土及其砌塊能耗和火用耗占比都最大，這與該研發(fā)中心這兩類建材的大量使用有關(guān).比較能耗和火用耗占比可知，鋼材火用耗占比同其能耗占比相比較有所增加，而混凝土及其砌塊火用耗占比同其能耗占比相比較有明顯下降，這與各建材生產(chǎn)所需能源結(jié)構(gòu)不同有關(guān).

相關(guān)建材生產(chǎn)制造階段所消耗能源的火用值與能值之比如表5所示.由表5可知，鋼材的火用能比最大，說明生產(chǎn)過程消耗的能源中火用值占比很大，生產(chǎn)所需能源結(jié)構(gòu)中高品質(zhì)能(電能)用量很多，這一點也可以從表1中鋼材能源消耗清單得出.

2)建材運輸階段單位面積能耗與火用耗如圖2所示.由圖2可知，混凝土及其砌塊運輸能耗與火用耗均最大，平板玻璃運輸能耗與火用耗次之，這與該研發(fā)中心使用框架結(jié)構(gòu)和玻璃幕墻導(dǎo)致混凝土和玻璃的大量運輸有關(guān).土石質(zhì)類、鋼材、平板玻璃、混凝土及其砌塊運輸階段單位面積能耗與火用耗占比一致，分別為2%,3%,9%和86%，這與文中所假設(shè)的各類建材運輸距離相同，采用的運輸方式相同有關(guān).



圖1 主要建材生產(chǎn)階段單位面積能耗與火用耗

Fig.1 Energy and exergy consumption of unit building 

area in building materials production phase



表5 生產(chǎn)各類建材的火用能比

Tab.5 Exergyenergy ratio of various kinds of building

materials in production stage

土石質(zhì)類

水泥

混凝土及其砌塊

鋼材

平板玻璃

火用能比

0.73

0.59

0.68

0.92

0.62

3)由于該研發(fā)中心施工過程各建材使用機械臺班數(shù)是統(tǒng)計在一起的，無法分開計算，故只能計算該研發(fā)中心施工過程單位面積能耗，火用耗的平均水平.施工過程單位面積能耗和火用耗分別為133.9 和112.1 MJ/m2.



圖2 主要建材運輸階段單位面積能耗與火用耗

Fig.2 Energy and exergy consumption of unit building 

area in building materials transportation phase



4)該研發(fā)中心圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程總能耗，火用耗如表6所示.由表6可知，該建造過程單位面積總能耗為5 943.7 MJ/m2，總火用耗為4 699.1 MJ/m2.建材生產(chǎn)階段無論是能耗，火用耗其比重均達(dá)到90%以上，可見建材生產(chǎn)階段節(jié)能迫在眉睫.建材運輸與施工過程火用耗占比大于能耗占比，這兩部分的節(jié)能潛力不容忽視.整個圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程火用能比為0.79，運輸過程火用能比高達(dá)0.97，節(jié)能、節(jié)火用刻不容緩.

表6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程單位面積總能耗，火用耗，火用能比

Tab.6 The total energy and exergy consumption and 

exergyenergy ratio in building envelop construction

能耗/

(MJ?m-2)

比例/

火用耗/

(MJ?m-2)

比例/

火用能

比

建材生產(chǎn)階段

5 491.4

92.4

4 276.6

91.0

0.78

建材運輸過程

318.4

5.4

310.4

6.6

0.97

現(xiàn)場施工過程

133.9

2.2

112.1

2.4

0.84

總計

5 943.7

100

4 699.1

100

0.79

4 結(jié) 論

本文通過建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程能耗與火用耗的計算方法，定量計算分析了某研發(fā)中心圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程能耗與火用耗水平，以及火用能比狀況，得出如下結(jié)論：

1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程單位面積總能耗和總火用耗分別為5 943.7和4 699.1 MJ/m2，整個圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程火用能比為0.79.

2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程能耗主要來自于建材生產(chǎn)階段，建材生產(chǎn)制造階段火用能比為0.78，幾乎與整個圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程火用能比相當(dāng).其中鋼材，混凝土及其砌塊，土石質(zhì)類建材生產(chǎn)制造火用能比較大，分別為0.92,0.68,0.73.優(yōu)化建材生產(chǎn)能源結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)過程中高品質(zhì)能源的用量，是降低建材生產(chǎn)制造能耗的關(guān)鍵.

3)混凝土及其砌塊，土石質(zhì)類建材，鋼材以及平板玻璃的運輸能耗是該研發(fā)中心圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過程運輸能耗的主要來源.運輸過程火用能比高達(dá)0.97，節(jié)能、節(jié)火用刻不容緩.對建筑工程來說，可以在施工現(xiàn)場建立混凝土攪拌站，對于離生產(chǎn)廠家較遠(yuǎn)的建材，應(yīng)就地就近取材，以降低運輸能耗.

4)結(jié)果可為研究“爛尾樓”能耗現(xiàn)狀提供數(shù)據(jù)參考，同時本文提出的火用分析評價計算方法可以應(yīng)用于類似建筑，為圍護(hù)結(jié)構(gòu)可持續(xù)建造提供參考.

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