建筑围护结构建造过程能源消耗火用分析评价

文章编号：16742974(2014)04010106

收稿日期：20130520

基金项目：湖南省科技重大专项资助项目（2010FJ1013）；国家国际科技合作资助项目（2010DFB63830）；湖南省住房和城乡建设厅科技计划资助项目（KY201111）

作者简介：龚光彩（1965-），男，湖南澧县人，湖南大学教授，博士

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摘 要：建筑围护结构所需的建材从生产制造阶段、运输阶段到现场施工建造阶段都将消耗大量的能源，针对这3个阶段，提出了围护结构建造过程能耗及火用耗的计算方法，并提出火用能比的概念用来评价建筑能源利用的可持续性.以湖南地区某研发中心为研究对象，对其围护结构建造过程能耗进行定量分析，结果表明：围护结构建造过程能耗主要来自于建材生产阶段，其中混凝土及其砌块单位建筑面积生产能耗最大，约占整个生产阶段能耗的44%，其次为钢材，占比约41%；钢材单位建筑面积生产火用耗最大，达到整个生产阶段火用耗的48%左右，混凝土及其砌块占比38%左右.从火用能比角度分析，钢材最大，为0.92，水泥最小，为0.59.整个围护结构建造过程火用能比为0.79.结果可为研究“烂尾楼”能耗现状提供参考.提出的火用分析评价方法可以应用于其他类似建筑，并为围护结构可持续建造提供参考.

关键词：建筑围护结构；能耗；火用；火用能比

中图分类号：TU111；TK123文献标识码：A

Exergy Assessment of the Energy Consumption

of Building Envelope Construction

GONG Guangcai1 , GONG Siyue1 , HAN Tianhe1 ,

GONG Ziche1 , LI Shuisheng2 , YANG Yong2

（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 onsite 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 exergyenergy 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 exergyenergy ratio, the maximum value is steel, 0.92; and the minimum is cement, 0.59. The exergyenergy 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; exergyenergy ratio

目前，能源已成为制约中国经济发展的重要因素.2010年，中国建筑总能耗(不含生物质能)为6.77 亿t, 占全国总能耗的20.9% \[1\]，建筑节能的研究显得尤为迫切.影响建筑能耗的主要因素有气候、围护结构、建筑的运行与维护，以及室内热源等.从围护结构的角度，许多学者大多致力于研究体形系数，窗墙比，保温措施，遮阳等对围护结构空调负荷的影响，没有将围护结构各部分作为整体考虑，更没有考虑建筑围护结构建造过程能耗.况且，在中国建筑业飞速发展的过程中，出现了大量的“烂尾楼”，这些建筑浪费了大量的能源、资源，造成了非常严重的社会影响.研究建筑围护结构建造过程能耗水平，对从宏观上把握这些建筑的能源浪费情况，具有非常积极的意义.

本文提出的围护结构建造过程包括3部分：围护结构所需建材的生产制造阶段、建材及构件从出厂到施工现场的运输阶段以及现场施工阶段.目前，中国建材生产过程中消耗的能源约占全社会总能耗的16.7%\[2\]，且在发展中国家，建材生产能耗占围护结构建造过程能耗的90%以上\[3\].文献\[3-7\]对围护结构建造过程能耗、温室气体排放水平都作了相关研究.然而，这些研究均采用的是能分析方法，没有考虑能量“质”的差别.

湖南大学学报(自然科学版)2014年

第4期龚光彩等：建筑围护结构建造过程能源消耗火用分析评价

基于热力学第二定律的火用分析法能将各种不同“质”和“量”的能量区别开来，能真实地反映能量的“量”和“质”的转化和损失情况，有效地揭示出用能薄弱环节.在优化建筑能量系统方面，是一种非常科学可行的方法，并被许多研究者\[8-11\]广泛应用.将火用分析法应用于围护结构建造过程，定量计算比较单位建筑面积能耗，火用耗，并通过火用能比来评价建筑能源利用的可持续性，建立相关数据库，对了解“烂尾楼”能耗现状具有积极意义，也可为围护结构可持续建造提供参考.

1 研究方法

建筑围护结构的建造过程会对环境产生非常重要的影响，围护结构所需建材的生产制造，运输以及现场组装或施工建造都将消耗大量的能源和排放大量的温室气体.在中国主要建材使用环境影响中，近70%来源于化石能源消耗，30%左右来源于化石能源消耗伴随的污染物排放环境影响，资源消耗的环境影响相对较小\[12\].考虑到相关数据的可获得性以及研究目的，本文主要研究建材生产制造、运输和现场施工过程一次能源消耗情况，并运用火用方法进行分析评价.

1.1 火用与燃料火用

在周围环境条件下任一形式的能量中理论上能够转变为有用功的那部分能量称为该能量的火用或有效能\[13\].火用值的计算离不开参考环境的选取，本文选取标准大气压，25 ℃作为参考环境状态.忽略物理火用的影响，则燃料的化学火用可按下式估算\[14\]：

εf=γfHf. (1)

式中：εf为燃料的化学火用值；Hf为燃料的高位发热量；γf为燃料的含火用系数.当环境状态偏离标准状态时，一般情况下，压力变化很小，对燃料火用的影响可忽略\[13\].

从公式(1)可以看出，含火用系数可以表示为燃料所含火用值与其能量值之比，即

γf=εfHf. (2)

燃料的含火用系数说明了燃料所含的能量中有效能所占的比例，对于固体燃料可取1，对气体燃料取0.95，对液体燃料取0.975\[13\].

1.2 火用能比

既然燃料的含火用系数表征了燃料所含的能量中有效能(火用)所占的比例，那么是否可以用一个相似的系数来表征围护结构建造过程各阶段以及建材生产制造阶段所消耗能源的能量值与其所含火用值的关系，以此来反映建筑对优质能源的利用程度，评价建筑能源利用是否可持续.针对这一问题，提出了火用能比的概念.所谓火用能比是指围护结构建造过程各阶段或者某种建材生产制造阶段火用耗(Ex)与其能耗(Q)之比，用EQR表示，即

EQR=ExQ.(3)

火用能比越小，说明建造过程各阶段有效能(火用)的消耗越小，在建材生产制造所消耗能源结构中，高品质能源的消耗越小.

电的火用值等于其热量值.但电力来自于不同的发电类型，电力综合能源火用值，应该根据各发电能源类型综合考虑.中国电力主要有火电，水电，核电和风电等.2009年，中国发电量为35 874 亿kWh，其中水电4 961 亿kWh，火电29 901 亿kWh，其余为核电、风电和其他发电\[15\].由此可知，2009年水电占比13.8%，火电(主要为原煤发电)占比83.4%，核电、风电和其他发电占比2.8%.其中核电的能源火用值取电力热量值，水电火用值取水电热量值，其他可再生能源电力火用值取电力热量值，中国电力发热量为3 600 kJ/kWh，能源供应火用效率原煤为0.321，水电、核电以及可再生能源发电为100%\[12\].则2009年火力发电，水力发电，核电、风电等能源火用值分别为11 215，3 600，3 600 kJ/kWh.电力综合能源火用值即为各发电能源火用值加权值9 951 kJ/kWh.

1.3 火用耗计算

1.3.1 建材生产阶段火用耗

建材作为围护结构建造的基本原料包括水泥、钢材、玻璃、混凝土及其砌块等.在满足建筑业及人类生产生活物质保障的同时，建材及其构件的生产制造都会消耗大量的能源.例如，1 kg钢的能源消耗清单如表1所示.单位某种建材生产阶段火用耗可用下式计算：

Exm,p=∑i(εf,i×mi).(4)

式中：Exm,p为单位某种建材生产火用耗；εf,i为某种建材生产所消耗的能源结构中第i种燃料的燃料火用；mi为单位某种建材生产阶段第i中燃料的消耗量.

表1 1 kg钢的能源消耗清单\[16\]

Tab.1 Energy consumption list for producing 1 kg steel

炼焦煤

/kg

动力煤

/kg

电

/KWh

燃料油

/kg

天然气

/m3

0.446 4

0.312 9

0.555 1

0.000 1

0.003 2

1.3.2 运输过程火用耗

本文中建材运输火用耗仅考虑建材及构件从出厂到施工现场的运输过程火用耗.在中国，建材主要通过公路和铁路2种运输方式，铁路一般用于长距离运送，而建筑材料的运输一般是就近原则，采取公路运输的方式较多\[17\].文献\[18\]表明公路货运车辆使用的燃料97.5%为柴油,根据田建华\[19\]对中国机动车单位能源消耗量的研究，道路货物运输中柴油车的单位能源消耗量为6.3 L/(100 t•km).假设所有建筑材料均使用以柴油为燃料的公路运输，且假设相关运输距离为50 km，则某种建材运输火用耗等于燃油的用量与其燃料火用的乘积，按下式计算：

mf,j=Rρmj(1+L)×d. (5)

Exm,t=mf,jεf,f.(6)

式中：mf,j为运输过程燃油的用量，kg；R为运输能耗强度，L/(100 t•km)；ρ为燃油的密度，kg/L；mj为某种建材的用量，100 t；L为运输过程中建材j的损耗率，%；d为运输距离，km； Exm,t为某种建材运输火用耗，kJ； εf,f为燃油内含火用值，kJ/kg.

1.3.3 施工过程火用耗

施工过程是建筑生命周期能源消耗的重要环节.本文从常用施工机械设备的燃料动力用量及燃料动力内含火用的角度，分析施工阶段火用耗.文献\[20\]给出了常用施工机械的台班单价，人工及燃料动力用量，其中每台班机械的柴油、汽油、电、煤等的消耗见表2.本文以其中每台班机械耗能及该能源内含火用为依据，结合施工方提供的工程量清单计算施工火用耗.某种施工机械每台班火用耗按下式计算：

Exm,c=mtεf,c.(7)

式中：Exm,c为某种施工机械每台班火用耗，kJ；mt为某种施工机械每台班的燃料动力用量，kg或kWh；εf,c为所消耗燃料动力的内含火用，kJ/kg或kJ/kWh.

表2 常用施工机械每台班能耗\[20\]

Tab.2 Energy consumption of each machineteam

for major construction machinery

机械名称

型号

燃料动力用量

柴油/kg

电量/kWh

履带式推土机

功率：75 kW

53.99

-

履带式起重机

提升质量：15 t

32.25

-

载货汽车

装载质量：6 t

33.24

-

灰浆搅拌机

拌筒容量：200 L

-

8.61

木工圆锯机

直径：500 mm

-

24

混凝土震捣器

平板式

-

4

混凝土震捣器

插入式

-

4

直流电焊机

功率：14 kW

-

50.68

1.4 能耗计算

1.4.1 建材生产阶段能耗

建筑建造过程消耗大量的建材，计算建材生产能耗主要是确定建材的种类及用量，以及生产单位建材过程中能源的种类和用量.单位建材的能耗可以用单位含能来表示，所谓含能 \[21\],是指生产建筑材料全过程中所消耗能量的总和.表3给出了主要单位建材产品的内含能，某种建材生产阶段能耗可按下式计算：

Em,p=mj(1+L)Ee,j．(8)

式中：Em,p为某种建材生产能耗，kJ；mj为某种建材的用量，m3或kg等；L为运输过程建材的损耗率，%；Ee,j为建材的单位含能，kJ/单位.

表3 主要建材生产阶段单位能耗数据表\[22-24\]

Tab.3 The unit energy consumption data of main

building materials production

序号

主要建材

单位

单位能耗/(kJ•单位-1)

1

实心粘土砖

千块

6 857 604

2

空心粘土砖

千块

5 685 364

3

混凝土

m3

2 499 801.8

4

钢材

kg

28 086

5

石灰

kg

6 212.9

6

水泥

kg

7 848.1

7

平板玻璃

kg

24 480

8

加气混凝土砌块

m3

2 889 571.6

1.4.2 运输过程能耗

建材运输能耗考虑建材及构件从出厂到施工现场的运输过程消耗的能源，相关假设同建材运输火用耗.某种建材运输过程能耗可按下式计算：

Em,t=mfEe,k．(9)

式中：Em,t为某种建材运输过程能耗，kJ；mf为运输过程燃油的用量，kg；Ee,k为所消耗燃油内含能，kJ/kg.

1.4.3 施工过程能耗

施工过程能源消耗主要来自于各种机械设备，如混凝土搅拌机、起重机等的运行能耗.根据文献\[20\]给出的常用施工机械每台班机械的柴油、汽油、电、煤等的消耗，从燃料动力内含能的角度，分析施工阶段能耗，施工机械台班数从施工方提供的工程量清单获取，施工过程能耗可按下式计算：

Em,c=∑imt,iEe,iTb． (10)

式中：Em,c为施工过程能耗，kJ；mt,i为第i种施工机械每台班的燃料动力量，kg或kWh；Ee,i为该施工机械所耗燃料动力的内含能，kJ/kg或kJ/kWh；Tb为施工工程量清单中记载的台班数.

2 案例应用

湖南某研发中心总建筑面积5 644 m2.建筑结构形式为框架结构，部分护结构为玻璃幕墙，设计使用年限为50年.根据施工方提供的人工、主要材料、机械汇总表，并结合《全国统一建筑工程基础定额》，该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

单位

用量

单位面积指标

/(单位•m-2)

实心粘土砖

千块

104.8

0.02

空心粘土砖

千块

400.2

0.07

混凝土

m3

5174.4

0.92

钢材

kg

449 884.1

79.71

石灰

kg

40 899.3

7.25

水泥

kg

63 876.8

11.32

平板玻璃

kg

43 455.6

7.70

加气混凝土砌块

m3

211.0

0.04

3 结果与讨论

1)建材生产制造阶段单位面积能耗与火用耗及所占比例如图1所示.由图1可知，各类建材生产阶段单位面积能耗均大于火用耗．混凝土及其砌块生产所需单位面积能耗最大，占整个建材生产阶段能耗的44%，钢材生产单位面积能耗次之，占比为41%，第3为土石质类建材(包括空心粘土砖、实心粘土砖以及石灰)占比10%，平板玻璃占比3%，水泥占比2%.建材生产单位面积火用耗钢材最大，占整个建材生产阶段火用耗的48%，混凝土及其砌块次之，占比38%，土石质类建材占比10%，平板玻璃占比3%，水泥占比1%.从整体来看，钢材和混凝土及其砌块能耗和火用耗占比都最大，这与该研发中心这两类建材的大量使用有关.比较能耗和火用耗占比可知，钢材火用耗占比同其能耗占比相比较有所增加，而混凝土及其砌块火用耗占比同其能耗占比相比较有明显下降，这与各建材生产所需能源结构不同有关.

相关建材生产制造阶段所消耗能源的火用值与能值之比如表5所示.由表5可知，钢材的火用能比最大，说明生产过程消耗的能源中火用值占比很大，生产所需能源结构中高品质能(电能)用量很多，这一点也可以从表1中钢材能源消耗清单得出.

2)建材运输阶段单位面积能耗与火用耗如图2所示.由图2可知，混凝土及其砌块运输能耗与火用耗均最大，平板玻璃运输能耗与火用耗次之，这与该研发中心使用框架结构和玻璃幕墙导致混凝土和玻璃的大量运输有关.土石质类、钢材、平板玻璃、混凝土及其砌块运输阶段单位面积能耗与火用耗占比一致，分别为2%,3%,9%和86%，这与文中所假设的各类建材运输距离相同，采用的运输方式相同有关.

图1 主要建材生产阶段单位面积能耗与火用耗

Fig.1 Energy and exergy consumption of unit building

area in building materials production phase

表5 生产各类建材的火用能比

Tab.5 Exergyenergy ratio of various kinds of building

materials in production stage

土石质类

水泥

混凝土及其砌块

钢材

平板玻璃

火用能比

0.73

0.59

0.68

0.92

0.62

3)由于该研发中心施工过程各建材使用机械台班数是统计在一起的，无法分开计算，故只能计算该研发中心施工过程单位面积能耗，火用耗的平均水平.施工过程单位面积能耗和火用耗分别为133.9 和112.1 MJ/m2.

图2 主要建材运输阶段单位面积能耗与火用耗

Fig.2 Energy and exergy consumption of unit building

area in building materials transportation phase

4)该研发中心围护结构建造过程总能耗，火用耗如表6所示.由表6可知，该建造过程单位面积总能耗为5 943.7 MJ/m2，总火用耗为4 699.1 MJ/m2.建材生产阶段无论是能耗，火用耗其比重均达到90%以上，可见建材生产阶段节能迫在眉睫.建材运输与施工过程火用耗占比大于能耗占比，这两部分的节能潜力不容忽视.整个围护结构建造过程火用能比为0.79，运输过程火用能比高达0.97，节能、节火用刻不容缓.

表6 围护结构建造过程单位面积总能耗，火用耗，火用能比

Tab.6 The total energy and exergy consumption and

exergyenergy ratio in building envelop construction

能耗/

(MJ•m-2)

比例/

%

火用耗/

(MJ•m-2)

比例/

%

火用能

比

建材生产阶段

5 491.4

92.4

4 276.6

91.0

0.78

建材运输过程

318.4

5.4

310.4

6.6

0.97

现场施工过程

133.9

2.2

112.1

2.4

0.84

总计

5 943.7

100

4 699.1

100

0.79

4 结 论

本文通过建立围护结构建造过程能耗与火用耗的计算方法，定量计算分析了某研发中心围护结构建造过程能耗与火用耗水平，以及火用能比状况，得出如下结论：

1)围护结构建造过程单位面积总能耗和总火用耗分别为5 943.7和4 699.1 MJ/m2，整个围护结构建造过程火用能比为0.79.

2)围护结构建造过程能耗主要来自于建材生产阶段，建材生产制造阶段火用能比为0.78，几乎与整个围护结构建造过程火用能比相当.其中钢材，混凝土及其砌块，土石质类建材生产制造火用能比较大，分别为0.92,0.68,0.73.优化建材生产能源结构，降低生产过程中高品质能源的用量，是降低建材生产制造能耗的关键.

3)混凝土及其砌块，土石质类建材，钢材以及平板玻璃的运输能耗是该研发中心围护结构建造过程运输能耗的主要来源.运输过程火用能比高达0.97，节能、节火用刻不容缓.对建筑工程来说，可以在施工现场建立混凝土搅拌站，对于离生产厂家较远的建材，应就地就近取材，以降低运输能耗.

4)结果可为研究“烂尾楼”能耗现状提供数据参考，同时本文提出的火用分析评价计算方法可以应用于类似建筑，为围护结构可持续建造提供参考.

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